专题解密：最优激光工艺

工艺参数选择对于增材制造加工成功至关重要，因为它决定了材料将如何熔融和固化以形成我们需要的零件。

由于每种合金粉末都以不同的方式吸收激光能量、传递热量、流动并固化，因此必须针对待熔合金的具体特性来选择工艺参数。

确定“操作窗口”

选择参数的首要考虑是制成质量均匀的全致密零件。零件密度是熔融质量的关键指标—如果存在孔隙，则无法达到要求的强度、延展性和抗疲劳/抗蠕变性能。但是，如何在不计其数的参数中选择正确的组合呢？

化繁为简，事半功倍。

对于每个给定的加工件，粉末的化学特性和粒度分布都是已定的。根据零件的精细程度和表面光洁度要求还可以确定层厚。在激光光斑尺寸（很多设备不允许在加工期间更改光斑尺寸）确定之后，只需要选择激光功率、扫描速度和扫描线距离即可。

图1：激光功率与扫描速度关系图 — 工艺结果是如何随参数选择而变化的

如果扫描速度过快，而激光功率过小，那么零件的某些区域可能无法完全熔融，导致因“熔融不足”而产生孔隙。相反，如果以选定的速度施加的功率过大，则可能会使熔池过热，能量渗透过深，导致出现“深孔”效应。

在这两个极端情况之间是一个“操作窗口”，在这个范围内能够获得良好的零件密度。在这个窗口内，激光能量足以完全熔融粉末及其下方的金属层，而又不会渗透过深。

从图1可以看出，同时增加激光功率和扫描速度可提高加工效率，这在某种程度上是可行的。但是，功率和速度都有一个限度。一旦超过这个限度，熔池就会变得不稳定，并且会产生一种“球化”效应。激光功率增大时，飞溅物也可能增加。

图2：在最优速度和功率组合条件下，形成稳定的熔池，渗透到正确的深度，实现高效加工

在“操作窗口”内加工

P-V坐标图上的中央“操作窗口”是正确的速度和功率组合，可产生最佳尺寸的稳定熔池。

如图2所示。在这种组合条件下，激光能量被粉末有效吸收，形成足够深度的熔池，与下方的金属层牢固融合，同时又避免过度重熔。

图3：激光能量渗透不足会遗留未熔融的材料，造成零件瑕疵

图4：中度深孔效应 — 高能激光光斑形成深腔

图5：过度深孔效应 — 腔体过深会在零件表面下形成小孔

图6：扫描速度过快导致熔池不稳定

以上就是激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺参数选择的考量因素，以及这些因素如何定义“操作窗口”。

接下来我们继续为分析加工过程对零件几何形状变化的灵敏性，这也是我们针对具体应用选择特定参数的原因。

固化与微观结构

许多合金很复杂，可能在不同的温度和构成下以多相形式存在，因此不会一次全部固化，而且通常也不会在焊道内均匀固化。

在容易散热的位置冷却速度非常快，并且大部分热量会从熔池中传导到周围的固态金属中。

而相对较少的热量会散发到附近的未熔融粉末中， 或者通过辐射散发到加工舱中。

图7：冷却的树枝晶体在“糊状”区域发生应变，产生固化裂纹

最优激光工艺

因此，我们决定计算出一种理想的速度和功率组合，以形成深度、宽度和持续时间最优的熔池。也就是说，以最优能量加工零件。

找到正确的组合，即可降低孔隙率，形成满足材料特性和生产力要求的微观结构。

一种办法是计算“能量密度”，即施加到单位体积材料上的能量。能量密度恒定时，激光功率和扫描速度成反比。

因此，在P-V坐标系中，能量密度轮廓线从原点辐射，同时密度与轮廓线的梯度相关。

图8：X即为这种材料的最佳加工点

针对所选择的材料和层厚，存在一个最佳能量密度，这个密度能够实现最高的加工效率和最准确的微观结构。

在选择工艺参数时，我们希望在增材制造设备的激光和聚焦光学组件的能力范围内，尽可能远离边界避免冒险进入球化区间。

从而实现最优的材料特性和生产力。在图2中，“X”即为最佳加工点。

图9：层厚与操作窗口大小成反比

厚层

显然，粉末层越厚就要求激光能量渗透更深，才能确保与下方的金属层完全融合。为了获得最优的能量输入以完全熔融材料， 随着层厚增加，必须相应增加每层的能量输入。如此一来，能量密度轮廓线变得更加陡峭。

除此之外，几何形状也会对余留热量产生影响。

图10a: 几何形状对余留热量的影响

图10b: 余留热量使操作窗口变窄

我们通常在这些区域运用截然不同的参数。因此， 即使标称参数集中也包含针对零件不同区域的多种设置和扫描策略。为确保零件的所有区域都达到最优质量， 需要开发更多应用特定参数。务必在增材制造设备的能力范围内确定一个宽操作窗口，并在窗口中间找到最优加工点，而且这个点的安全余量应能够适应各种局部熔融条件。

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