激光加热在定向能沉积中的重要性

粉末流和定向能沉积

定向能量沉积（DED）是一种创新的制造技术。这种方法在创造新型材料方面有很大的潜力。从技术上讲，在定向能沉积过程中，粉末流中的颗粒进入熔池之前，会与高能激光束短暂接触。一般来说，在熔池中加入高温颗粒会使粉末颗粒更容易融化，从而提高冶金质量。预计这也将大大改善DED工艺的沉积效率。在这篇文章中，我们讨论了加热的重要性以及它对DED中激光束在粉末流上的行为的影响。

为了在沉积过程中显著提高粉末的利用率，减少沉积层的孔隙率和稀释区的面积，增加粉末颗粒和激光束之间的相互作用距离将在粉末颗粒进入熔池之前显著提高其温度。

因此，必须了解加热的重要性以及激光束对粉末颗粒的加热行为，以便为定向能量沉积中激光与粉末相互作用的最佳设计和管理提供科学基础（例如，见图1）。量化激光束中单个颗粒的快速温度变化尤其具有挑战性，因为粉末颗粒的移动非常快，而且粉末颗粒和激光束之间的互动时间非常短。

图1：定向能沉积过程示意图；图片来源：Elsevier

研究人员主要采用数值模拟方法来表示激光束和粉末颗粒之间的相互作用。他们的目标是探索加热的重要性，以及在激光照射下粉末颗粒的加热。此外，他们还研究了激光束对高速移动的粉末的加热行为。

根据计算，通过激光束运动的粉末颗粒的大小、速度和距离对颗粒的温度有很大影响。以较慢的速度穿过激光束的小粉末颗粒可能达到高于熔点的最高温度。

图2：实验中考虑的粉料；图片来源：Elsevier

为了系统地探索高速粉末颗粒（图2）在激光束中的非线性温度演变行为，同时考虑到各种工艺参数，西北工业大学（中国）和弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT（德国）的研究人员已经进行了实验特征和数学分析。在本文的其余部分，我们将讨论他们的发现。

激光束和粉末流之间的相互作用
 

在DED过程中，在粉末颗粒进入熔池之前，粉末流和激光束之间的相互作用区域非常小，相互作用时间也非常短暂（图1）。为了评估加热的重要性以及它对激光束在互动区域内高速送粉行为的影响，我们建立了一个粉末-激光互动过程的观察系统（图1）。

相机可以利用加热的粉末颗粒在遇到激光束时的自发光能量，形成粉末流的灰度图像；温度越高，灰度越大。因此，通过利用高速摄像机不断捕捉粉末流和激光束之间的相互作用区域，可以获得由几个移动的颗粒组构成的粉末流的灰度图像（图2）。

为了向激光照射区供应粉末，采用了一个侧向送粉喷嘴，以形成一个特定入射角的粉末流。粉末颗粒（图2）和激光之间相互作用的唯一方面是在它们到达沉积表面之前发生的，这就是这项工作的主题。

图3：粉末流图像；图片来源：Elsevier

在观察试验中，为了排除高亮度熔池的影响和反弹的粉末颗粒（图2）对基材的干扰，基材没有被放置在激光束下的理论沉积位置。

然后，在送粉器首先通过载气将粉末输送给它之后，横向喷嘴以特定的入射角向激光束注入粉末（图3）。为了减少拍摄过程中粉流反射和分散的激光的影响，在高速摄像镜头前放置了一个窄带过滤器。为了获得粉末流图片的灰度演变规律，激光与粉末相互作用下的粉末流灰度图像被提供给计算机进行图像处理和分析。此外，在他们的研究中使用的材料的属性摘要可以在表1中找到。

表1：计算中使用的参数；表和信息由Elsevier提供

结果和研究加热的重要性
 

在这篇文章中，我们讨论了西北工业大学（中国）和弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT（德国）的研究人员所做的新颖工作。以下是他们研究小组报告的结果摘要。

高速摄影被用来捕捉高温下激光加热的粉末流的灰色照片。然后通过考虑粉末流的发散特性对灰度值进行校正，使其与温度变化相关联。一种全新的实验技术被创造出来，以描述粉末流在激光照射下的温度演变规律。同时，对激光束中高速粒子温度演变的数学分析结果与实验结果很一致。

由于激光能量沿着粉末颗粒的运动轨迹分布的影响，穿过激光束中心轴并在理论沉积表面上靠近激光光斑边缘的粉末颗粒（图4和图5）具有最高的入射温度。

根据单次沉积试验，激光束和粉末流之间不断增加的相互作用效果可以有效地提高沉积质量，并节约能源。在较低的激光功率下，由于较大的粉末流入射角和较慢的粉末流速度，改善了激光与粉末的相互作用和到达沉积表面的粉末温度，沉积质量可以得到改善（图4和图5）。

图4：不同角度的粉末流的灰色图像；图片来源：Elsevier

在最后，我们列出了他们研究的一些收获信息：

由于激光能量沿着粉末颗粒的移动轨迹分布的影响，穿过激光束中心轴并在理论沉积表面上靠近激光光斑边缘的粉末颗粒具有最高的入射温度（图2）。
根据单次沉积试验，激光束和粉末流之间不断增加的相互作用效果可以有效地提高沉积质量，并节约能源。
在较低的激光功率下，由于较大的粉末流入射角和较慢的粉末流速度，改善了激光与粉末的相互作用和到达沉积表面的粉末温度，沉积质量可以得到改善。

图5：单通道沉积实验的一些结果；图片来源：Elsevier