激光能量直接沉積時原位測量熔池橫截面和晶粒方向

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：掌握激光能量直接沉積（L-DED）過程中的熔池的行為對于預測和控制熔池的質(zhì)量至關(guān)重要。早期的工作主要聚焦于觀察熔池的表面特征。在這里，來自英國曼徹斯特大學的研究人員采用同軸影像系統(tǒng)來確定高速激光能量直接沉積時熔池的橫截面和預測晶粒的生長方向。

對影像處理程序、沉積道的橫截面的預測以及熔池形狀和熔池動力學、晶粒生長方向之間的關(guān)系進行了研究。結(jié)果表明，可以獲得清晰明確的熔池邊緣，以至于可以實現(xiàn)熔池的預測，其精度超過95%。預測熔池長度時其精度可達90%。基于實驗得到的熔池寬度和深度的數(shù)據(jù)，預測的熔池長度，其準確性可以達到92%，同實驗數(shù)據(jù)匹配較好。熔池的形成可以有助于預測凝固過程中的晶粒生長的方向。

實驗所用的激光熔覆沉積加工頭和粉末流速的強度分布圖

激光能量直接沉積（L-DED）是一種近凈成形的增材制造技術(shù)，可以采用層層堆積的方式來制造三維實體。這一技術(shù)利用激光束流產(chǎn)生產(chǎn)生熔池來熔化輸送的粉末/絲，可同軸輸送也可以旁軸輸送。L-DED的典型應用包括激光熔覆、增材和部件的修復等。已經(jīng)有許多關(guān)于L-DED的研究是研究工藝參數(shù)對沉積道形狀和如何排除缺陷以及顯微組織特征和沉積層或沉積部件的性能的研究。

實驗所需要的影像系統(tǒng)的示意圖

圖解：a同軸相機的安裝；b旁軸相機的安裝；c旁軸相機影像系統(tǒng)觀察到的熔池形貌；d激光束和粉末流在加工區(qū)域的示意圖；e視覺區(qū)域穿過送粉嘴時的視覺尺寸

為了獲得較高的沉積速率和較高的粉末利用率，早期的一些研究學者開展了高速激光能量直接沉積技術(shù)（HDR-L-DED）。為了提高材料的 利用率，高的激光能量是必須的。Tuominen等人使用15KW的光纖激光來熔覆In625合金，粉末的利用率為15.6kg/h。已經(jīng)有大量的工作是將額外的熱源如電弧感應加熱技術(shù)同激光技術(shù)整合在一起來增加熔化材料時的熱輸入。曾曉雁等人則將激光和感應加熱結(jié)合在一起來增加熱輸入，此時的工作還同時實現(xiàn)了提高沉積速率的目標。此時的粉末輸送速率為75.6g/min（粉末為NiCrBSi和WC的混合粉末），激光掃描速度為2200mm/min。

單道沉積時的熔覆道和采用3D掃描的測量位置

需要注意的是，以往的研究中其粉末的利用率為60-80%，因此，繼續(xù)提高粉末的利用率還是有很大的提升空間的，這樣可以提高粉末的利用率和減少材料的浪費。來自德國ILT激光研究所的研究人員發(fā)展了一種高速激光熔覆工藝，粉末的利用效率可以超過90%，激光掃描速度可以超過200m/min。，且在熔覆的時候可以實現(xiàn)粉末在到達基材之前熔化粉末。該技術(shù)的原理在于增加粉末束和粉末之間相互作用的時間，這樣粉末就會受到激光作用而獲得更高的溫度，這樣進入熔池的粉末就更容易被熔池所捕獲。Zhong等人研究了高速激光熔覆的熔覆方面的應用和In718的3D打印。他們的研究包括工藝參數(shù)對沉積層缺陷的影響、粉末流的特征和沉積質(zhì)量的關(guān)系以及凝固材料的顯微結(jié)構(gòu)和性能等。Schoppoven等人則優(yōu)化了超高速激光熔覆作為一種涂層技術(shù)的工藝參數(shù)。他們的研究結(jié)果表明超高速激光熔覆可以作為鍍鉻涂層技術(shù)和用于耐磨涂層、耐蝕涂層的熱噴涂技術(shù)的替代工藝。然而，將超高速激光能量直接沉積技術(shù)用于多層沉積的研究還比較少。在L-DED工藝過程中，沉積道的形態(tài)特征是一個非常重要的參數(shù)，直接影響著制造的精細特征和用于多道、多層沉積時的工藝參數(shù)，包括搭接時的間距和粉末噴嘴到工件表面的距離等。已經(jīng)有大量的分析模型用于單道沉積和多道沉積的分析。這些研究基本用于描述橫截面的形態(tài)。研究時基本是熔覆后熔道的尺寸測量，而這并不是一種在線過程。

測量的熔池寬度和熔覆道寬度的比較

然而，在金屬沉積的過程中，熔覆道的形態(tài)由于熱積累或工藝的波動造成它并不是均勻的。對熔覆道的形態(tài)進行實時的計算有助于實時調(diào)整搭接間距或?qū)崟r調(diào)整激光頭距離加工表面的距離。

測量和估計的熔池長度的對比

同傳統(tǒng)的L-DED工藝相比較，在HDR-L-DED工藝過程中，會產(chǎn)生更多的熱積累和生成更大的熔池體積。對增材制造而言，尤其是當大尺寸部件或復雜形狀的部件進行制造時，熱積累和工藝的波動的問題就會顯著的影響產(chǎn)品的性能。

當更多的熔池材料進行沉積的時候，添加的材料對熔池動力學的影響非常顯著。相應地，對HDR-L-DED工藝過程中的監(jiān)測和控制就顯得非常重要。最常見的測控熔池相關(guān)特征的參數(shù)是溫度和尺寸。

熔覆道的橫截面和擬合的熔覆道的形態(tài)

測量和估計得到的熔覆道高度的比較

目前盡管有大量的工作是關(guān)于同軸相機用于L-DED工藝過程的監(jiān)測，很少有觀察熔池的圖像和熔池的橫截面或凝固材料顯微組織行為之間關(guān)系的研究。而且，沒有關(guān)于HDR-L-DED工藝中同軸視覺監(jiān)測方面的報道。

多道熔覆沉積時得到的橫截面及其擬合曲線

在這里，來自曼徹斯特大學大學的研究人員為我們展示了高速沉積過程中同軸原位影像系統(tǒng)和提出了一種預測單道和多道沉積時實時預測橫截面形態(tài)的方法。熔池動力學和熔池特征、材料凝固時晶粒生長之間的關(guān)系也進行了討論。

由于HDR-L-DED工藝一般用于大熔池的制造過程，所以對用于熔池邊界適應性的工藝來估計熔池尺寸。

在TS為10mm/s時預測的凝固速率和晶體生長方向的對比

論文取得的主要研究成果如下：

• 在高速激光能量直接沉積時原位監(jiān)控熔池的橫截面形狀；
• 原位監(jiān)控材料凝固時的晶粒生長方向；
• 經(jīng)過實驗證實其準確性可以超過90%
  

文章來源：In-process measurement of melt pool cross-sectional geometry and grain orientation in a laser directed energy deposition additive manufacturing process，https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106280，Optics & Laser Technology，Volume 129, September 2020, 106280