Virtual Phys. Prototyp: 揭示熔道末端凹坑缺陷（EOPD）形成机制及其优化方法

2024-07-11 04:07

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在激光粉末床熔融（LPBF）过程中，通常会出现非预期的熔道末端凹坑（End-of-process depression, EOPD）缺陷，进而导致成形零件层间结合不良、表面质量差和疲劳强度低等问题。这些问题对于一些结构复杂的零件（如，骨支架）来说是致命的，因此在LPBF过程中避免EOPD缺陷十分必要。目前，已经有一些关于EOPD缺陷研究的报道，但是其形成机制仍未被清楚的揭示，使得EOPD缺陷缺乏有效的手段进行抑制。在这项研究中，研究团队建立了与实验过程高度匹配的多物理场介观尺度仿真模型，定量地构建了工艺参数与三种EOPD形成的映射关系，结合熔池流动状态与凝固过程分析揭示EOPD的形成机制，最终提出了一种“阶梯式”功率改变策略来抑制EOPD缺陷。这项工作为LPBF工艺成形零件的质量控制提供了宝贵的见解。

近日，武汉科技大学林昕教授团队在国际著名期刊Virtual and Physical Prototyping上发表了题为“Revealing formation mechanism of end of process depression in laser powder bed fusion by multiphysics meso-scale simulation”的研究论文。其主要揭示了LPBF过程中EOPD缺陷的形成机制，并基于缺陷形成机制提出了一种“阶梯式”功率改变策略来抑制EOPD缺陷。

作者首先通过LPBF过程实验和多物理场仿真获得了EOPD缺陷的形貌图（图1），并定义了EOPD缺陷：当熔道末端明显低于基板或先前层时，认为该熔道出现了EOPD缺陷。而后为了获得避免EOPD缺陷的安全工艺窗口，作者针对不同的输入能量密度进行了大量模拟，以定量地构建了工艺参数与EOPD形成的映射关系，最终发现EOPD缺陷的出现并不与工艺参数呈线性相关。大多数EOPD缺陷是由匙孔形状和熔体流动引起的。当金属熔液在凝固过程结束前没有完全填充匙孔时，轨道末端会出现凹陷。此类EOPD缺陷与能量密度相关，当能量密度低于7×10¹⁰J/m³时，即使熔池处于匙孔模式下也可以防止EOPD缺陷的发生。然而，随着扫描速度的增加，EOPD缺陷的发生不仅仅取决于能量密度。在高扫描速度下，熔池变得更长、更浅，从而改变了匙孔的形状。因此，基于P–V关系建立了第二个边界，如图2区域K-III所示。曲线边界表明激光功率和扫描速度有两个阈值，分别为160 W和1.1 m/s。有趣的是，该区域K-III与熔池传导模式区域具有小的重叠，表明EOPD不仅出现在熔池匙孔模式中，而且出现在熔池传导模式中，尽管EOPD缺陷出现在传导模式时尺寸很小。这也就是说，匙孔是导致EOPD的主要原因，但不是唯一的原因。

图1 实验和仿真中的EOPD缺陷形貌，其中横截面图是在具有相同工艺参数的另一样件中获取的

图2 关于EOPD缺陷的工艺窗口图，其中K-Ⅰ和C-Ⅰ为安全工艺窗口

为了揭示工艺窗口图中所示的3种EPOD缺陷（EOPD#1: K-Ⅱ, EOPD#2: K-Ⅲ,EOPD#3: C-Ⅱ）的形成机制，分别对三种EOPD缺陷出现时的熔池受力、流动以及凝固进行分析。其中，主要关注激光关闭前后时刻的熔池。分析发现，在熔池匙孔模式下有两种EOPD形成机制：在低扫描速度下，由于能量密度较高，激光关闭后熔池仍受到蒸气反冲压力的作用维持关闭前的流动模式，阻碍金属熔液填补匙孔，同时匙孔的前沿的高温度梯度使得匙孔从前往后快速固化，从而形成EOPD缺陷；同样能量密度形成的熔池，具有较高扫描速度的那一组熔池会变得更长更浅，因此在较高的扫描速度下，较长的熔池使其后方熔液向前填补变的困难，较浅的熔池使其能够快速固化，最终导致匙孔快速转变为EOPD缺陷。在熔池传导模式下，EOPD缺陷主要由马兰戈尼力使熔池表面波动形成局部凹陷所致，不过该类EOPD缺陷尺寸较小，所以几乎是无害的。

图3 不同EOPD形成机制的熔池受力及流动分析

熔池传导模式下的EOPD缺陷（EOPD#3）具有窄的工艺参数窗口，并且对整个LPBF过程具有很小的负面影响。因此，没有必要制定一种特定的方法来减少这类EOPD缺陷。同时为了降低EOPD缺陷的形成频率，可以采用低速（低于1.1 m/s）扫描策略来避免高扫描速度下的EOPD缺陷（EOPD#2）。因此，在本研究中，我们主要关注在低扫描速度下寻找EOPD缺陷（EOPD#1）的优化方法。基于所揭示的EOPD#1形成机制，提出了可变功率扫描的打印方法以抑制或消除EOPD缺陷。在激光即将关闭的前一小段时间内降低激光功率，进而缩短激光关闭后的蒸气反冲力持续时间，使得金属熔液能快速地填补匙孔以抑制EOPD缺陷的形成。作者讨论了“阶梯式”和“渐进式”两种可变功率策略，发现“阶梯式”可变功率策略不仅能够有效抑制EOPD缺陷，而且不会引入新的缺陷。