CN116890122A - 激光增材制造飞溅形成-出射-回落全周期原位监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了激光增材制造飞溅形成‑出射‑回落全周期原位监测方法。在形成阶段，为探明飞溅形成机理，采用旁轴多目高速摄像装置提供高时空分辨，精确采集每个采样时间飞溅的空间位置并重建其在3D空间的运动轨迹；在出射阶段，为监测飞溅运动行为与增材制造状态的相关性，采用同轴单目高速摄像装置提供长时间的高时空分辨，精确采集并统计飞溅的出射速度、角度及运动轨迹，同时光电二极管监测其辐射强度及变化；在回落阶段，为探明飞溅回落对增材制造质量的影响，采用多目摄像装置提供覆盖整个粉末床的高空间分辨，采集回落飞溅的分布状态。创新性提出飞溅形成‑出射‑回落三个阶段相结合的原位监测方法，为激光增材制造高质量成形奠定基础。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及激光增材制造飞溅形成-出射-回落全周期原位监测方法。
背景技术
激光粉末床熔融（L-PBF，Laser Powder Bed Fusion）作为最具潜力、最热门的金属增材制造技术之一，可实现复杂构件的快速精密成形，因此在航空航天（如高性能复杂构件等）、生物医疗（如多孔复杂结构等）等国家重大需求，以及时尚创意（如个性化定制等）国民经济主战场的应用前景十分广阔，然其缺陷形成机理还未完全探明。
其中，飞溅作为L-PBF中常见的副产物，对成形质量影响显著，且直接关乎成形的稳定性和可重复性。与L-PBF熔池及焊接飞溅相比，L-PBF飞溅原位监测难度高、成形机理复杂、影响危害大。目前多种飞溅的监测技术已得到广泛研究，探明了熔池“液基”出射熔滴飞溅和基板“固基”出射粉末飞溅的产生机理，具体过程为：首先，激光加热粉末产生的飞溅包括熔池液基出射的熔滴飞溅，以及基板固基出射的粉末飞溅；然后金属蒸气间接作用于粉末颗粒，即通过卷吸作用诱导的惰性卷吸气流，形成粉末飞溅；金属蒸气直接作用于粉末颗粒，即通过抬升力或反冲力，使其进入蒸气羽流或落回粉床等现象。然而在飞溅全周期监测方面研究还很有限。
与熔池原位监测相比，飞溅原位监测难度更高。一般来说，熔池与激光光斑一起移动，熔池的运动范围可认为是在2D平面中，但飞溅的运动是在3D空间中，因此飞溅的原位监测应从2D平面扩展到3D空间，这需要更多的原位传感器，并且需要处理更多的信息。面临的困难具体表现为：（1）与熔池的监测相比，具有微小尺寸和在3D空间中运动范围较广的飞溅更难监测，这需要多个传感器（目前有报道四个传感器），具有微米空间分辨率；（2）熔池由激光在金属粉末床中的作用产生，其轨迹可以根据预定义的激光路径预测。相比之下，由于飞溅在3D空间中作高速随机运动，很难预测飞溅的轨迹，这需要具有微秒级时间分辨率的传感器来监测运动轨迹偏转的整个过程；（3）使用具有高空间分辨率和高时间分辨率的传感器收集的飞溅数据比熔池监测数据大几个数量级。因此，飞溅物的观察和数据处理比熔池的监测更具挑战性。
专利CN114905738A中已公开一种原位测量激光增材制造中飞溅动力学行为的方法，主要是通过双目传感器和激光脉冲照明光源提供微秒级高时间分辨，精确采集每个采样时间的飞溅颗粒的空间位置，精准刻画飞溅受力后运动轨迹偏转全过程，有效克服了现有原位测量方法中难以观测飞溅偏转的难题，该专利仅仅是解决了层内发生偏转的飞溅颗粒的动力学行为监测的问题。
