理解和控制粉末床激光熔化金屬3D打印過程中的熱歷史

粉末床激光熔化（LPBF）金屬3D打印技術(shù)被航空航天、醫(yī)療、汽車等工業(yè)領(lǐng)域用于制造高附加值的金屬部件。理解和控制LPBF 工藝的熱歷史對(duì)于制造低孔隙率、受控微觀結(jié)構(gòu)和低殘余應(yīng)力的零件至關(guān)重要。激光吸收率是激光材料相互作用中的關(guān)鍵參數(shù)之一，傳統(tǒng)上假設(shè)在增材制造（AM）建模中是恒定的，而實(shí)際上，它會(huì)因表面形態(tài)和溫度變化而發(fā)生變化，并受多種材料特性和激光加工參數(shù)的影響。最近，在《Advanced Engineering Materials》期刊中發(fā)表的研究論文-Energy Coupling Mechanisms and Scaling Behavior Associated with Laser Powder Bed Fusion Additive Manufacturing， 對(duì)真實(shí)粉末床激光熔化增材制造中的激光吸收率定量表征進(jìn)行了研究，并為工藝優(yōu)化建立了有用的比例關(guān)系。

圖片：激光跟蹤模擬激光射線和熔池幾何形狀，來源：Advanced Science News.

 金屬3D打印的精確熱歷史預(yù)測(cè)

在這項(xiàng)研究中，研究人員進(jìn)行了原位光學(xué)吸收率測(cè)量，以闡明LPBF 3D打印工藝中激光與材料的相互作用，并驗(yàn)證描述了粉末床激光熔化處理的有限元和分析模型。使用精確的量熱法測(cè)量直接評(píng)估激光能量的吸收，并與常見結(jié)構(gòu)金屬合金（Ti-6Al-4V，Inconel 625和316L不銹鋼）的熔池深度進(jìn)行比較，作為入射激光功率，掃描速度和激光束直徑的函數(shù)進(jìn)行比較。

      研究人員發(fā)現(xiàn)，所有材料的吸收率和熔池深度的變化在傳導(dǎo) – 小孔模式閾值上變化很大。他們將流體動(dòng)力學(xué)有限元模型與基于射線追蹤的吸收率模型相結(jié)合，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。研究人員推導(dǎo)出不同材料和激光掃描系統(tǒng)的熔池深度和激光吸收率的表達(dá)式，從而為加速選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)激光加工參數(shù)的優(yōu)化提供了有用的工具。以前，測(cè)量吸收率的方法是積分球反射計(jì)或宏觀量熱法測(cè)量。前一種方法不僅涉及材料吸收的能量，還涉及由于蒸發(fā)和等離子體吸收造成的能量損失，該損失對(duì)3D打印部件性能有所影響。后一種宏觀量熱法使用大激光束和低激光功率密度進(jìn)行吸收率測(cè)量，該方法與實(shí)際的增材制造條件有差異。

      在這項(xiàng)工作中，LLNL 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的微量熱法用于提取三種重要結(jié)構(gòu)合金在LPBF加工條件下的凈材料吸收率，這三種合金材料為：Ti-6Al-4V，316L不銹鋼和Inconel 625。研究人員使用射線追蹤代碼進(jìn)行有限元建模，從而與實(shí)驗(yàn)非常一致。并建立了一套通用比例關(guān)系，將吸收率和熔池深度與材料和激光參數(shù)聯(lián)系起來。建模組現(xiàn)在可以準(zhǔn)確的設(shè)置能量耦合參數(shù)，從而減少猜測(cè)工作量并提高其預(yù)測(cè)的保真度。研究人員表示，衍生的標(biāo)度行為可能不適用于高導(dǎo)熱率和低吸收性材料，如銅，鋁和金。研究團(tuán)隊(duì)目前正在使用本文所述的方法研究這些材料，以及激光參數(shù)修改，例如光束形狀和時(shí)間調(diào)制。

根據(jù)論文的通訊作者M(jìn)anyalibo J. Matthews博士，這項(xiàng)工作為基于精確能量耦合測(cè)量和模擬的金屬3D打印的精確熱歷史預(yù)測(cè)鋪平了道路。

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