Nature子刊：激光粉末床熔合中蒸汽、液體和固體之間相互作用研究

摘要：根據需求生產(chan) 複雜高性能金屬零件的能力已經建立了激光粉末床熔合(LPBF)作為(wei) 一種有前途的增材製造技術，但對激光-材料相互作用的深入了解對於(yu) 開發該工藝的潛力至關(guan) 重要。通過原位同步X射線和紋影成像，我們(men) 直接探測了由激光形成的蒸汽射流及其在熔池中產(chan) 生的凹陷的相互關(guan) 聯的流體(ti) 動力學。綜合成像顯示在穩定的表麵窪地上形成了穩定的羽流，在過渡到完整的鎖孔後變得混亂(luan) 。通過分析小孔和羽流形態，我們(men) 量化了多個(ge) 參數集的過程不穩定性，並確定了穩定線掃描所需能量輸入的先前未報道的閾值。探討了粉末層的作用及其對工藝穩定性的影響。這些控製LPBF的流體(ti) 力學的高速可視化使我們(men) 能夠識別與(yu) 不需要的孔隙率相關(guan) 的不利過程動力學，有助於(yu) 在更高功率和速度下設計過程窗口，並為(wei) 過程穩定性的過程監測提供潛力。

簡介

激光粉末床熔合(LPBF)是金屬部件增材製造(AM)最常用的方法，能夠生產(chan) 具有無與(yu) 倫(lun) 比的設計自由度和材料性能的定製部件，與(yu) 使用傳(chuan) 統方法製造的部件相當，甚至更好。然而，由於(yu) 加工中通常使用的高能量，激光-材料相互作用導致金屬襯底和粉末的快速熔化和蒸發。這種交互是一個(ge) 複雜的動態過程，需要對大量變量進行控製，以確保過程的穩定性，並最終在一段時間內(nei) 或跨構建平台連續生產(chan) 成功的部件。

對增材製造中涉及的物理的基本理解可以幫助調整這些加工參數。已經表明，熔體(ti) 池和誘導蒸汽射流的行為(wei) 是高度可變的，導致幾種不同的流體(ti) 動力學狀態。此外，這些狀態還決(jue) 定了與(yu) 粉末顆粒的相互作用，這是工藝穩定性的關(guan) 鍵組成部分，影響零件質量和結構缺陷(例如孔隙率)。雖然通過對液態金屬、粉末顆粒或蒸汽單獨的行為(wei) 進行成像，在理解和表征這些動力學方麵已經取得了很大進展，但還沒有直接觀察到它們(men) 的相互作用和聯合運動。

在本文中，我們(men) 提出了同步紋影和X射線透射成像，這使得在LPBF中物質的所有相之間的相互作用同時可視化。特別地，紋影係統的高放大倍數允許在不同的激光參數下直接成像從(cong) 熔池窪地冒出的蒸汽射流;我們(men) 揭示了鎖孔內(nei) 不穩定性的開始導致激光羽流從(cong) 穩定流過渡到混沌流。這種轉變導致大氣折射率的變化，即使沒有x射線成像，折射率也是可以測量的。係統圖像分析使我們(men) 能夠識別Ti-6Al-4V合金中這種不穩定性開始的閾值輸入能量密度。我們(men) 發現，在實驗條件下，粉末的引入提高了鎖孔的穩定性，並略微提高了閾值輸入能量密度。這項成像研究可以更直觀地理解控製LPBF的流體(ti) 動力學，通過建立熔體(ti) 池和蒸汽射流之間的互連性以及它們(men) 對羽流的綜合影響，有助於(yu) 解釋LPBF的現場診斷、神經網絡和數值模擬。

結果

熔池和羽流動力學的耦合

為(wei) 了對液態金屬的運動和由釋放的蒸汽引起的下降進行成像，高能同步加速器X射線穿過~400 μm厚的Ti-6Al-4V樣品，這些樣品由先進光子源的32-ID-B光束線的LPBF過程模擬器內(nei) 的玻璃碳載玻片固定。Ar大氣中蒸汽和空氣中的粒子的運動通過紋影成像可視化，通過取光鏡(M1, M2)將光束折疊成與(yu) x射線束φ ~ 2°的角度，從(cong) 而產(chan) 生幾乎同軸(與(yu) x射線束)的過程視圖(圖1)。

