杏彩体育:什么是脉冲激光器？

　　将连续波（cw）体积打印与脉冲波（pw）轮廓打印相结合，有利于提高激光粉末床熔化 (LPBF) 制造的零件的几何精度。

　　德国弗劳恩霍夫激光技术研究所、亚琛工业大学以相邻熔池的离散凝固为目标，研究了激光粉末床熔化 (LPBF)激光功率 PL、扫描速度 vs 和相对脉冲重叠Δxo 等参数用于脉冲波（pw）轮廓打印。

　　本研究使用的合金粉末是15- 45 µm 的镍基合金 Inconel 718。零件体积打印采用连续波（cw），轮廓打印采用脉冲波（pw）。为了优化脉冲波（pw）工艺参数，首先制造了a、b两个不同几何形状的的试样。之后，将确定的工艺参数用于打印零件c，混流式涡轮机。

　　a、b、c三个实验中，连续波（cw）参数保持统一，扫描间距Δy h = 110 µm，层间夹角h=66.7°，层厚 D S  = 40 µm ，光斑直径 d S  = 100 µm。脉冲波（pw）激光开启时间 t on = 125 µs，参数调整如下表。

　　在第一个实验 (P1) 中，通过不同的激光功率 P L确定合适的工艺区域。对于 pw 轮廓打印，激光功率 P L表示脉冲内的标称峰值功率。在第二个实验 (P2) 中，检查了增加扫描速度 v s对轮廓熔池的离散凝固行为的影响，目的是确定观察到离散凝固的最大扫描速度。在第三个实验 (P3) 中，空间相对脉冲重叠Δx o是变化的，并根据扫描速度 v s进行了调整以研究脉冲重叠对表面影响。每个实验都有 5-45°范围内不同轮廓角的样本。

　　为了对 cw 和 pw 轮廓特性进行定性比较，使用 cw制造的样品轮廓特性和表面形貌如下图所示。

　　由于过度熔化导致显著的熔池扩大区域，因此在两个方向上都观察到明显的几何偏差（上图a、b 中红色标记的区域）。使用顺时针轮廓打印制造的样品表面在构建方向上显示出分层结构（熔池边界用虚线表示）（图c）。只有少数粉末结块被烧结到凝固轮廓熔体痕迹上，这些熔体痕迹表现出光滑均匀的熔池表面，没有未熔合或成球的迹象。

　　激光粉末床熔化 (LPBF)熔池体积和几何形状直接取决于输入到粉末床中的激光能量，这种依赖性对于应用于 pw 等高线扫描，在下图中显示的离散能量沉积模式也是有效的。下图为轮廓角为 5° 的 SEM 图像和相应的抛光横截面。a P L  = 92 W，b P L  = 137 W，c P L  = 175 W，d 连续波（cw）。

　　与 cw不同，熔池的尺寸直接取决于脉冲能量（一个脉冲内传输的能量）。因此，上图a -c 所示，当激光功率 P L增加时，熔池的尺寸（例如熔池宽度和深度）会增加。当 P L  = 92 W（图a）时，在相邻脉冲之间观察到熔化不足，随着激光功率 P 的增加，熔化更稳定。增加的激光功率PL，角尖端半径也增加。由于轮廓偏移 Δy c = 100 µm太大 ，因此在接下来的实验中减少了，孔缝出现在所有具有 pw 轮廓打印的样本中。与使用 pw 轮廓打印制造的试样相比，使用 cw制造的试样显示出均匀的熔化轮廓熔体轨迹，只有很小的孔隙率。由于cw能量输入明显更高，因此在角尖处观察到过度熔化，导致熔池尺寸增大，降低了几何精度。

　　对于给定的空间脉冲重叠，增加扫描速度 v s会导致脉冲频率 f p增加，从而减少连续脉冲之间的时间间隔。当此时间间隔低于熔池凝固时间时，先前生成的熔池在生成后续熔池之前未完全凝固，熔池的完全离散凝固没有建立。结果，相邻熔池的熔融液体可能合并并形成更大的熔池，熔池运动增加。因此，可能会出现增加的几何偏差。对于给定的工艺参数，了解此过渡区域对于确保足够的构建部件质量和工艺生产率是必要的。

