定向能沉积中激光照射下的飞行中粉末气化现象

《Optics & Laser Technology》：On the in-flight powder vaporization under laser irradiation in directed energy deposition

　　

摘要

为提升激光定向能沉积技术的效率，人们大幅提高了激光功率和粉末供给速率，这使得热量与质量传递的主要机制从激光与基材的相互作用转变为激光与粉末的相互作用。在高能量激光照射下，原本被认为可忽略的粉末飞行过程中的气化现象变得越来越显著。然而，其背后的物理机制以及其对材料性能的影响至今仍不甚明了。本研究通过研究少量Ti6Al4V颗粒在高能量激光束中的自由落体过程，简化了多颗粒粉末流的复杂集体行为。利用高速成像技术，直接观察了粉末颗粒在飞行过程中气化及随后凝结所形成的晕圈。通过对比分析单个粉末颗粒的温度上升过程，并结合考虑激光熔化与气化效应的理论模型，对激光照射下粉末颗粒的温度与速度变化进行了定量研究。研究认为，熔融粉末的非均匀激光诱导气化是导致颗粒速度变化的原因。事后分析表明，气化主要是由铝元素优先气化引起的，其成分损失超过2.8重量%。由于铝是维持α相稳定性和固溶强化的关键元素，其缺失会削弱与成分相关的强化效果，进而影响材料的微观结构稳定性。理论强化分析显示，在相同微观结构条件下，铝元素的缺失可能导致材料强度下降约25兆帕，但这只是理论估算值，并非直接测量的强度降低值。因此，尤其是在含有易挥发元素的合金系统中，必须通过精确的激光热调节来避免激光与粉末颗粒相互作用过程中的飞行气化现象。这项研究为科学家和工程师们发展下一代高效增材制造技术提供了坚实的实验基础和理论框架。

引言

作为金属增材制造的基石，激光定向能沉积技术正在向超高沉积速率方向发展，以满足大规模、高效率生产的工业需求[1]、[2]。目前的研究重点在于提升激光功率，并通过高度汇聚的粉末流来增加粉末输送量[3]、[4]。例如，有研究使用8千瓦的激光功率和9毫米的激光光斑，实现了超过5千克/小时的沉积效率，同时配合高密度的粉末流[5]。另一项成果是弗劳恩霍夫ILT开发的极端高速激光材料沉积技术，该技术通过使用高度汇聚的粉末流，实现了高达200米/分钟的扫描速度[6]、[7]。然而，这种转变从根本上改变了两种典型工艺中的能量分布方式：传统的以激光与基材相互作用为主的传热模式，逐渐被更为强烈的激光与粉末相互作用模式所取代[8]、[9]、[10]。在这种高强度的激光与粉末相互作用环境中，粉末流起到了重要的能量吸收作用，在入射光束到达熔池之前就截获了大量能量[11]、[12]。

这种能量耦合方式的根本性变化带来了一个重大的热学挑战：与具有高导热性且可作为半无限热沉的基材不同，飞行中的粉末颗粒处于热隔离状态[13]、[14]。由于这些颗粒的表面积与体积比很高，且散热途径有限，它们很容易过热，从而引发气化现象——而在传统低功率激光定向能沉积工艺中，这种现象极为罕见[15]、[16]。这类随机性的粉末颗粒飞行气化现象可能带来严重后果，包括等离子体形成以及化学成分的变化。关于激光定向能沉积过程中激光与粉末相互作用的研究还表明，在成型过程中，粉末颗粒的温度可升高到3000开尔文以上[17]、[18]、[19]。例如，在钛合金的加工过程中，强烈的激光照射会使颗粒表面温度超过某些易挥发合金元素（如Ti6Al4V中的铝）的沸点[20]。尽管已有许多关于高速激光定向能沉积技术的报道，但这种气化现象的物理机制，以及它对打印精度、微观结构演变和残余应力等方面的影响，至今仍缺乏深入研究，这为实现稳定的工艺控制带来了巨大困难[21]、[22]、[23]。