已有文章《In-situ detection of redeposited spatter and its influenceon the formation of internal flaws in laser powder bed fusion》通过单目摄像原位监测方法探明了飞溅回落对激光增材制造内部缺陷的影响，然而，该文献仅仅是解决了单层回落飞溅的分布与激光增材制造成形质量的相关性，忽略了多层制造过程中飞溅回落的累积效应。
结合L-PBF成形中的飞溅具有种类多（常温冷飞溅/高温热飞溅）、数量大（每秒103~105个）和难预测（3D随机性）等特点，使得其原位监测手段更为复杂。
因此，如何实现对L-PBF飞溅“形成-出射-回落”全周期的原位监测，进而掌握飞溅形成机理、飞溅与缺陷的相关性，以及飞溅对成形质量的影响，是科研工作人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供了激光增材制造飞溅形成-出射-回落全周期原位监测方法。通过综合运用“层内-旁轴-高时间分辨-逐点监测-飞溅运动状态” 、“层内-同轴-高时空分辨-长时间监测-飞溅运动轨迹”和“层间-旁轴-高空间分辨-全幅面监测-飞溅回落分布”的策略，以实现对L-PBF飞溅“形成-出射-回落”全周期的原位监测。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种激光增材制造飞溅形成-出射-回落全周期原位监测方法，所述原位监测由监测系统完成，所述监测系统包括高速摄像装置、多目摄像装置和光电传感器，包括以下具体步骤：
步骤S1，将材料粉末铺展到激光增材制造装置的基板上，并覆盖激光行进的路径范围，制作粉末床；所述材料粉末的粒径为10~500 μm；
步骤S2，在激光增材制造装置旁轴架设旁轴多目高速摄像装置，用于监测飞溅形成阶段的飞溅动力学行为及形态特征；
在激光增材制造装置同轴架设同轴单目高速摄像装置及光电传感器，用于监测出射阶段的飞溅运动学行为及辐射特征；
在激光增材制造装置旁轴架设多目摄像装置，使其像方视场覆盖激光作用及附近区域，用于监测飞溅回落阶段的分布特征，并在线分析回落飞溅的成分和含量信息；
步骤S3，启动激光增材制造装置的激光，激光按照规划路径对步骤S1制作的粉末床进行扫描；
步骤S4，当在分层制造过程中，通过所述旁轴多目高速摄像装置观测熔池上方的飞溅的动力学行为及形态特征；所述动力学行为包括飞溅形成时的速度、角度和受力状态及其随时间的变化关系；
和/或，通过所述同轴单目高速摄像装置观测形成阶段飞溅的运动学行为及统计学特征，通过所述光电传感器对飞溅颗粒进行实时监控运动过程中的辐射特征；所述运动学行为包括飞溅形成时的速度、角度，由此得到飞溅出射的运动轨迹，所述统计学特征包括飞溅的数量；所述辐射特征包括飞溅的热辐射特征；
当在逐层叠加过程中，通过所述多目摄像装置观测飞溅的回落分布，并在线分析回落飞溅的成分和含量信息；
步骤S5，采集步骤S4获得的动力学行为、形态特征、运动学行为、统计学特征、辐射特征、回落分布、成分和含量信息数据，实现对飞溅“形成-出射-回落”全周期的原位监测。
进一步的，所述旁轴多目高速摄像装置配置有旁轴激光照明光源，所述旁轴多目高速摄像装置的时间分辨率为0.1μs~10μs，空间分辨率为1μm/pixel~10μm/pixel，每层采样时间102~103μs。
进一步的，所述同轴单目高速摄像装置配置有同轴激光照明光源，所述同轴单目高速摄像装置的时间分辨率为10μs~100μs，空间分辨率为10μm/pixel~100μm/pixel，每层采样时间101~103s。
进一步的，所述光电传感器包括光电二极管。