圖1:同軸光學和X射線實驗裝置的過程視圖。

實驗首先在Ti-6Al-4V襯底上進行，隻是為(wei) 了提供沒有粉末的工藝的基線比較。圖2顯示了功率密度Φ = 1.3 MWcm−2的固定激光照明(λ = 1070±10 nm)下表麵凹陷和相關(guan) 蒸汽射流和羽流的演變。最初，激光光斑下的表麵迅速加熱到超過Ti - 6al - 4v (3133 K)的沸點，Al和Ti的蒸汽壓增加，並向上釋放蒸汽射流。圖2a顯示了這種流在Ar大氣中的傳(chuan) 播，因為(wei) 它帶著周圍的氣體(ti) ，形成了一個(ge) 特征的激光羽流。折射率梯度勾勒出羽流和大氣之間的界麵，這與(yu) 流體(ti) 中的密度梯度成正比。這些密度梯度是由下麵的壓力和溫度場引起的，除了蒸發物種的濃度。紋影的特征比背景更暗或更亮，表明漸變符號的變化。在圖像的底部，在正負折射率梯度之間，可以在羽流的核心識別出蒸汽射流。當從(cong) 液-氣界麵(LVI)噴射出的熱金屬蒸汽冷卻時，納米顆粒通過成核和冷凝形成，並在向上傳(chuan) 播時通過持續氧化、凝固和團聚等過程增大尺寸。高濃度的納米顆粒(即煙霧)阻擋了LED的入射寬帶光，產(chan) 生了追蹤流體(ti) 運動的暗線。在環境介質和羽流之間的頂部界麵，由於(yu) 懸浮粒子，可以觀察到一個(ge) 環形渦，驗證了最近的數值模擬。這種結構類似於(yu) 爆炸產(chan) 生的蘑菇雲(yun) 或液體(ti) 中上升的氣泡，主要是快速移動的流體(ti) 和靜態大氣之間產(chan) 生粘性應力的結果，導致流體(ti) 沿著運動方向向外彎曲。圖2b顯示了該時刻對應的x射線圖像;由於(yu) 蒸汽壓力的反衝(chong) ，在熔融體(ti) 上隻形成了一個(ge) 輕微的表麵凹陷。值得注意的是，由於(yu) 蒸汽噴射的速度高達數百m s−1，在任何顯著的表麵窪地之前都存在大量的羽流。蒸汽噴射消散後，圍繞著周圍的氬大氣產(chan) 生了由於(yu) 淨積累動量而上升的羽流。

圖2:功率P = 72 W，1/e2直徑d = 84 μ m的固定激光光斑下凹陷和羽流的時間演化，僅(jin) 對襯底(無粉末)對應的功率密度為(wei) Φ = 4 P/πd2= 1.3 MWcm−2。

激光再照射0.48 ms後，表麵凹陷繼續加深(圖2d)。由於(yu) 蒸汽在表麵上的壓力分布，其深度的發展是逐漸的，呈拋物線狀。從(cong) 該表麵噴出的蒸發物質的射流是穩定的，因此大氣流看起來是恒定的(圖2c);這種穩定的羽狀物在向上傳(chuan) 播時膨脹。隨著時間的推移，表麵凹陷加深(圖2f)， LVI的振蕩標誌著向鎖孔的轉變。鎖孔的蒸汽發射表麵受到擾動，改變了蒸汽射流和羽流的方向(圖2e)。鎖孔形狀的突然變化對應著流動結構更明顯的波動。圖2e的密度梯度強度與(yu) 前幾幀相比明顯升高:背景強度與(yu) 前幾幀相比保持不變，說明蒸汽的溫度和濃度增加了。這一觀察結果與(yu) 激光吸收隨凹陷深度增加而增加的測量結果以及激光鑽入材料時鎖孔壁上高溫區域的計算結果一致。

圖2h顯示了一個(ge) 完全形成的鎖孔，其表麵根據蒸汽壓、表麵張力、重力、蒸汽流阻力和液態金屬體(ti) 積內(nei) 累積動量的相互作用不斷波動。結果，羽流被完全破壞(圖2g)，並且可以觀察到更加混亂(luan) 的流動。盡管有這種不穩定性，動量仍然主要是向上的，但由於(yu) 渦流的形成，流動(和煙霧分布)更加擴散。

