原位高速X射線影像技術(shù)揭示送粉激光沉積氣孔機(jī)理

（文章來(lái)源：激光天地）

送粉激光增材制造相比鋪粉而言操作更加靈活，可以在制備過(guò)程中變換粉末，也可以制備出復(fù)雜形狀的部件。盡管該工藝頗受人們的關(guān)注，但氣孔的出現(xiàn)依然是部件制造過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生的問(wèn)題。由此顯著降低了部件的疲勞壽命和機(jī)械強(qiáng)度。對(duì)激光能量與沉積粉末之間的物理現(xiàn)象的深入理解，目前仍然是一件非常不容易的事情，急需有塬位在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)影響粉末流速、基材吸收激光能量、熔池動(dòng)力學(xué)和氣孔形成的相關(guān)機(jī)制進(jìn)行研究。

本文研究了采用壓電材料控制送粉器系統(tǒng)進(jìn)行送粉增材制造，利用X射線影像技術(shù)對(duì)單個(gè)粉末顆粒流向熔池的過(guò)程進(jìn)行了觀察。本文中采用塬位高速X射線影像技術(shù)對(duì)激光送粉制造Ti6Al4V時(shí)的粉末粒子首次進(jìn)行了觀察并揭示了影響到粉末流動(dòng)和氣孔形成的內(nèi)在的激光-材料相互作用機(jī)制。

增材制造技術(shù)為研究工藝-組織-性能之間的關(guān)系提供了一個(gè)非常有益的機(jī)會(huì)，同時(shí)為獲得顯微組織優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的產(chǎn)品提供了便利。增材制造過(guò)程中的定向凝固還為設(shè)計(jì)復(fù)雜形狀和特定功能的部件提供了特殊的途徑。增材制造中的大多數(shù)研究工作集中在離線的檢測(cè)分析上，是在工藝完成后進(jìn)行的，即工件已經(jīng)冷卻了。

單獨(dú)研究工藝參數(shù)對(duì)組織的影響是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)楣に囘^(guò)程中些微的變化都會(huì)造成部件熱歷史的變化。利用先進(jìn)制造工藝過(guò)程中的在線監(jiān)測(cè)來(lái)評(píng)估熱歷史-顯微組織和性能的關(guān)系對(duì)工藝生產(chǎn)過(guò)程以及增材制造產(chǎn)品的閉環(huán)控制中的物理現(xiàn)象的了解至關(guān)重要。

尤其是送粉激光增材制造中的熱模型，通過(guò)簡(jiǎn)化基材和粉末的激光吸收參數(shù)、激光功率、掃掃描速度、粉末流速、激光誘導(dǎo)等離子體和惰性氣體的影響等對(duì)研究非常有幫助。通過(guò)這些模型預(yù)測(cè)的熱歷史和顯微組織同工藝過(guò)程中的激光能量吸收高度敏感。由此使得僅僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)揭示基材和粉末沉積時(shí)吸收激光能量的效果大打折扣。

送粉增材制造工藝，又叫直接能量沉積（DED），可以表述為一種熱源和流動(dòng)的粉末（或移動(dòng)的絲材）相互作用形成熔池的工藝。DED技術(shù)發(fā)展非常迅速，多用于部件的修復(fù)和塬型制造。同粉末床選區(qū)熔化相比較，DED工藝過(guò)程中的傳熱機(jī)制為定向凝固。

每制造一層并不需要像鋪粉增材制造那樣等粉末鋪送完畢后再熔化新層。此外，DED的靈活性非常高，這是因?yàn)槌练e材料可以直接通過(guò)噴嘴混合而輸送，從而可以靈活的制備出功能梯度材料。由于沉積粉末以及他們之間相互作用的復(fù)雜性，導(dǎo)致采用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)控單個(gè)粉末粒子和熔池的相互作用以及獲得的制造體之間的關(guān)系是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。在本文中，低成本壓電材料驅(qū)動(dòng)的送粉系統(tǒng)用來(lái)沉積粉末來(lái)同移動(dòng)的激光束進(jìn)行相互作用，采用高速X射線影像技術(shù)來(lái)研究激光與材料之間的相互作用機(jī)制。

在過(guò)去，增材制造時(shí)采用塬位檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行激光與材料之間的相互作用的研究進(jìn)一步證明了增材制造工藝同傳統(tǒng)焊接和鑄造相比所具有的獨(dú)特性，因?yàn)樵摴に囀强焖倌痰墓に囘^(guò)程。此外，在線監(jiān)測(cè)中的紅外熱成像、雙色計(jì)、熱電偶等均有人使用。

Lawrence國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用高速攝影技術(shù)進(jìn)行粉末床的增材制造研究，發(fā)現(xiàn)蒸汽造成的粒子飛濺，從而形成缺陷。塬位高速X射線影像技術(shù)對(duì)粉末床激光與材料的相互作用的研究揭示了在線檢測(cè)熔池的生長(zhǎng)和凝固速率、熔池中粒子的飛濺以及匙孔的形成等。另外也有非常重要的研究就是粉末床增材制造過(guò)程中激光與材料相互作用時(shí)的機(jī)制，使用的手段為超快XRD、X射線影響以及激光干涉等。

本文采用高分辨率、高速X射線影像技術(shù)來(lái)研究DED過(guò)程中激光束、飛行粉末顆粒和熔池之間的行為。同時(shí)對(duì)該先進(jìn)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行延伸，研究人員可以理解顆粒飛濺、熔體流動(dòng)和傳熱的相關(guān)機(jī)制，并為增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)敏捷制造和功能零件的制造提供了借鑒。
（責(zé)任編輯：fqj）