进一步的，所述多目摄像装置配备有旁轴照明光源，所述多目摄像装置空间分辨率为1μm/pixel~10μm/pixel，所述多目摄像装置在处理层间时获取不大于0.1秒曝光图像，并逐层输出单个图像。
进一步的，所述旁轴激光照明光源、所述同轴激光照明光源的峰值功率均为100~500W，波长均为640±10nm或者810±10nm，脉冲持续时间均为20ns~2000ns，所述旁轴照明光源的功率为50W，波长为350~1100nm。
进一步的，所述旁轴多目高速摄像装置的像方视场范围为100~101mm2，所述同轴单目高速摄像装置的像方视场范围为101~102mm2，所述多目摄像装置的像方视场范围为全幅面~102mm2。
进一步的，所述材料包括金属、陶瓷和高分子聚合物中的任一种。
本发明中术语“旁轴”指装置安装在与激光增材制造装置的加工激光光路不同的位置。
本发明中术语“同轴”指装置安装在与激光增材制造装置的加工激光同光路上。
本发明中术语“全幅面”指激光增材制造装置的整个粉末床表面。
本发明中术语“增材制造”意指分层制造，逐层叠加成形的3D打印工艺，本发明中术语“层内”对应增材制造中的分层制造，即增材制造中任一层打印过程中从加工激光开始出光到本层打印结束，每层打印耗时约101~103s，激光关光为“层内阶段”；本发明中术语“层间”对应增材制造中的逐层叠加，从第n层打印结束（加工激光关光，成形腔下降一定层高）到第n+1层铺粉开始前为“层间阶段”，逐层打印总耗时约102~103h。
飞溅形成-出射-回落的全周期，具体指分层制造过程中的飞溅形成阶段和飞溅出射阶段和飞溅回落到粉末床阶段。
形成阶段，飞溅样本量小，飞溅的动力学行为、形态特征由高速摄像机拍摄并通过计算及观察得到飞溅形成过程中的速度、角度及形态变化；形态特征包括飞溅的形状、亮度。
出射阶段，飞溅样本量大，飞溅的运动学行为、统计学特征由高速摄像机拍摄并统计得到飞溅出射过程中的运动轨迹，飞溅的辐射特征通过光电二极管采集飞溅出射过程中的辐射强度并每层分开储存，通过分析辐射强度是否有异常来进行监测；统计学特征包括出射飞溅的数量，出射飞溅样本量大可以采用统计学进行数据处理；
回落阶段，飞溅样本量大，飞溅的回落分布由多目摄像装置逐层拍照并每层分开储存，相对形成阶段和出射阶段而言，飞溅的回落分布是静态，回落的飞溅形态特征包括形状和数量，可以采用统计学进行数据处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明提供一种激光增材制造过程中飞溅形成-出射-回落的全周期原位监测方法，将粉末床熔化中的飞溅颗粒作为原位示踪粒子，得到飞溅形成过程中的动力学行为、运动学行为及形态特征。通过统计学的方法对出射阶段的飞溅行为和回落阶段的飞溅分布进行处理，获得飞溅颗粒的运动轨迹及回落分布。通过光学传感装置测量其辐射特征及动态演变，从而得到飞溅颗粒的辐射变化行为。本发明的多目摄像装置包括集成化多目摄像机、照明光源、激光诱导击穿光谱（LIBS, Laser-induced breakdown spectroscopy）成分分析系统，光学传感装置包括光电二极管。在形成阶段，高速摄像机和激光照明光源提供微秒级高时间分辨及微米每像素级的高空间分辨，精确采集每个采样时间的飞溅颗粒的空间位置并且重建飞溅颗粒在3D空间的运动轨迹。在出射阶段，高速摄像机和激光照明光源提供长时间的微秒级高时间分辨及微米每像素级的高空间分辨监测，精确采集并统计飞溅颗粒的运动轨迹，光电传感器持续提供低维数据，可监测出射飞溅的辐射强度及变化。在回落阶段，多目摄像机提供微米每像素级的高空间分辨覆盖整个粉末床，可采集回落飞溅颗粒的分布状态。创新性的提出飞溅的形成-出射-回落三个阶段相结合的原位监测方法，实现构件质量调控与过程数据的可追溯。