雖然在大氣中觀察到的渦流和混亂(luan) 混合的形成部分滿足湍流的標準，但紋影係統的空間分辨率不足以表征更精細的流動結構，例如蒸汽射流或煙霧流的核心，因此沒有足夠的證據來表征任何時候的流動是“層流”或“湍流”。此外，很難根據雷諾數(Re)來預測蒸發射流的行為(wei) ，因為(wei) Ti和Al蒸汽缺乏可靠的熱物理性質，無法對Ti - 6al - 4v進行有意義(yi) 的Re估計，此外微射流動力學的可變性進一步使其解釋複雜化。然而，LPBF中Fe蒸汽的數值模擬得到了Re ~ 300，因為(wei) 射流直徑小，射流速度快，溫度高;這與(yu) 實驗顯示的亞(ya) 音速微射流在Re > 450處經過短傳(chuan) 播長度後突然擊穿是一致的，這在我們(men) 的實驗中沒有觀察到。

圖2表明，熔池動態行為(wei) 可分為(wei) 三個(ge) 階段，對應於(yu) 表麵凹陷和激光羽流的穩定形成和增長(階段I)，該階段過渡到亞(ya) 穩態狀態，此時LVI受到擾動，但其形狀恢複(階段II)，最終，由於(yu) 持續波動的鎖孔而導致不穩定的熔化和羽流(階段III)。我們(men) 有意避免使用術語傳(chuan) 導、轉變和鎖孔製度。通常用於(yu) 表征激光焊接和LPBF中熔池的非原位顯微照片，但對於(yu) 這些原位鑰匙孔和激光羽流測量可能會(hui) 產(chan) 生誤導。傳(chuan) 導模式熔池包含一個(ge) 穩定的“鑰匙孔”凹陷，即使功率密度遠低於(yu) 那些通常用於(yu) LPBF。隨著功率密度的增加，穩定凹陷深度增加，產(chan) 生過渡模式熔池，熔池在深度方向上被拉長，最終形成更深的鎖孔模式熔池，盡管沒有單一的測量方法從(cong) 哪裏開始。在描述鎖孔和激光羽流不穩定性的第二階段和過渡模式熔池截麵的狀態之間，功率密度範圍可能有一些重疊，但不期望或要求這些對過程不同方麵的定性描述完全一致。

通過測量X射線圖像中的凹陷深度，以及X射線和紋影數據集中連續圖像之間的平均強度差(如圖3所示)來檢查鎖孔的演變。無論是深度還是強度差，變異性的持續增加，都表明熔池隨著時間的推移逐漸趨於(yu) 不穩定。熔池的階段可以被區分，因為(wei) 羽流中的不穩定水平明顯(圖3b)，與(yu) 增加的鎖孔振蕩相匹配。因此，在穩定和不穩定時期之間的同步中，液體(ti) 和蒸汽相的強耦合是明顯的。紋影數據在階段I中的孤立峰值是由於(yu) 圖2a所示的激光羽流的初始建立。在靜止激光下，隻要激光功率密度足夠高，熔池將始終經曆這些階段;當然，鎖孔形成並最終變得不穩定所需的時間取決(jue) 於(yu) 總能量輸入。

圖3:蒸汽降低演化分析。

鎖孔穩定性的輸入能量密度閾值

掃描激光束會(hui) 引起額外的激光能量耗散，改變熔池內(nei) 的動量平衡，從(cong) 而影響熔池的穩定性。同時對無粉襯底進行線掃描成像，改變功率密度和掃描速度(圖4)。對於(yu) 每個(ge) 激光功率，圖中顯示了在t1和t1+ 40 μs時間捕獲的連續兩(liang) 幀，其中熔池在掃描長度為(wei) ~ 2mm後達到穩定狀態，以證明鎖孔凹陷和激光羽流在每種情況下的相對穩定性。

圖4:在不同輸入能量密度的單線掃描過程中，僅(jin) 可見Ti-6Al-4V襯底(無粉末)和Ar環境。鎖孔邊界輪廓在x射線圖像中以紅色突出顯示，與(yu) 紋影圖像在同一尺度上。a在低能量輸入下，凹陷的形狀保持不變，從(cong) 輻照表麵發射出穩定的蒸汽射流，形成穩定的羽流。b當E < 70 GJ m−3時，低壓仍然處於(yu) 階段II, LVI的微小波動擾動了羽流，但流動模式仍然存在。由於(yu) (c)低掃描速度或(d)高功率密度導致的高輸入能量密度導致III階段帶有混沌羽流的窪地。在補充資料中有一段帶有圖中所用圖像的視頻。

