金属基复合材料多激光丝粉定向能量沉积中的激光吸收与瞬态热行为

《Additive Manufacturing》：Laser Absorption and Transient Thermal Behavior in Multi-Laser Wire-Powder Directed Energy Deposition of Metal Matrix Composites

　　

摘要

多激光同轴丝粉定向能量沉积（CWP-DED）能够实现金属基复合材料（MMCs）的高速率制造，然而粉末输送、激光吸收、粉末捕获与瞬态热响应之间的定量关联仍未得到充分表征。本文开发了一个集成的、基于物理的降阶框架，将送料器预设的碳化硅粉末输送、蒙特卡洛拉格朗日粒子输运、光束分辨的比尔-朗伯-米衰减、基于菲涅耳的吸收分配以及瞬态有限元热传导耦合起来，该框架已在六激光316L不锈钢/碳化硅沉积中得以实现。该框架将粉末、金属丝及基体/构建表面之间的吸收功率分配清楚，并借助由实测粉末捕获效率（PCE）获取的温度相关复合材料属性，将其映射为层分辨和轨迹分辨的体积热输入。粉末引起的衰减较为温和，约占光学后功率的3~6%，且对粒子间恢复系数不敏感，而表面吸收在能量分配中占主导地位。随着沉积从A36基体向316L不锈钢/碳化硅复合表面过渡，预测的总功率利用率从37.4~38.4%提升至40.6~43.9%。在五种工艺条件下，最终修正模型复现了基体嵌入式热电偶的温度历史，全历史归一化均方根误差（NRMSE）低于5%，且在峰值温度的周期分辨一致性方面优于峰值后的冷却速率。不同模型配置的对比表明，增强的有效液态热导率改善了峰值温度的一致性，而选定的光学和PCE输入参数的变化则量化了其对吸收功率和增强体含量的第一阶影响。该框架提供的空间和时间的分辨热历史可作为未来定向能量沉积制造复合材料相演变和微观组织模拟的输入。

引言

基于激光的定向能量沉积（L-DED）是一种增材制造（AM）工艺，通过在供粉、送丝或二者兼有时形成激光诱导熔池来构建、修复和合金化近净成形件，使其非常适合多材料结构和金属基复合材料（MMCs）的制造[1]。送粉定向能量沉积具有成分灵活性，可实现梯度结构，但受到过喷和不完整的粉末捕获效率（PCE）的限制。相比之下，送丝定向能量沉积提供高材料利用率和更清洁的沉积，但适应性较低，难以快速改变成分[2]，[3]。混合同轴丝粉定向能量沉积（CWP-DED）结合了这两种优势，以金属丝作为主要供料方式，以粉末作为增强体或成分调节剂。这一能力已在316L不锈钢/碳化硅等不锈钢/陶瓷金属基复合材料中得到验证，其中同时送丝和送粉可以在实际沉积速率下产生稳定的复合构建体[4]，[5]。作者们近期的工作阐明了同时送丝-送粉定向能量沉积中粉末捕获的机制，表明粉末流输运、丝粉相互作用和熔池几何形态主导了保留的增强体[6]。然而，仅凭粉末捕获并不能决定工艺响应。在丝粉同轴定向能量沉积中，瞬态热历史控制了熔池尺寸、热梯度、冷却速率、界面结合、残余应力和微观组织的形成[7]。因此，需要一种将供料输送、激光吸收、粉末捕获和瞬态热传递联系起来的过程级模型，以指导金属基复合材料制造中的理性参数选择。

多激光丝粉同轴定向能量沉积引入了额外复杂性，无法用单光束或仅送粉的简化模型来表征。多个倾斜的、在方位上分布的光束形成部分重叠的三维辐照场，每条光束沿不同的倾斜路径穿过粉末流。与此同时，中心金属丝和不断生长的沉积体拦截、遮蔽并重新分配入射光[5]，[8]。因此，传递到粉末、金属丝和基体的吸收功率无法可靠地通过单一高斯热源或集总拟合效率因子来捕捉。相反，必须逐束解决，然后转换为适合有限元（FE）热分析的能量守恒体积热输入[9]。这一需求定义了本文所关注的核心建模缺口；需要一个可行的框架来连接送料器预设的粉末输送、光束特定衰减、界面吸收、粉末捕获以及多激光丝粉同轴定向能量沉积几何中的瞬态热响应。

尽管计算流体力学（CFD）模型能够以高物理完整性解析气-粒输运和熔池流动，但其计算成本限制了过程级校准和参数评估[10]。因此，本研究采用了一种降阶的、基于物理的表述形式，既保留了主导的输运和光学机制，又与瞬态有限元模拟兼容。粉末输送通过从送料器设定值重建粒子初始化来重构，使用高斯截面和实测发散角从三个喷嘴初始化粒子。其轨迹使用蒙特卡洛拉格朗日方案在解析圆射流携带流中推进，考虑阻力和重力，而粒子间碰撞和丝粉撞击通过基于恢复系数的碰撞规则来表示[11]，[12]。由此产生的时间平均浓度场为光束特定的粉末衰减提供空间输入。