（2）在顶层设计的原位监测原理方面，针对当前L-PBF增材制造装备飞溅原位监测相对熔池原位监测手段匮乏，并且飞溅层内监测和层间原位监测方法零星、尚未有机整合的现状，本发明紧密围绕激光增材制造的工艺特点，以及飞溅的出射特点，创造性提出“飞溅形成-飞溅出射-飞溅回落”的层内/层间多阶段、全周期过程原位监测新方法。
（3）在多阶段的原位监测技术方面，本发明提出层内多传感器与层间多目机器视觉相结合的原位监测方法，采用“短周期采样试样级的高维特征数据”和“长周期采样构件级的低维特征数据”相结合的多维异构数据，从而实现激光粉末床熔融增材制造飞溅行为的层内/层间原位监测。可用于探究激光增材制造中裂纹、孔洞、变形等演化与形成，建立“成分-工艺-特征”内在关联。
附图说明
图1为一种激光增材制造过程中飞溅形成-出射-回落全周期原位监测方法的流程图；
图2为本发明实例中所述的“激光粉末床熔融增材制造飞溅行为形成阶段的原位监测”的示意框图；
图3为本发明实例中所述的“激光粉末床熔融增材制造飞溅行为出射阶段的原位监测”的示意框图；
图4为本发明实例中所述的“激光粉末床熔融增材制造飞溅行为回落阶段的原位监测”的示意框图；
图5为形成阶段实施例1中的代表性飞溅颗粒的3D运动轨迹图；
图6为形成阶段实施例1中的代表性飞溅颗粒出射轨迹的矢量图；
图7为形成阶段实施例1中的代表性飞溅颗粒的运动“速度-角度-时间”曲线图；
图8为形成阶段实施例2中的代表性飞溅颗粒的3D运动轨迹图；
图9为形成阶段实施例2中的代表性飞溅颗粒出射轨迹的矢量图；
图10为形成阶段实施例2中的代表性飞溅颗粒的运动“速度-角度-时间”曲线图；
图11为出射阶段实施例3中不同激光功率下飞溅出射阶段的速度、角度图；
图12为出射阶段实施例3中不同激光功率下飞溅出射阶段的颗粒大小图；
图13为出射阶段实施例3中光电二极管在第n层的打印过程中采集的辐射数据图；
图14为回落阶段实施例4中多目摄像机采集的第n层飞溅回落分布图；
图15为回落阶段实施例4中LIBS在线分析系统对原料粉末及选取的回落飞溅的测试谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例和附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
本发明中术语“飞溅”，是高能束与材料相互作用典型的物理现象。飞溅源于熔池及附近区域，一般包括蒸气冷凝物、高温熔滴飞溅和常温粉末飞溅，其粒度范围从纳米到数百微米，数量及分布与工艺和环境气氛相关。在本发明中指的是粉末床熔化（Powder bedfusion, PBF）或直接能量沉积（Direct energy deposition, DED）中的“飞溅”。本发明将“飞溅”作为“原位示踪粒子（In situ tracing particles）”，通过多目高速高分辨摄像技术，监测飞溅颗粒的动力学行为并统计飞溅颗粒的运动学行为、回落分布。通过光学检测技术，监测飞溅颗粒从形成到回落运动过程中的辐射变化。通过LIBS在线分析系统在线分析回落飞溅的成分和含量信息。
在具体实施过程中，本发明根据L-PBF成形中飞溅特点，将“全周期”分为三个阶段：（1）飞溅形成阶段、（2）飞溅出射阶段和（3）飞溅回落阶段。这三个阶段的飞溅原位监测有助于深入探明并掌握飞溅形成机理、飞溅与缺陷的相关性，以及飞溅对成形质量的影响。