當激光功率較低，掃描速度較高時(圖4a)，能量密度E ~ 27 GJ m−3的耗散速度較快，熔池仍處於(yu) I階段;表麵凹陷較淺，但形狀保持不變。蒸汽噴射明顯垂直於(yu) 輻照表麵，主要是凹陷的前壁。由於(yu) LVI的不變性，射流的角度和誘導的大氣流隨時間保持不變。當輸入能量密度增加到E = ~69 GJm−3時，鎖孔變深變長，但後壁呈周期性波動(圖4b)。由於(yu) 掃描運動的散熱防止了LVI變得不穩定，因此凹陷隻受到微弱的擾動;因此，羽流的穩定流動結構得以保留。由於(yu) 激光功率較高，在羽流內(nei) 可見到較高的蒸汽含量，並且在鎖眼上方出現明亮區域。這一明亮區域歸因於(yu) 熱蒸汽和冷凝物(煙霧)發出的熱輻射:反射或散射效應被排除，因為(wei) 1070 nm輻射被KG-5玻璃嚴(yan) 重過濾。

在圖4c中，與(yu) 圖4b相比，激光功率密度降低了33%，但掃描速度降低了45%，從(cong) 而獲得了更高的能量密度E = ~ 82 GJm−3。在這種情況下，觀察到III級熔池，具有更強的振蕩、鎖孔壁的頻繁坍塌和由於(yu) 從(cong) 鎖孔中出現的複雜蒸汽流模式而導致的激光羽流中幾個(ge) 不連接的密度梯度。當入射激光功率密度增加2.1倍時，熔池變得更加動態，並產(chan) 生更深、強烈振蕩的小孔(圖4d)。在t = t1處激光羽流中觀測到的白色條紋再次歸因於(yu) 由於(yu) 入射激光束與(yu) 煙霧相互作用而產(chan) 生的熱輻射。

許多類似於(yu) 圖4的實驗分別在203-442 W和0.2-1.5m s−1範圍內(nei) 對1/e2束直徑為(wei) 84µm和99µm的激光功率和掃描速度進行組合。鎖孔邊界的自動邊緣檢測，使其麵積計算在每一張圖像。平均麵積，用誤差條表示每個(ge) 序列中所有圖像的標準偏差，與(yu) 圖5a中的能量密度對應。麵積測量表明可能的鎖孔形態範圍很廣，即使在低輸入能量密度下也會(hui) 形成相對較大的凹陷。然而，標準差的快速增加直接與(yu) 熔池和LVI不穩定性的增加有關(guan) 。不穩定程度再次通過鎖孔和激光羽的連續圖像之間的強度差來量化，並通過每個(ge) 序列中的所有差值圖像進行平均(圖5b)。對於(yu) x射線數據，平均強度差線性增加，如最小二乘擬合所示，表明不穩定水平隨輸入能量密度而增加。然而，對於(yu) 紋影數據，在E < 70 GJm−3的實驗中，變率僅(jin) 線性增加，超過該值後，變率會(hui) 顯著增加，且不再與(yu) 能量密度線性相關(guan) 。當E < 70 GJm−3時，實驗中出現了穩定的羽流和凹陷，而當能量超過該能量時，則觀察到具有非常凹陷的混沌流。

圖5:不同輸入能量密度下熔池/羽流穩定性的測量。

我們(men) 使用的輸入能量密度的定義(yi) 使得預測凹陷大小的方法大大簡化，並為(wei) 在70 GJm−3處觀察到的鎖孔穩定性閾值提供了物理基礎。先前已經表明，凹陷穿透深度D與(yu) 激光功率成線性比例，但在每次掃描速度和光束直徑的組合下獲得了不同的線。將這種穿透與(yu) 鎖孔前壁的角度θ聯係起來的幾何模型也得到了驗證。在該模型中，tan tanθ=D/ d =vdrill/v，其中vdrill是固定激光點鑽入材料的速率。將前壁角與(yu) 功率密度的關(guan) 係再次繪製出來，為(wei) 掃描速度和光束直徑的每一個(ge) 組合繪製出一條單獨的線。因此，很難將這些信息用於(yu) 參數選擇，或解釋整個(ge) 參數空間內(nei) 熔池狀態的變化。

