基于仿真与实验的激光能量密度对激光粉末床熔融成形 Ti-6Al-4V 合金熔池尺寸、形貌及机理的影响

《Optics & Laser Technology》：Effect of laser energy density on melt pool size, morphology, and mechanism of Ti-6Al-4v in laser powder bed fusion via simulation and experiment

　　

摘要激光粉末床熔融（LPBF）是一种极具吸引力的增材制造方法，凭借其柔性制造能力和高精度而备受关注。Ti-6Al-4 V 合金凭借轻量化、高强度和生物相容性的优势，已应用于航空航天和医疗植入物领域。然而，粉末颗粒在熔化与凝固过程中复杂的物理现象导致了大量缺陷的产生，严重降低了制造质量。在本研究中，采用离散元方法（DEM）和流体体积法（VOF）分别模拟 LPBF 过程中粉末层的颗粒随机堆积和熔池中的热流体流动。同时，采用新开发的激光热源模型以实现不平整表面上不同的吸收率。采用不同的激光体积能量密度（VED）建立了 Ti-6Al-4 V 单道 LPBF 过程的高保真 3D 模型。计算了不同 VED 下的熔池尺寸，并与实验数据进行比较验证。结果表明具有高精度。此外，熔池形态转变的流动机制是马兰戈尼对流和反冲压力的联合作用。本研究将为 LPBF 过程中熔池的控制提供重要指导。

引言 激光粉末床熔融（LPBF）属于一种增材制造工艺，能够以高灵活性使用各种材料制造具有复杂形状的零件 [1], [2]。粉末层在激光热源作用下，沿选择性路径逐层被加热、熔化并凝固，从而形成设计形状。工艺参数，包括激光功率、扫描策略和速度，将通过影响熔化模式和熔池特性直接决定产品质量。如果激光能量不足，会导致凝固轨迹不连续，这种现象称为球化行为 [3]。如果激光能量达到阈值，由于液态金属蒸发会产生高反冲压力。当反冲压力在熔池底部钻出一个凹陷区域时，一个深而窄的孔就会生长 [4], [5], [6]。激光束在深孔内部反射，这将增加激光热的吸收并进一步加深孔洞。由于材料熔化的流体流动错综复杂，这一现象很难被完全解释。因此，许多研究人员应用耗时的试错实验来优化工艺参数，以消除制造零件中的缺陷 [7], [8], [9]。单道熔池是 LPBF 制造零件的基本结构，研究它可以帮助我们更好地理解制造工艺中的物理现象。在过去几年中，原位监测技术 [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16] 已被广泛用于提高对激光束在 LPBF 过程中作用方式的理解。然而，一方面，这些设备的成本高昂，很少有制造商能够负担得起。另一方面，这些设备无法集成到所有 LPBF 机器中，并且可能不适用于某些材料。因此，具有高保真介尺度建模的数值模拟可以克服上述原位观察技术的缺点，并被研究人员广泛采用。

LPBF 中热过程的本质是激光与金属材料的相互作用。如何准确描述这一过程直接决定了数值模拟的准确性和精度。自 LPBF 数值模型出现以来，许多学者在激光相互作用的数学表达方面做出了许多改进，并提出了各种激光热源模型，包括（1）具有预定义形状的体积热源；（2）忽略反射的垂直射线热源；（3）光线追踪激光热源模型。

体积热源模型最初用于模拟焊接过程，在一定体积区域内定义热负载，例如双椭球热源、圆柱形热源，并校正其在垂直或横向方向的强度分布。后来，它被用于 LPBF 的模拟。Zhang 等人 [17] 比较了四种不同形状的热源模型，包括圆柱形、半球形、半椭圆形、锥形热源，以及在数值建模中的四种不同吸收率剖面模型。结果表明，根据实验结果，上述热源模型存在 40% 的误差。Li 等人 [18] 对三种类型的热源模型进行了比较分析，包括表面型、体积型以及两者的组合，表明不同的热源模型对峰值温度和熔池尺寸有显著影响。Hasanabadi 等人 [19] 设计了一种混合热源模型用于模拟。该模型减少了模拟误差，并准确预测了熔池几何形状和尺寸。在验证结果中，深度和宽度的平均偏差分别为 8.8% 和 4.5%。事实上，体积热源直接将热量加载到一定的空间区域，金属将从表面和内部同时开始熔化，这显然与实际情况不符。鉴于此，近年来模拟的重点逐渐从修正体积热源的形状和能量分布转向开发更真实的射线追踪热源。

首先，使用了无反射的垂直照射热源。垂直照射模型表明，激光在金属表面起作用后，不再反射，只有顶表面可以与激光接触，然后在激光源作用下，材料从表面逐渐向内部熔化。激光源可以始终作用于活动区域的上表面，随着熔池形态的演变而保持同步。Yuan 等人 [20] 实施了作用于顶表面的高斯热源，以模拟扫描速度对熔池状态的影响，取得了良好的模拟效果。Parivendhan 等人 [21] 使用简单的射线投影方法研究了工艺参数对熔池拓扑的影响。