（1）飞溅形成阶段，飞溅具有样本量小、发生在层内、动态和成形时间短等特点，指的是在熔池附近形成的飞溅：如冷飞溅和热飞溅的生成位置都靠近熔池。使用高时间-空间分辨率的多目旁轴高速相机结合照明光源的超高帧速率原位监测可以获得清晰的飞溅形成过程。
（2）飞溅出射阶段，飞溅具有样本量大、发生在层内、动态和出射时间长等特点，指的是出射后远离粉末床的飞溅：飞溅的数量和运动状态将显著影响零件的内部缺陷。可通过原位监测获得飞溅轨迹、出射速度、出射角度，以研究飞溅和缺陷之间的内在相关性。采用长监控时间、高帧速率的原位检测系统以及使用多传感器的激光路径来捕捉飞溅物飞行。L-PBF过程中的高通量数据可用于飞溅特性的统计分析。为了降低监控系统的处理压力，该阶段可以仅对热飞溅进行监测。
（3）飞溅回落阶段，飞溅具有样本量大、发生在层间、静态和需要高空间分辨率等特点，指的是回落到粉末床上的飞溅：飞溅物最终重新沉积在粉末床和零件上，必然影响铺粉过程和零件质量。具有大视场和高空间分辨率相机的逐层原位监测可以获得粉末和零件的高质量图像。LIBS在线分析系统可以获得回落飞溅的成分和含量信息。采用算法的图像数据提取并确认回落飞溅物的大小和所在位置。
飞溅形成阶段、出射阶段和回落阶段的特点以及原位监测特征参数如表1所示。
表1.
在一些实施方式中，激光增材制造装置可以选用激光粉末床熔融（L-PBF）设备，包括激光器、扩束镜、扫描振镜、f-θ聚焦镜和成形腔；其成形腔是封闭的腔体，其顶部开有窗口，用于加工激光和照明激光透射进入成形腔内部；成形腔底部设有粉床；激光器产生的加工激光经扩束镜、扫描振镜和f-θ聚焦镜到达成形腔内部的粉床，形成熔池、产生蒸气和飞溅。L-PBF设备的激光器采用IPG的YLS-2000-SM型光纤激光器，其最大平均功率为2000W，波长为1064±10nm。激光经由焦距f=200mm扩束准直镜，HurrySCAN型扫描振镜和焦距f=500mm的f-θ镜组成的光路系统到达粉床区域。
层内飞溅形成阶段原位监测中，照明光源产生的照明激光到达成形腔的粉床上，其光斑应覆盖粉床上的熔池、蒸气和飞溅等区域。其反射的检测光经由滤光片、长焦显微镜头到达高速摄像机的视觉传感器上，形成飞溅的运动图像。
层内飞溅出射阶段原位监测中，照明光源产生的照明激光到达成形腔的粉床上，其光斑应覆盖粉床上的熔池、蒸气和飞溅等区域。其反射的检测光到达光电二极管传感器上，形成飞溅辐射特征图。其反射的检测光经由滤光片、长焦显微镜头到达高速摄像机的视觉传感器上，形成飞溅的运动轨迹。
层间飞溅回落原位监测中，照明光源产生的照明光到达成形腔的粉床上，应覆盖粉床的整个幅面区域。其反射的检测光到达多目镜头传感器上，形成飞溅回落分布图。在线LIBS成分分析装置获取回落飞溅的成分和含量信息。
在一些实施方式中，材料粉末粒径的选择适中，粒径尺寸过大则气固相互作用的效果不显著；颗粒粒径尺寸过小则不易观察，粉末粒径选择10~500 μm为宜。
在一些实施方式中，旁轴多目高速摄像装置配制有高速摄像机和旁轴激光照明光源，具体的旁轴多目高速摄像装置的时间分辨率可以为0.1μs~10μs，空间分辨率可以为1μm/pixel~10μm/pixel，每层采样时间可以为102~103μs。
在一些实施方式中，同轴单目高速摄像装置配制有高速摄像机和同轴激光照明光源，具体的同轴单目高速摄像装置的时间分辨率可以为10μs~100μs，空间分辨率可以为10μm/pixel~100μm/pixel，每层采样时间可以为101~103s。