在x射線圖像中測量鎖孔深度和前壁角度，並與(yu) 輸入能量密度繪製圖(圖6a, c)。測量的深度用於(yu) 計算相應功率密度範圍內(nei) 的鑽速(圖6b)。直線表示深度和鑽速的最小二乘線性回歸。利用擬合線的梯度，可以預測每個(ge) 能量密度下的前壁角:與(yu) 這些點擬合的最小二乘曲線如圖6c所示。立即可以看到，輸入能量密度為(wei) 所有測試的激光功率、掃描速度和光束直徑的深度和前壁角度提供了一條單線，現在可以用於(yu) 工藝參數的選擇。

圖6:無粉末和有粉末實驗中激光線掃描時凹陷形態的測量。

對Ti-6Al-4V吸收率A的時間平均測量表明，當15≤E≤200 GJm−3時，A從(cong) 0.3增加到0.7，而總吸收能量密度EA隨E線性增加(見補充材料)。觀察到的凹陷深度隨E的線性縮放(圖6a)表明，隨著E的增加，額外吸收的能量補償(chang) 了熔池中各種熱物理和流體(ti) 動力學效應造成的更大的能量損失。我們(men) 觀察到凹陷的前壁角在E = ~70 GJm−3附近急劇增加，此時前壁角接近70°。根據穩定性分析(圖5)，這種前壁角的快速上升是過渡到III階段凹陷的特征。這一測量結果與(yu) 最近鎖眼動力學的數值模擬相一致，表明傾(qing) 角從(cong) 65°增加到75°，在掃描凹陷內(nei) 引發多次反射和局部激光吸收的動態變化，導致複雜的熱毛細現象和蒸汽反衝(chong) 壓力，導致鎖眼形成不穩定。

Ar橫流的影響

在LPBF過程中，激光束與(yu) 工藝副產(chan) 物(如煙霧和飛濺的顆粒)的相互作用可導致製造零件中的缺陷。在這項研究中，線焊和點焊是在靜態氬氣氛中進行的，使用紋影係統以確保在每次實驗之前沒有煙霧。然而，在商業(ye) LPBF機器中，經常引入層流Ar橫流來從(cong) 掃描區域提取工藝副產(chan) 物。為(wei) 了避免對粉末層的破壞和大氣湍流，這種流動的典型峰值速度為(wei) 幾m s−1級，因此與(yu) 激光-材料相互作用產(chan) 生的力相比，施加在熔池上的對流冷卻和滯流壓力是二級效應。因此，在數值中尺度模型中，這種流動在很大程度上被忽略了，而沒有在商業(ye) LPBF室中進行的實驗往往依賴於(yu) 自然對流來提取煙霧。然而，由於(yu) 本研究中的動力學涉及熔池上方的大氣效應，因此必須考慮這種流動的影響，以確定結果對實際LPBF過程的適用性。

圖7展示了在一個(ge) 單獨的實驗中，在一個(ge) 開放架構LPBF係統中記錄的SS316的示例數據。使用了相同的紋影裝置，但設置為(wei) 更寬的視野，以便橫向流對激光羽流的影響是可見的。對於(yu) 橫流(圖7a)，羽流向上傳(chuan) 播約1mm後在對流流內(nei) 消散，此時其局部動量接近Ar流。在沒有橫流的情況下(圖7b)，羽流上升得更高，直到其速度大致與(yu) 激光的掃描速度相匹配。在它的尾跡處留下一縷煙霧，在浮力和剩餘(yu) 動量的作用下上升。在沒有橫流的第一行掃描期間，激光前麵的大氣是清晰的，因此激光和凝固蒸汽之間的相互作用是最小的。有和沒有橫流的成像特征的相似性(圖7a, b)表明，在清潔的大氣中，橫流不會(hui) 顯著改變激光-材料的相互作用，因此本文的結果在兩(liang) 種情況下都適用。在島嶼掃描的後續軌跡中，情況顯然不同。在橫流的情況下，來自前道的產(chan) 物對流離開，導致整個(ge) 掃描過程中與(yu) 第一道的工藝條件相同(圖7c)。在沒有橫流的情況下，隨著島狀掃描的進行，由於(yu) 來自之前軌跡的蒸汽和煙霧在樣品上的積累，經常觀察到激光煙霧相互作用(圖7d)。注意，在這些條件下沒有同時進行X線和紋影成像。

