Ti-6Al-4V激光粉末床熔融的熔池动态与缺陷形成机理：基于原位高速同步辐射X射线成像的工艺图谱研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Process Mapping of Ti-6Al-4V Laser Powder Bed Fusion Using In Situ High-Speed Synchrotron X-ray Imaging

本研究利用原位高速同步辐射X射线成像技术，系统绘制了Ti-6Al-4V激光粉末床熔融（PBF-LB）在工业相关参数（功率100–500 W，扫描速度250–2000 mm s–1）下的工艺图谱。研究识别了三种熔化模式（keyhole、tailed vapour depression、pure conduction mode）及其稳定/不稳定条件，揭示了孔隙、表面扰动等缺陷的形成规律。关键发现包括：线性能量密度（LED）>0.345 J mm-1易产生keyhole孔隙，而>0.075 J mm-1是形成蒸气腔的最低阈值。推荐最佳参数为350 W/1600 mm s–1，可实现高生产率与低缺陷的平衡，为航空航天、医疗等领域的精密部件制造提供了理论依据。

　　

Highlight

Extended melting modes process map

图2展示了使用激光粉末床熔融（PBF-LB）Quad-ISOPR系统制备Ti-6Al-4V单道熔痕的、基于同步辐射的熔化模式工艺图谱。该图谱涵盖了激光功率从64到500 W、扫描速度从250到2000 mm s^-1的范围，超出了先前报道的P-v图谱（见图2中黑色轮廓标记）。

虽然先前的研究将熔化模式分类为keyhole porosity（匙孔孔隙）、keyhole（匙孔）、transition（过渡）和conduction（传导，或称稳定的浅层模式），但本研究进一步细化了分类。

Conclusions

本研究提出了一份全面的熔化模式工艺图谱，用于描述通过准连续波激光粉末床熔融（PBF-LB）制造的增材制造Ti-6Al-4V单道熔痕。该研究使用了工业级RenAM 500Q设备的物理孪生系统，并配备了可实现原位高速同步辐射X射线成像的腔室。通过对所得射线照片进行分析，识别并表征了不同的熔化模式：A) 匙孔模式，包括有孔隙和无孔隙两种情况；B) 带尾迹的蒸气凹陷模式；C) 纯传导模式。该图谱将这些模式划分为稳定和不稳定条件，并关联了如孔隙、表面扰动（高振幅和低振幅）以及道次末端缺陷等特征。关键的几何阈值包括蒸气腔深度与长度之比约为0.33和2.9，这标志着表面扰动和孔隙形成的边界。为避免匙孔孔隙，应避免使用大于0.345 J mm^-1的线性能量密度（LED），而形成蒸气腔则需要大于0.075 J mm^-1的LED。在所有的工艺参数组合中，推荐使用350 W功率和1600 mm s^–1扫描速度这一缺陷最少的条件，该条件具有最高的扫描速度。这份全面的工艺图谱有助于确定一个稳定的加工窗口，该窗口针对高生产率和低缺陷部件进行了优化。