上述垂直照射热源模型不考虑光反射效应和由反射引起的能量损失，因此只能使用固定的激光吸收率。根据材料和加工环境的不同，需要不同的吸收率，例如，Yuan 等人 [20] 中的吸收率为 0.38，Parivendhan 等人 [21] 中为 0.3。因此，研究人员试图通过使用光线追踪方法来改进激光热源模型。他们将激光束离散成独立的射线并追踪射线的反射路径。每束射线在接触金属材料表面时会发生反射和吸收。虽然使用简化热源模型的模拟可以实现高计算效率，但忽略了激光作用于材料时的复杂反射，导致形态模拟不准确。为了实现更准确的模拟，Tang 等人 [22] 在模拟中开发了射线追踪热源，并解释了 LPBF 过程中堆积形成的物理机制。此后，Tang 等人 [23] 还提出了多材料射线追踪热源算法并提高了计算效率。

早期 LPBF 过程的数值模拟主要使用有限元方法（FEM）来解决热过程的温度场和残余应力场。该模型的一个重要假设是将金属粉末视为连续介质；材料的热性能可以通过孔隙率分数计算。金属材料的状态由单元的温度判断。在该模型中，可以考虑热对流和热辐射等热过程。通过设置激光扫描策略，可以计算“单道、多道、多层”的温度历史和应力场 [24], [25], [26], [27], [28], [29]。Liu 等人 [24] 使用连续介质粉末层建立了多层模型，并揭示了重熔过程对熔池特性的影响。Mishra 等人 [25], [26] 也将粉末层视为具有均匀材料特性的连续介质并进行简化计算。Chen 等人 [27] 将粉末层设置为孔隙率为 50% 的连续介质，并为其分配不同的激光吸收率。连续介质模型在计算流体动力学（CFD）方法中没有考虑粉末的离散性，导致熔池中的流体沿激光扫描方向对称流动，这显然与实际物理现象不符，无法表征凝固后的表面粗糙度。因此，考虑粉末的离散分布是提高模拟结果精度的必要手段。Zhou 等人 [30] 采用顺序添加算法模拟粉末颗粒的随机堆积过程以及振动效应。K?rner 等人 [31] 也使用顺序添加堆积算法建立了粉末床，然后去除一些特定的粉末颗粒以产生不同的堆积密度。Cao [32], [33] 通过离散元方法（DEM）模拟粉末的真实铺粉过程并应用于数值建模。分析了辊子运动模式和速度对粉末铺粉效果的影响。

综上所述，大多数当前模型简化了激光熔化过程的物理现象，削弱了数值模拟的保真度。使用连续介质模型忽略了熔体材料的复杂流动。常用的体积热源模型无法揭示激光作用过程中激光束的反射和衰减现象，垂直照射热源未考虑入射角对激光能量的影响，这简化了计算过程但显著导致了能量吸收误差，这给深入理解材料热过程中激光的瞬态能量传递机制带来了困难。射线追踪模型计算每束射线的入射角和反射激光束的影响，但需要大量的计算。

为了更好地模拟材料被激光源熔化的现象，提出了一种简化的激光射线模型，该模型可以同时满足不同入射角吸收率的估计和计算效率。首先通过 DEM 建立高保真粉末床堆积模型，然后进行热流体模拟。该模型应用于模拟不同激光体积能量密度下熔池的形成，并进行单道熔池实验以验证所提出方法的可靠性。

章节片段 计算模型
本研究建立了一个三维多相流体模型用于研究 LPBF 过程。首先使用 DEM 模拟粉末床，然后基于粉末床的特性进行热流体模拟。研究了粉末床和匙孔中与激光源相关的物理现象。热毛细效应、蒸发引起的反冲压力以及熔化和凝固的相变也被添加到模拟中。

实验与表征 实验在 EOS M290 设备上实施，该设备使用最大功率为 400 W、激光焦点直径为 100 μm 的 Yb 光纤激光。Ti-6Al-4 V 粉末购自 EOS。首先在 Ti-6Al-4 V 板上铺设了一层 30 μm 厚的粉末，工作腔中的氧浓度设定为 < 0.1%。随后，通过改变激光功率和扫描速度沉积了一系列 7 mm 的单道。EOS 采用的默认最佳制造参数包括。

实验熔池形态的测量 熔化轨迹的表面形态如图 5 所示。它们可以帮助制造商确定制备零件表面的质量。从图中可以看出，随着能量密度的增加，熔化轨迹的宽度逐渐增加。在样品 1（280 W-300 mm/s）中，熔化轨迹不连续，发生了球化缺陷现象。

随着能量密度的增加，在样品 2 至 7 中，尽管出现了颈缩缺陷，但熔化部分的表面质量
结论与未来工作
在本工作中，建立了一个多物理场模型来分析 LPBF 制造过程中的熔化流动，并开发了一种新的激光热源模型。流体流动、熔池形态和温度场的瞬态演变得到了良好的模拟，计算得到的熔池尺寸与实验测量数据吻合良好。本研究将有助于更深入地理解该过程中潜在的物理机制。得出以下主要结论
CRediT 作者贡献声明
马玉忠：写作 – 初稿，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理。朱晓磊：写作 – 审阅与编辑，监督，调查，概念化。陆晓峰：监督，项目管理。张诚：写作 – 审阅与编辑，验证，方法论，调查，资金获取。李明轩：资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文中报告的工作。
致谢
本研究由国家重点研发计划（编号：2022YFB3707104）和国家自然科学基金（编号：52405503）资助。感谢所有为本研究做出贡献的先前研究人员。
马玉忠 | 朱晓磊 | 陆晓峰 | 张诚 | 李明轩