《Materials》：Understanding Spatter and Its Spatial Variations in Laser Powder Bed Fusion of Ti6Al4V
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增材制造（additive manufacturing，AM）技术中的激光粉末床熔融（laser powder bed fusion，L-PBF）正快速发展为金属零件制造的主要方法。然而，该技术的广泛采用，尤其是在安全关键应用领域，受到实现目标零件质量与可靠性
增材制造（additive manufacturing，AM）技术中的激光粉末床熔融（laser powder bed fusion，L-PBF）正快速发展为金属零件制造的主要方法。然而，该技术的广泛采用，尤其是在安全关键应用领域，受到实现目标零件质量与可靠性之复杂性所阻碍。飞溅（spatter）源于激光与熔池之间的相互作用，涉及熔池内部或其邻近区域材料的喷出。飞溅被视为L-PBF中的工艺特征信号，对成形质量具有不利影响。然而，飞溅动力学与零件缺陷之间的关系在很大程度上仍未得到充分探索。在本研究中，研究人员利用Ti6Al4V粉末成形过程中获取的原位光学层析成像（optical tomography，OT）对飞溅进行了评估。结果表明，在特定扫描角度以及成形舱内特定位置处，飞溅含量体积更高。此外，飞溅动力学在打印区域的上风侧与下风侧表现出不同行为，表明可从飞溅特征推断局部气体流动的变化。鉴于飞溅已知会直接导致L-PBF成形零件产生缺陷，飞溅增加的区域可能预示着金属质量下降。研究人员识别了飞溅含量的变化，并标明了成形区域内缺陷风险较高的位置。
一、研究背景与意义
激光粉末床熔融（laser powder bed fusion，L-PBF）技术作为金属增材制造（additive manufacturing，AM）的核心方法之一，近年来在工业应用领域发展迅速。然而，该技术的大规模推广，特别是在安全关键与应力关键部件制造中，仍受制于工艺波动对零件质量一致性的影响。工艺波动带来的金属性能空间变异性直接干扰了零件的认证流程，并显著增加了鉴定成本。飞溅（spatter）作为L-PBF过程中的典型工艺现象，是指激光与材料相互作用过程中，从熔池内部或邻近区域喷出的材料颗粒。飞溅颗粒通常大于原始粉末颗粒，更难以完全熔化，易导致未熔合（lack-of-fusion，LOF）缺陷；同时，飞溅颗粒若重新进入激光光路，会干扰激光能量向粉末床的传输，进一步诱发缺陷。此外，飞溅在粉末床表面的再沉积会形成凸起，干扰刮刀运行，造成粉末层厚度的局部波动。尽管完全消除飞溅并不现实，但通过管理工艺参数与粉末状态可有效降低飞溅产生量。目前，关于飞溅动力学及其与零件缺陷之间定量关系的研究仍十分有限，尤其是基于原位监测数据对飞溅空间分布特征的系统性评估尚属空白。因此，开展基于原位光学层析成像（optical tomography，OT）的飞溅空间分布研究，对于理解飞溅产生机制、推断金属质量并辅助质量控制具有重要的科学与工程意义。
二、研究内容与主要结论
本研究利用配备EOSTATE原位监测系统的EOS M290商用设备，在采用气体雾化（gas atomized，GA）粉末与等离子雾化（plasma atomized，PA）粉末进行的多批次Ti6Al4V成形实验中，采集了逐层OT图像数据。研究团队在构建舱内定义了五个区域（Zone 0至Zone 4）及前后两组感兴趣区域（region of interest，ROI），通过评估试样间区域（inter-specimen region，ISR）的平均灰度强度，构建了飞溅含量随扫描角度变化的分布特征。同时，利用OrientationJ插件对飞溅轨迹方向进行了量化分析，建立了飞溅角度与扫描角度之间的响应关系，并据此估算了各ROI内惰性气体的局部流动方向。此外，研究人员将拉伸试样邻近区域的飞溅灰度强度与试样断裂应变进行了关联分析。