圖7:SS316樣品上空Ar大氣在5 × 5mm2島掃描時的紋影圖像，有和沒有橫流(峰值Re ~ 1400，umax~ 2.1 m s−1)。

圖7a、b之間的相似性可歸因於(yu) 蒸汽射流的高動量。其峰值速度約為(wei) 幾百m/s量級，而Ar流峰值速度約為(wei) 2.1 m/s，並由於(yu) 層流剖麵和邊界層效應而向試樣附近減小。因此，數值模擬預測了靠近熔池的激光羽流的最小偏度或破壞。雖然橫流可能會(hui) 在一定程度上掩蓋本研究中成像的一些動態，但在所有條件下都可以觀察到來自蒸汽射流和羽流的折射率梯度，這是由於(yu) 其高溫和接近襯底的金屬物種含量。因此，盡管本研究中的羽流穩定性閾值在前一節中已在靜止大氣中確定，但如果測量的空間和時間分辨率與(yu) 此處使用的測量分辨率相當，則預計羽流可以提供足夠的信息來描述具有橫流的熔池原位穩定性。另外，靜態大氣也可以用作校準過程的一部分，在啟用交叉流的情況下，可以充分詢問具有不同輸入能量密度的單次掃描的影響，然後推斷為(wei) 部分規模的處理。

粉末顆粒的效果

為(wei) 了可視化LVI與(yu) 固體(ti) 顆粒之間的相互作用，在不同的能量輸入下，使用~100 μm粉末層(直徑為(wei) 15-45 μm的球形Ti-6Al-4V顆粒，手工鋪放，未在預對準的Ti-6Al-4V片上壓實)進行點焊和線掃描。在所有實驗中，粉末層的上表麵與(yu) 未加粉末的樣品的上表麵處於(yu) 相同的高度，以保持兩(liang) 種情況下校準的激光光斑直徑和測量的鎖孔深度的共同參考平麵。

在3.7 MWcm−2的固定激光功率密度下，凹陷初始具有相同的鑽速，無論粉末層如何，在~350 μs後轉變為(wei) 不穩定的鎖孔(圖8)。在初始階段，強烈的鑽削相互作用迅速融化、蒸發或噴射飛濺物和顆粒等。在這兩(liang) 種情況下，由於(yu) 鎖孔區域流體(ti) 動力學的不穩定性，穿透深度隨時間顯著波動，導致混亂(luan) 羽流的立即形成。由於(yu) 誘導的大氣流動，粉末顆粒從(cong) 激光光斑附近不斷被夾帶。這些顆粒的一部分被並入熔池，而其餘(yu) 的則從(cong) 粉末床中抬起。從(cong) 合成圖像中可以清楚地看到，進入可見羽流區域的粉末床附近的顆粒是由噴氣機的升力噴射出來的。當粉末存在時，觀察到較低的滲透率(圖8c)。我們(men) 將這種穿透降低歸因於(yu) 粉末情況下兩(liang) 個(ge) 因素的結合:i)粉末層的孔隙度和與(yu) 蒸汽射流/羽流相互作用而噴射出的顆粒導致上部鎖孔形狀不一致，允許更大比例的入射光以更少的相互作用逸出腔體(ti) ，從(cong) 而降低了有效吸收率;ii)噴射出的粉末顆粒周期性地阻擋入射光，減緩了熔池中能量的積累。

圖8:高功率激光-材料相互作用對比。

圖2和圖3顯示,激光功率密度的1.3MWcm−2導致逐步過渡階段I - III超過3.7MWcm−2(圖8)。在這個(ge) 低功率密度激光材料的相互作用顯著不同的底物隻有(圖9)引入粉(圖9 b, c):粉末粒子在不斷鞏固在熔池中沒有形成一個(ge) 鑰匙孔,而較慢的蒸汽射流噴射顆粒較少,導致大量球狀熔池。蒸汽噴射的反衝(chong) 壓力引起了熔融體(ti) 的側(ce) 向運動。合成圖像顯示，羽流垂直於(yu) 暴露點的表麵，表明反作用力作用於(yu) 熔池的方向。熔體(ti) 和羽流在激光照射下連續振蕩;這種運動增強了粉末的剝蝕，隨著時間的推移，導致更多粉末顆粒的摻入和熔池尺寸的增加。

