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打印技術被航空航天、醫(yī)療、汽車等工業(yè)領域用于制造高附加值的金屬部件。理解和控制LPBF 工藝的熱歷史對于制造低孔隙率、受控微觀結構和低殘余應力的零件至關重要。激光吸收率是激光材料相互作用中的關鍵參數(shù)之一，傳統(tǒng)上假設在增材制造（AM）建模中是恒定的，而實際上，它會因表面形態(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， 對真實粉末床激光熔化增材制造中的激光吸收率定量表征進行了研究，并為工藝優(yōu)化建立了有用的比例關系。

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測

在這項研究中，研究人員進行了原位光學吸收率測量，以闡明LPBF 3D打印工藝中激光與材料的相互作用，并驗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量直接評估激光能量的吸收，并與常見結構金屬合金（Ti-6Al-4V，Inconel 625和316L不銹鋼）的熔池深度進行比較，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 – 小孔模式閾值上變化很大。他們將流體動力學有限元模型與基于射線追蹤的吸收率模型相結合，與實驗結果非常一致。研究人員推導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式，從而為加速選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術激光加工參數(shù)的優(yōu)化提供了有用的工具。以前，測量吸收率的方法是積分球反射計或宏觀量熱法測量。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行吸收率測量，該方法與實際的增材制造條件有差異。

      在這項工作中，LLNL 實驗室開發(fā)的微量熱法用于提取三種重要結構合金在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行有限元建模，從而與實驗非常一致。并建立了一套通用比例關系，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)在可以準確的設置能量耦合參數(shù)，從而減少猜測工作量并提高其預測的保真度。研究人員表示，衍生的標度行為可能不適用于高導熱率和低吸收性材料，如銅，鋁和金。研究團隊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，例如光束形狀和時間調制。

根據(jù)論文的通訊作者Manyalibo J. Matthews博士，這項工作為基于精確能量耦合測量和模擬的金屬3D打印的精確熱歷史預測鋪平了道路。

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