　　分别以 v s  = 100 mm/s 和 v s = 125 mm/s的扫描速度制造的试样轮廓 显示离散凝固熔池，而以更高扫描速度制造的试样显示（部分）合并熔池在轮廓。由于熔池的合并，这些样本还显示出轮廓熔化轨迹内高度差异增加的迹象。通常，这些高度差异可能会影响后续层的粉末沉积和熔化。在这项研究中，没有样本显示出熔化不充分的特征。

　　从下图可以看出，当扫描速度从 v s  = 100 mm/s 增加到 v s  = 175 mm/s时，角尖端宽度从 127 增加到 155 µm 。由于本研究中使用的光斑直径设置为 d S  = 100 µm，角尖越大表示过度熔化程度越高，因此精度会降低。因此，随着扫描速度的增加，拐角附近轮廓的几何精度降低。以扫描速度 v s  = 100 mm/s（上图a）制造的轮廓显示出明显且形状精确的边缘，而随着扫描速度的增加，观察到相邻熔池的团聚增加。这表明离散凝固熔池的程度降低，因此相邻熔池的合并增加。

　　通过金相蚀刻，可以观察到 pw 轮廓内的熔池边界，因此可以识别离散凝固区域。从上图可以看出，对于所有研究的扫描速度，在轮廓角附近观察到从离散凝固到合并熔池的过渡，由消失的轮廓熔池边界指示。由于倾斜试样的几何形状，减少的固化材料位于暴露的熔池下方。熔池越靠近轮廓拐角，通过凝固材料从熔合区散发的热量就越受阻碍。结果，熔池的凝固时间增加，从而不再满足离散凝固。随着扫描速度的增加，上述过渡倾向于发生在距轮廓角的距离增加的位置，如上图中标记为红色的测量值所示。随着扫描速度的增加，恒定的脉冲重叠需要更高的脉冲频率（参见参数表P2 ）。因此，必须通过下面的固化材料耗散单位时间更多的沉积能量。假设固化材料的时间散热率恒定，随着扫描速度的增加，预计会增加热量积累。结果，在轮廓的较大区域发生散热不足，并且观察到角尖半径增加。

　　对下图所示的第二个试样几何形状，可以观察到类似的效果。最后一层内的均匀熔体轨迹仅在扫描速度分别为 v s  = 100 mm/s 和 v s  = 125 mm/s 时观察到。特别是对于 45° 的角度，观察到由于合并熔池导致不稳定熔化的迹象。

　　对于所有重叠，观察到由相邻脉冲之间的边界指示的离散凝固熔池。随着脉冲重叠的增加，轮廓拐角的边缘更加明显，导致几何偏差增加。这种观察可以通过轮廓中单位长度的能量输入增加来解释，因为必须产生更多的脉冲，脉冲重叠增加才能实现充分的结合。在本实验装置中应用恒定脉冲频率和脉冲持续时间的条件下，线能量输入与单位长度产生的脉冲数直接相关。由于能量输入增加，需要通过下面的固化材料来消散更多的过程引起的热量。因此，随着脉冲重叠的增加，越来越多地观察到角边缘的熔池扩大。

　　此外，当脉冲重叠从 0.4 增加到 0.7 时，观察到边缘侧面的烧结粉末团聚物数量增加。如下图所示。

　　增加的烧结粉末颗粒量导致增加的算术表面粗糙度S a。一般来说，当相邻的熔池在粉末颗粒（完全）熔化之前凝固时，粉末颗粒会烧结到构建部件表面。由于本研究中轮廓中产生的熔池较小，熔池凝固时间较短，因此周围的粉末颗粒未完全熔化。随着脉冲重叠的增加，单位长度的熔池数量增加，单位长度被烧结到表面的粉末颗粒数量增加。

　　由于激光脉冲使发射的激光能量离散化，与主要应用于传统 LPBF 的连续激光发射相比，会产生更小的熔池，可以提高零件精度。在这种情况下，离散凝固描述了在下一个激光脉冲创建下一个熔池之前熔池完成凝固。与 cw 打印相比，较小的熔池导致熔池流动减少，因此减少了粉末颗粒进入熔池的运动。

　　除了提高精度外，通过 pw 打印制作的轮廓与通过连续扫描制作的轮廓在表面形态方面有所不同。由于重叠和离散凝固的熔池，产生了没有主要方向的更均匀的形态。

　　与激光粉末床熔化 (LPBF)连续扫描相比，离散凝固熔池的生产率受到限制，因为适用的扫描速度受到熔池凝固时间的限制。因此，仅在关键部分区域局部应用 pw 轮廓打印可以最大限度地减少生产率损失并确保高几何精度。