吉林大学于征磊教授顶刊丨退火对激光粉末床熔合NiTi合金形状记忆效应和力学性能的影响机制

激光粉末床熔化（LPBF）过程中，由于CuSn10合金的低激光吸收率和高热导率，制造高质量冶金部件仍具挑战性。哈尔滨工业大学、中国科学院重庆绿色智能技术研究院等单位的科研人员通过多维度原位观察，结合高速红外热成像技术，深入研究了不同激光能量输入对CuSn10合金LPBF过程中粉末动力学和熔池特性的影响。研究背景LPBF技术能够一步成型复杂部件，显著缩短生产周期，为结构创新设计提供新思路。然而，在LPBF过程中，粉末的动态运动（如粉末夹带和飞溅）可能影响部件的尺寸精度、表面粗糙度，并增加孔隙率，从而降低部件的疲劳强度、耐腐蚀性和屈服强度。因此，深入理解激光与物质相互作用的物理机制，对于减少缺陷形成至关重要。实验方法本研究使用自主研发的LPBF设备，结合高速相机和红外热像仪，对CuSn10合金LPBF过程中的粉末动力学和熔池特性进行了多维度原位观察。实验采用不同激光能量密度（LED），通过高速相机捕捉粉末床顶部和侧面的粉末动态行为，红外热像仪则用于测量熔池的表面温度分布。CuSn10合金LPBF中多维原位观测的同步高速和热成像示意图。激光与物质相互作用 高速相机捕捉到的图像显示，随着激光束的扫描，熔池迅速形成，并伴随着粉末的夹带和飞溅。激光诱导的蒸汽射流和向内环境气流是粉末夹带的主要机制，它们共同促进了熔池的增长和连续熔道的形成。粉末夹带与熔池特性随着LED的增加，激光诱导的蒸汽射流和向内环境气流的效应增强，导致更多的粉末被夹带进入熔池，熔池尺寸也随之增大。熔池的形态对熔道的形成有显著影响：当熔池长宽比接近1时，熔池呈近圆形，易形成球化缺陷；当长宽比大于1.5时，熔池拉长，有利于熔道之间的润湿和连续熔道的形成。飞溅特征研究识别了三种类型的飞溅行为：冷粉末飞溅、热粉末飞溅和液滴飞溅。冷粉末飞溅由激光诱导的蒸汽射流从熔道周围的裸 露区（无粉末区）喷出；热粉末飞溅则在激光与物质相互作用区域熔化后喷出；液滴飞溅则由熔池表面的蒸汽凹陷边缘的液体克服表面张力后形成。LED对飞溅特征有显著影响：在熔池不稳定状态下，飞溅方向向后，飞溅量大；在稳定状态下，飞溅方向向前，飞溅量减少。LED为460 J/m、粉末层厚度为30μm的CuSn10合金粉末床在LPBF过程中粉末动力学和熔池演变的时间序列快照。（a）LPBF不同阶段熔池的演变。（b）粉末夹带（黄色虚线）和剥蚀区的形成（蓝色虚线）。（c）冷粉末飞溅（绿色圆圈）。（d）热粉末飞溅（橙色圆圈）。（e）液滴飞溅（粉红色虚线圆圈）。不同LED下CuSn10合金LPBF过程中粉末夹带的俯视图（从第一列到第三列）的高速成像（激光扫描方向从左到右）和熔池温度分布的热成像（第四列）：（a）205 J/m（不稳定状态），（b）270 J/m（失稳状态）。不同LED的CuSn10合金LPBF过程中飞溅物喷射的侧视高速成像（激光扫描方向从左到右）：（a）205 J/m，（b）270 J/m。结论本研究通过多维度原位观察，揭示了CuSn10合金LPBF过程中粉末动力学和熔池特性的复杂相互作用。主要结论包括：激光诱导的蒸汽射流和向内环境气流是粉末夹带和熔池增长的关键机制。熔池的形态显著影响熔道的形成，长宽比大于1.5的拉长熔池有利于连续熔道的形成。飞溅行为受熔池稳定性影响，稳定状态下飞溅方向向前，飞溅量减少。本研究为深入理解LPBF过程中的激光与物质相互作用提供了重要见解，对于优化工艺参数、提高部件质量具有重要意义。未来工作将进一步探索原位测量与部件外机械性能之间的关系。 来源：增材制造硕博联盟