基于归一化焓框架的激光粉末床融合多熔化机制参数预测研究

《Optics & Laser Technology》：Prediction of laser process parameters for diverse melting regimes in laser powder bed fusion process through normalized enthalpy framework

本文推荐了一种基于归一化焓（ΔH/hs）的创新型框架，用于精准预测激光粉末床融合（LPBF）技术中SiC增强SS316金属基复合材料（MMC）的三种熔化机制（传导、过渡和匙孔模式）。该研究通过单道实验和熔池形貌分析，确定了最优工艺窗口（ΔH/hs=13–17），可实现96%致密度、细化微观结构和最高硬度（479–482.6 HV），为多材料LPBF工艺参数优化提供了重要理论依据。

　　

单道实验

实验在定制开发的开放式架构激光粉末床融合装置上进行（图1(a)-(b)），该装置包含一个50-500 W的IPG连续波光纤激光源和一个CNC控制的x-y轴工作台用于控制扫描路径。激光束通过准直器（光束扩展器）调节焦距以控制光斑尺寸。提供惰性气体（氩气）保护，流量为7 L/min。

激光功率对焊道几何形状的影响

使用3D轮廓仪在1 μm/s扫描速度下对125 W至375 W激光功率处理的单道进行表面轮廓测量，通过Mx ZYGO软件获取表面形貌。绘制切片线研究焊道高度轮廓，图3展示了3D表面轮廓测量结果及对应高度轮廓。在低激光功率下观察到球化现象，而高功率导致匙孔形成和材料蒸发。

结论

本研究成功建立了15% w/w SiC增强SS316 MMC的LPBF加工归一化焓（ΔH/h_s）框架，揭示了激光参数、熔化机制与缺陷形成的关键关联。基于熔池纵横比（AR）的后验分析有效实现了熔化模式分类：传导模式（AR < 0.5）、过渡模式（0.5 ≤ AR ≤ 0.8）和匙孔模式（AR > 0.8）。最优工艺窗口（ΔH/h_s = 13–17）位于过渡区，展现出约96%致密度、细化混合微观结构和最高硬度（479–482.6 HV）。低能量输入引发球化和未熔合缺陷，过高能量则导致匙孔孔隙。熔池动力学分析揭示了模式依赖的马兰戈尼对流（Marangoni convection）调控SiC颗粒分散和凝固行为。该框架为LPBF参数优化提供了预测路径，可推广至其他合金-陶瓷体系。

作者贡献声明

Manchu Mohan Krishna Sai： 原创写作–验证–调研–形式分析–数据整理–概念化。

Amitava Mandal： 评审编辑–指导–方法论–调研–概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢印度DST通过FIST项目（SR/FST/ET-II/2018/222(C)）提供3D轮廓仪表征设施。