之所以缺乏对这一现象的基本理解，主要是因为很难观测和量化激光与粉末相互作用的动态过程。首先，密集粉末流的“集体行为”掩盖了单个粉末颗粒的物理特性[9]、[16]。正如多项关于激光与粉末颗粒或粉末颗粒与熔池相互作用的研究所示，粉末云层内的相互遮挡和多次散射使得几乎无法将基本的传热机制与整体效应分开来研究[24]、[25]、[26]、[27]。其次，气化现象发生在微观尺度上，持续时间仅为微秒级，这超出了传统测量技术的能力范围[26]、[28]。对于颗粒熔化时间、气化时间等关键参数的定量评估，以及对气化过程的观测与计算、气化过程中颗粒的温度、气化产生的反冲压力以及气化后颗粒的成分变化等问题的研究，仍然属于实验领域的难题。因此，通过设计简化的高分辨率实验方案来填补这一知识空白，是推动激光定向能沉积技术理论发展的当务之急。

为应对这些挑战，本研究建立了一个平台，用于分离高强度激光与粉末相互作用过程中的复杂交互作用。通过研究少量Ti6Al4V颗粒在高能量激光束中的自由落体过程，我们将单个颗粒的基本行为与整体粉末流的动力学现象分离开来。研究结合了高速成像技术和轨迹追踪技术，首次直接观测到了凝结晕圈，并对气化产生的反冲压力进行了半定量估算。此外，我们还研究了粉末颗粒的飞行过程中的热历史与其所含易挥发元素（主要是铝）的流失情况，以及由此导致的材料力学性能下降之间的关系。这些研究结果为下一代高效激光定向能沉积技术实现精准的热调控提供了重要的实验依据和理论框架。

章节要点

材料与方法

在实际应用中，由于激光功率高且粉末供给速率快，密集的粉末流会掩盖单个粉末颗粒的加热情况，而且被加热后的粉末通常会直接进入熔池，这使得直接观测和系统研究变得极为困难。为了解析激光对单个粉末颗粒的加热效应，并评估高功率激光照射对粉末性能的影响，本研究采用了单颗粒激光照射实验

激光与粉末的相互作用

在激光照射下，粉末最显著的现象就是温度上升。图2展示了粉末颗粒在激光作用下的整个加热过程。研究中利用粉末颗粒图像的灰度变化作为加热过程的相对指标，而非直接测量绝对温度。在激光加热过程中，粉末颗粒在重力与激光照射的共同作用下移动，其温度变化经历三个阶段：

气化行为

直接观测激光照射下粉末颗粒的加热与气化行为，有助于确定不同工艺条件下粉末颗粒的温度。在本实验中，我们为粉末颗粒在加热、熔化及气化过程中的行为建立了简单的边界条件，构建了一个单一的实验环境。在这些简化的条件下，可以通过能量平衡方法来描述粉末颗粒的热行为

结论

为研究高沉积效率条件下激光与粉末相互作用的工艺特征，我们设计了高速成像实验，观测了少量Ti6Al4V颗粒在高能量激光束中的自由落体过程。我们测量并计算了这些颗粒的温度上升情况、灰度变化、位置信息，以及加热后的成分与性能变化。主要结论如下：

• 1.
  粉末颗粒的加速运动

作者贡献说明

郝志伟：论文撰写——初稿撰写，数据整理，概念构思。范伟：论文撰写——审阅与编辑，资金获取，正式分析，概念构思。张思宇：方法设计，概念构思。党明吉：方法设计，实验研究。王永霞：方法设计，实验研究。王振楠：方法设计，实验研究，数据整理。陈玉光：方法设计，实验研究。张哲：方法设计，实验研究。彭一杰：方法设计，实验研究。谭华：论文撰写——审阅与

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52505429）、中央高校基本科研业务费（项目编号：G2025KY05043）、陕西省重点研发计划（项目编号：2023-YBGY-359）以及中国北方工业大学凝固加工国家重点实验室研究基金（项目编号：2023-QZ-04）的支持。

Zhiwei Hao|Wei Fan|Siyu Zhang|Mingji Dang|Yongxia Wang|Zhennan Wang|Yuguang Chen|Zhe Zhang|Yijie Peng|Hua Tan|Xin Lin