圖9:低功率激光-材料相互作用對比。

這種明顯的不穩定性可以用作用在球狀熔池表麵的力來解釋。在激光入射的地方，推動表麵的反衝(chong) 壓力與(yu) 局域馬蘭(lan) 戈尼力和毛細壓力相互競爭(zheng) 。當蒸汽壓較低時，向下的鑽速與(yu) 液體(ti) 的側(ce) 向運動相當，導致凹陷呈對角線運動。觀測到的運動表明，大的半球形熔融體(ti) 的LVI上部不穩定，導致液體(ti) 體(ti) 積的運動。我們(men) 假設，即使液滴在激光束下方靜止且對稱分布，任何一側(ce) 的擾動都會(hui) 使反衝(chong) 壓力方向傾(qing) 斜，從(cong) 而使液滴進一步遠離中心。在此過程中，液體(ti) 會(hui) 加速，直到產(chan) 生的過量LVI的恢複力使其停止。然而，液體(ti) 的動量使它超過了中性點，從(cong) 毛細作用中留下了淨恢複力。液滴加速返回，動量再次將其帶過對稱點，從(cong) 而允許振蕩循環重複。這種振蕩不穩定性在較低功率下進行的所有實驗中都是一致的，其中裸板的穿透深度並沒有迅速超過粉末層的深度。雖然光點照明下球形熔池的運動並不直接適用於(yu) 大多數LPBF工藝，但觀察到的動態表明，熔池中加入的總粉末質量會(hui) 影響凹陷的形態，進而影響所有LPBF工藝的穩定性。

圖10顯示了輸入能量密度在58-116 GJm−3範圍內(nei) 的線掃描幀。x射線圖像顯示，在激光光束平移過程中，粉末顆粒不斷地並入熔池。紋影圖像顯示，除了引導夾帶顆粒朝向激光束外，由蒸汽射流誘導的大氣流動影響了粉末的局部可用性。激光掃描速度較低時，大氣流與(yu) 粉末顆粒的相互作用時間較長，而小孔溫度較高導致蒸汽射流速度較高;結果，附近的粒子被噴射出的比例更大，增加了熱飛濺的數量(圖10g)。此外，混沌流動和高度可變的蒸汽射流導致熱飛濺的噴射角度範圍很廣。相反，持續的降低與(yu) 較短的相互作用時間導致空氣中的粒子具有更均勻的軌跡(圖10i)。

圖10:不同輸入能量密度下，有粉與(yu) 無粉線掃描圖像對比。

無論粉末是否存在，觀察到的小孔形貌在定性上是相似的。在整個(ge) 線掃描輸入能量密度範圍內(nei) ，粉末層中較低的質量導致始終較深的穿透(圖6a)。在這兩(liang) 種情況下，線性深度增加對能量密度增加的斜率是相似的。隨著輸入能量密度的增加，無論是否有粉末，羽流都遵循類似的不穩定過程。折射率梯度似乎更強，略不規則的粉末由於(yu) 更強的蒸發從(cong) 加熱的顆粒。隨著輸入能量密度的增加，粉末羽流的彈射角也同樣增加，這與(yu) 前壁角的增加所預期的一樣。含粉末的前壁角(圖6c)與(yu) 僅(jin) 含襯底的前壁角有相似的趨勢。當能量密度略高於(yu) 70 GJm−3時，達到70°角，表明粉末層降低了樣品的整體(ti) 能量吸收。如前所述，上孔比裸露的襯底更寬，這減少了腔內(nei) 的激光反射，同時粉末顆粒(吸收激光能量)通常被推走，而不是被納入熔池。