激光与物质的相互作用通过三种耦合机制来解决。首先，比尔-朗伯路径积分描述沿每条倾斜光束通过碳化硅粉末流的衰减[13]。其次，米理论提供取决于粒径和折射率的消光和吸收效率，将粉末吸收与散射损失分开[14]。第三，菲涅耳关系在316L不锈钢金属丝以及在A36基体或沉积的316L不锈钢/碳化硅复合表面处分配透射辐照度，使用局部入射角下的偏振平均反射率[15]。与过程级建模实践一致，使用室温固态光学属性建立基线吸收模型[16]。温度、相态、粗糙度、氧化、表面演变以及羽流/飞溅屏蔽等相关的未解析动态效应的净影响，通过有界的残余能量密度调整来近似。由此产生的降阶热响应通过选定参数对比和与实验温度历史的一致性进行评估。

预测的粉末、金属丝和基体吸收功率在单元激活过程中被映射为层分辨和轨迹分辨的体积热输入。该映射在能量守恒的前提下，通过基于激光功率、扫描速度、道间距和层厚的能量密度公式保持扫描运动学特性[16]。温度相关的热物性被分配给A36基体和316L不锈钢/碳化硅复合材料，其中复合材料属性基于由实测PCE推导的增强体体积分数。由于熔池流动和马兰戈尼对流未被显式解析，其净影响通过使用增强的有效液态热导率来表示，这是激光增材制造热建模中常见的降阶处理方法[17]，[18]，[19]，[20]，[21]。基体嵌入式热电偶提供了与发射率无关的集成热响应测量值，用于校准热损失参数和评估瞬态有限元模型[22]。

基于这一需求，本研究开发了用于多激光丝粉同轴定向能量沉积的集成光学-热框架，如图1所示。该框架将光束分辨的吸收和时间平均的粉末浓度输入与基于激发的瞬态有限元模型结合，与316L不锈钢/碳化硅基体嵌入式热电偶历史数据进行对比评估。该材料体系提供了一个具有代表性的金属基复合材料案例，因为316L不锈钢金属丝形成金属基体，而碳化硅粉末引入具有不同光学和热物性的陶瓷增强体；因此，粉末捕获、粉末引起的衰减、表面吸收率和成分相关的热传输共同影响工艺响应。该框架用于量化激光功率、扫描速度和粉末送粉速率如何影响吸收功率分配、层依赖的能量密度、热梯度和冷却速率。这些在空间和时间的分辨热历史对于多轨迹、多层金属基复合材料沉积尤为重要，其中反复的加热、冷却和再加热可能影响增强体的溶解、粒子-基体相互作用、相演变以及最终的微观组织[4]，[23]。因此，预测的热历史、温度梯度和冷却速率提供了基于物理的热基础，以支持未来定向能量沉积制造材料的相演变和微观组织模拟[24]。

章节摘要

打印与热测量

316L不锈钢/碳化硅复合材料使用配备六束976 nm二极管激光（0.65 mm 1/e2光束直径）的MELTIO M450 CWP-DED系统进行制造。沉积头包含三个同轴粉末喷嘴，以32°角围绕垂直输送的316L不锈钢金属丝（直径0.9 mm）倾斜布置。为确保恒定的沉积体积，送丝速度与扫描速度耦合，而粉末输送由旋转盘送料器提供，使用2.5 L/min氩气作为载气，并增加额外的保护气以抑制

模型开发与实现

本节介绍了用于将光束分辨的激光吸收转换为多激光丝粉同轴定向能量沉积中瞬态有限元热输入的降阶光学-热框架，在本研究中应用于316L不锈钢/碳化硅材料体系。该公式包括多光束辐照场、粉末介导的衰减、金属丝和构建表面吸收、温度相关的热物性以及热边界条件，详细的推导和数值程序则

激光功率吸收

图9展示了在基体上方不同高度处六束倾斜二极管光束产生的合成辐照场。在基体平面处，六束固定束腰高斯光束叠加形成一个紧凑的六瓣核心，具有主导的中心最大值。随着高度增加，光束的几何分离使该核心扩展为环形簇（$z$≈1.5 mm），随后发展为开放的六边形排列（$z$≈4.0 mm），将峰值合成强度降低至大约

结论

本研究建立了一个用于多激光丝粉同轴定向能量沉积的统一解析-数值框架，估计了粉末、金属丝和基体/构建表面之间的激光能量分配，并将由此产生的有效热输入映射为层分辨和轨迹分辨的体积热源用于瞬态有限元分析。通过连接光学吸收、粉末捕获、有效热输入和瞬态热响应，该框架提供了空间和时间的分辨热历史以支持

CRediT作者贡献声明

Audai Al-Akailah：撰写初稿、方法论、研究、数据管理。Yulin Liu：研究、数据管理。Fuda Ning：概念化、撰写审核与编辑、监督、项目管理。

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Audai A. Al-Akailah|Yulin Liu|Fuda Ning