研究结果表明：飞溅含量在特定扫描角度及构建舱内特定位置呈现显著差异，靠近气体入口喷嘴的后部区域飞溅灰度强度最高；后部ROI的飞溅含量普遍高于前部ROI；GA粉末成形过程中的飞溅含量比PA粉末高约8%。飞溅轨迹分析揭示了飞溅角度与扫描角度之间主要呈线性关系，并识别出"相干区"与"不稳定区"两种响应模式，其中不稳定区的斜率与局部气体流速呈正相关。与拉伸性能的对比分析未发现飞溅灰度强度与断裂应变之间存在明确的相关性。
三、主要技术方法
本研究采用的关键技术方法包括：基于EOSTATE原位监测系统的光学层析成像（OT）技术，以5百万像素sCMOS相机以10 Hz频率采集整个构建区域的时序积分图像，空间分辨率为125 μm；通过二阶多项式拟合对OT图像进行空间归一化处理，消除相机距离引起的灰度背景差异；利用OrientationJ插件对飞溅轨迹方向进行高斯拟合分析；采用粒子图像测速（particle image velocimetry，PIV）技术获取构建舱内气体流速分布图谱作为参照；按照ASTM E8标准对经应力消除退火及机加工的拉伸试样进行力学性能测试。样本队列来源于两个不同粉末供应商的Ti6Al4V粉末，包括GKN公司的AncorTi Ti6Al4V（GA粉末）与EOS公司的EOS Titanium Ti64（PA粉末）。
四、研究结果
4.1 飞溅轨迹方向
通过分析飞溅角度与扫描角度之差随扫描角度的变化，研究发现两者之间主要呈线性关系。数据分布可划分为相干区与不稳定区两个区域，其中不稳定区反映了气体流动对飞溅颗粒轨迹的偏转作用。相干区的x截距提供了飞溅轨迹不受气体流动影响时的扫描角度，据此估算出各ROI内局部气体流动的平均方向。后部ROI中飞溅偏转程度更大，这与气体流动产生的逆风效应一致。
4.2 区域灰度强度
飞溅灰度强度分布随扫描角度呈现规律性变化，后部ROI在特定扫描角度出现灰度极小值与极大值，前部ROI的分布特征与后部存在差异。对比不同粉末类型的成形结果，GA粉末的平均灰度强度整体高于PA粉末约8%，表明GA粉末在激光-粉末相互作用过程中产生了更多的飞溅。此外，后部ROI的飞溅灰度强度显著高于前部ROI，其中Zone 1和Zone 4（靠近气体入口的后部区域）的差异最为显著，与PIV测量的气体流速分布特征相吻合。
4.3 与拉伸性能的对比
通过定义试样飞溅区域（specimen spatter region，SSR）并量化其灰度强度，研究人员将飞溅含量与拉伸试样的断裂应变进行了关联分析。结果显示，虽然整体上存在断裂应变随飞溅强度增加而降低的趋势，但未发现两者之间存在明确的相关性。
五、讨论与结论
讨论部分指出，飞溅轨迹角度与扫描角度之间的线性关系出乎意料，因为飞溅运动受重力与气体流动力的共同影响，两者均为非线性因素。飞溅主要沿激光扫描的反方向喷出，在双向扫描策略下呈现双向喷出特征。逆风喷出的飞溅颗粒轨迹发生显著弯曲，而顺风喷出的颗粒则几乎不发生偏转。气体流动对飞溅的偏转效率与局部流速密切相关，不稳定区斜率可作为气体流速的间接指标。后部ROI飞溅含量较高的现象可归因于逆风喷出的飞溅重新进入激光光路并被重新熔化，从而产生更多飞溅。此外，OT成像的离轴安装方式会导致垂直方向运动的投影效应，使后部ROI的飞溅含量被高估。
关于粉末类型的影响，GA粉末因具有更低的表观密度、更高的表面粗糙度及更宽粒径分布，导致激光吸收率更高，从而产生更多飞溅。尽管GA粉末成本更低且静态强度与PA粉末相当，但其更高的飞溅含量提示缺陷风险可能更大。
研究结论部分指出：原位OT数据能够揭示飞溅热特征的空間分布变化及其与惰性气体流动的关联；飞溅灰度强度在靠近气体入口喷嘴的后部区域最高；GA粉末成形过程中的飞溅含量高于PA粉末。利用商用AM系统上已有的原位监测工具，操作者可以预测并识别金属质量风险最高的区域。未来研究应聚焦于建立原位传感信号与飞溅体积、金属质量及粉末状态之间的定量关联，并采用多视角成像方法实现飞溅轨迹的三维解析。