本文中的可視化顯示了LPBF中蒸發動力學、液態金屬運動和粒子行為(wei) 之間的相互聯係。我們(men) 觀察到表麵凹陷的行為(wei) 表現在蒸汽射流和羽流的運動中，這意味著係統的穩定性可以通過詢問兩(liang) 者來確定。現場x射線成像隻能在少數能提供高能量和高強度x射線的光源上進行:這項工作表明，羽流監測是探測鎖孔和熔池行為(wei) 的一種更普遍的替代方法。此外，我們(men) 發現，向不穩定鎖孔的轉變伴隨著羽流向混沌流動的轉變，這是一個(ge) 獨特的特征，可能被監測和集成在閉環控製係統中。這樣的係統還可以利用羽流中更微妙的特征，例如隨著激光鑽速的增加，觀測到更大的折射率梯度。

紋影圖像連續幀之間的強度差異是該過程穩定性的特征，這使我們(men) 能夠確定熔池演化的三個(ge) 不同階段。通過這種組合分析，蒸汽和液相的強耦合也很明顯，這允許根據輸入能量密度量化不穩定程度。確定的輸入能量穩定性閾值為(wei) 70 GJm−3，是LPBF處理Ti-6Al-4V的上限。輸入能量的上閾值對於(yu) 其他材料不同，但可以很容易地通過紋影成像或任何其他測量折射率的技術來識別。可能存在相應的較低的輸入能量閾值:眾(zhong) 所周知，低能量輸入會(hui) 導致熔池中的流體(ti) 動力學不穩定，導致固化軌跡中的球或其他不一致，最終導致缺乏融合缺陷。雖然在凝固前沿附近可以觀察到這種類型的不穩定性，但我們(men) 的實驗裝置的放大倍率、視場和靈敏度都進行了調整，以探測本研究中的液態-蒸汽相互作用。

由於(yu) LVI的相對不穩定性，即熔池表麵存在穩定的凹陷，因此在I - II階段熔池中未檢測到孔隙。第三階段鎖孔不穩定，容易坍塌，可能導致孔隙過多。e> 70 GJm−3大氣湍流的增加表明熔池已發展到III階段，凹陷前壁角達到~70°也證實了這一點。在68和74 GJm−3的情況下，這通常會(hui) 導致多孔性，從(cong) 支撐材料中可以看出。對於(yu) 不穩定閾值略高的粉末，孔隙度開始發生在73 ~ 81 GJm−3之間。液體(ti) 和蒸汽流動動力學之間的相互聯係表明，可能將孔隙形成與(yu) 湍流羽流中的特征聯係起來;對監測的大麵積掃描進行切片，並使用先進的數據處理技術，如卷積神經網絡中的編碼器/解碼器架構，可以對獲取的數據進行更深入的解釋，從(cong) 而實現實時識別和預防缺陷。

粉末的引入並沒有導致觀察到的凹陷形態和大氣流動的顯著差異。發現粉末對熔池有輕微的穩定作用，在Ti-6Al-4V中觀察到III階段的小孔，略高於(yu) E = ~70 GJm−3，證實了所識別的閾值作為(wei) 參數選擇的廣泛指導的有效性。當羽流和窪地穩定時，相對均勻的冷熱顆粒流尾隨熔池。羽流中的湍流導致飛濺粒子軌跡的更廣泛分布，由於(yu) 更強的大氣流，通常具有更高的速度，以及更頻繁的粒子-射流相互作用。這些結果可以通過展示冷和熱粒子飛濺的物理基礎，幫助識別現有過程監測係統的趨勢。

最後，我們(men) 的實驗還清楚地表明，激光羽流不僅(jin) 噴射出粉末顆粒，而且還夾帶附近的顆粒，將它們(men) 拉向熔池。雖然粉末床剝蝕作為(wei) LPBF中的一種現象已被充分記錄，但其對過程的影響直到最近才開始進行數值研究。結合成像突出了夾帶顆粒進入熔池，這意味著通過引入粉末可以顯著增加熔液的總體(ti) 積，影響其穩定性。我們(men) 的線掃描數據表明，激光掃描速度和功率也通過影響剝脫流與(yu) 周圍顆粒相互作用的強度和持續時間來影響傳(chuan) 質。此外，紋影數據清楚地表明，激光束經常與(yu) 噴射出的蒸汽和冷凝物相互作用，特別是在高激光功率密度時，這一影響通常被忽視。在數值模型中包括這些影響可以極大地增強它們(men) 的預測能力，允許對過程圖進行先驗計算，進一步促進新材料和加工方法的探索。