激光选区熔化过程飞溅物形成机理、特征与立体控制研究

Powder and Melt Spattering is an important phenomenon in Selective Laser melting process, its transient movement characteristics and static physical characteristics have close correlation with stability of stacking layers and metal part’s quality. A physical model is constructed for force analysis of liquid metal in the tiny melting pool. The thermal condition for the formation of spatter under the joint action of different factors is investigated. The dynamic behavior of the spatter that flies out of the melting pool and the critical thermal condition are determined. Moreover, 3-D control over transient movement characteristics and evolution of different sorts of spatters is performed. The static physical characteristics are analyzed at different scales to yield the formation mechanism of different sorts of spatters. Instability of the spatter formation process is also analyzed. The impact on instability of melting channel, growth of accumulation layer, and organization performance are explored. The focus of analyzes is on the impact that the spatter has on formation of micro holes and fracture of parts. Microscopic mechanism concerning inert atmosphere and spatter in the molding chamber is studied. Technical measures are proposed to control the spatter trajectory and improve the cleaning effectiveness. A coaxial optical-path platform based on transient movement characteristics of spatter is proposed for real-time monitoring and feed-back control. The mapping relationship between key procedural parameters and characteristics of spatter is obtained. Generally speaking, analyzing formation mechanism of spatter and exercising 3-D control over the defect can improve the microcosmic quality of parts made through selective laser manufacturing and enhance the stability of the manufacturing process.

粉体/熔体飞溅是激光选区熔化过程中重要现象，其瞬态运动特征、静态物理特征与堆积层稳定性、零件成型质量有密切关系。通过建立微小熔池内液态金属材料受力物理模型，探索多因素耦合作用下飞溅物形成热力学条件，获得飞溅物逸出液态熔池的动力学行为及临界热力学条件；立体监测不同种类飞溅物瞬态运动特征及演变行为，跨尺度分析飞溅物静态物理特征，获得不同种类飞溅物形成诱因与机理；分析飞溅物形成过程不稳定性及对成型熔道、堆积层生长、组织性能的不稳定影响机制，重点分析飞溅对组织微孔形成及零件断裂的影响机制；探索成型腔体内惰性气氛气流与飞溅物的细观作用机制，提出控制飞溅物运动轨迹、提升净化效果的工艺手段；基于飞溅物瞬态运动特征量化处理建立同轴光路实时监测与反馈控制流程与算法，获得关键过程参数与飞溅特征量的映射关系。通过飞溅物缺陷形成机理分析与立体控制手段探索，提高金属增材制造零件微观组织冶金质量，提升加工过程稳定性。

在SLM成型过程中，金属粉末在激光束作用下快速熔化凝固，复杂的导热过程常常伴随着飞溅现象，其形成特征与成型质量、加工过程稳定性以及能量利用率等有着密切的联系。.一、主要研究内容.1.1 建立微小熔池内液态金属材料受力物理模型，探索多因素耦合作用下飞溅物形成动力学行为。.1.2 立体监测分析飞溅物瞬态运动特征，跨尺度分析不同种类飞溅物形成的主导诱因，探索飞溅物形成机理与演变行为过程。.1.3 飞溅物形成过程非稳定性及对堆积层生长、组织性能的不稳定影响机制。.1.4 探索成型腔体内保护气氛气流与飞溅物的细观作用机制，获得基于飞溅瞬态运动特征量的同轴光路实时监测与反馈控制方法，提出针对金属激光增材制造飞溅物缺陷的立体控制手段。.二、重要结果.2.1 针对激光能量密度与Inconel 718、CoCr合金等成型过程产生的飞溅之间存在的相关机理，讨论并总结激光功率、扫描速度、铺粉层厚、激光作用时间等变量对飞溅机制、飞溅过程特征量的影响。.2.2 研究粉末重复使用对飞溅与零件微观组织与质量的影响，讨论总结飞溅对粉末自身、打印件的力学性能、孔隙裂纹等微结构的影响。.2.3 针对粉末飞溅与液滴飞溅及其对宏观缺陷的诱导机制进行了详细描述与研究。.2.4 针对热飞溅进行高速成像检测，建立了液滴飞溅行为特征与加工状态的映射关系。.2.5 以优化飞溅物等副产物的净化效果为目的，进行保护气体的流场分布和流动性能进行分析与风口优化设计。.三、关键数据.3.1 大尺寸液滴颗粒对激光热辐射的屏蔽效应诱导形成约100μm孔洞缺陷甚至诱导孔洞发展为300-800μm裂纹缺陷的过程。.3.2 基于K-means聚类算法的液滴飞溅图像分割算法实现了高效、精确的液滴颗粒与熔池图像的分割识别，获得87.7%的召回率和95.2%的精确率。.3.3 基于液滴飞溅行为特性信息建立了Adaboost CART决策树分类模型与AlexNet的迁移学习分类模型，对液滴飞溅原始图像开展进验证，得到97.78%的分类准确率。.3.4 重复使用六次的CoCrW粉末制造的零件的拉伸强度、屈服强度和伸长率分别从1284MPa、855MPa和11.15%下降到874MPa、689MPa和3.82%。.四、科学意义.通过对飞溅行为的深入分析与特征研究有助于深入探索SLM技术成型理论基础，为加工过程监控提供方法。