其中，旁轴激光照明光源和同轴激光照明光源不仅能清晰观察到高温热飞溅，还能观察到温度相对较低的冷飞溅。激光照明光源的峰值功率均为100~500W，波长均为640±10nm或者810±10nm，脉冲持续时间均为20ns~2000ns。
在一些实施方式中，激光加热粉末产生的蒸气反冲压导致熔池“液基”出射熔滴飞溅和金属蒸气卷吸作用诱导的惰性卷吸气流导致基板“固基”出射粉末飞溅。高速摄像装置监测出射飞溅的运动学行为，光电二极管检测出射飞溅的辐射特征。
如图1所示，为一种激光增材制造过程中飞溅形成-出射-回落的全周期
原位监测方法的监测流程图。包括层内的飞溅形成阶段原位监测、层内的飞溅出射阶段原位监测和层间的飞溅回落原位监测。
（1）层内的飞溅形成阶段原位监测，如图2所示，在激光增材制造装置旁轴架设旁轴多目高速摄像装置，具体包括高速摄像机及激光照明光源，空间分辨率为3.7μm/pixel，时间分辨率为190ns；该装置采用两台Phantom V2012高速摄像机，摄像夹角20°，实验中的采集频率为100kfps，曝光时间为1μs，分辨率为512×320pixels；配备与高速摄像机同步的CAVILUX的大功率脉冲半导体激光照明光源，设置激光脉冲宽度为190ns，单脉冲能量为95μJ，可减少热影响区并提高成像对比度。此外，在高速摄像镜头前端还配备了波长810±10nm的Thorlabs窄带滤光片；
（2）层内飞溅出射阶段原位监测，如图3所示，在激光增材制造装置同轴架设同轴单目高速摄像装置及光电传感器，具体包括高速摄像机、光电传感器及激光照明光源，空间分辨率为10μm/pixel，时间分辨率为190ns。该装置采用Phantom V2012高速摄像机，实验中的采集频率为1kfps，曝光时间为1μs，分辨率为512×320pixels，采集时间为一层101~103s；采用的光电二极管为Thorlabs PDA100A2硅光电探测器，带宽11MHz，波长范围320~1100nm，采集频率1kfps；配备与高速摄像机同步的CAVILUX的大功率脉冲半导体激光照明光源，设置激光脉冲宽度为190ns，单脉冲能量为95μJ，可减少热影响区并提高成像对比度。此外，在高速摄像镜头前端还配备了波长810±10nm的Thorlabs窄带滤光片。
（3）层间飞溅回落原位监测，如图4所示，在激光增材制造装置旁轴架设多目摄像装置，具体包括多目摄像机、在线LIBS成分分析装置及照明光源。该装置采用多目摄像机，空间分辨率为3.7μm/pixel，实验中的采集频率为每层一个图像，曝光时间为0.1s，分辨率为512×320pixels。
参照图1所示的流程可以完成激光增材制造中飞溅形成-出射-回落的全周期原位监测，监测结束后，可以获得的数据包括飞溅的动力学行为（速度、角度）及形态特征、飞溅出射的运动轨迹、飞溅的数量、飞溅的热辐射特征、回落飞溅的分布特征、回落飞溅的成分和含量信息，可以采用统计学方法处理上述数据，探究激光增材制造中裂纹、孔洞、变形等演化与形成、建立“成分-工艺-特征”内在关联和实现构件质量调控与过程数据的可追溯，统计学方法有多种，在这里不做限定。
实施例1
本实施例采用气雾化AlSi10Mg铝合金球形粉末，其粒径范围通过Mastersizer3000测得粒径范围是19.9μm~53.9μm。平均粒径是32.8μm。如表2所示为该AlSi10Mg铝合金粉末的化学成分。
表2 实验采用AlSi10Mg铝合金粉末的化学成分
采用如图2所示的原位监测装置，飞溅形成阶段的原位监测过程如下：
（1）将AlSi10Mg铝合金球形粉末铺展到L-PBF增材制造装置的基板上，并覆盖激光行进的路径范围，制作粉末床；
（2）在L-PBF设备的熔池区域旁轴架设两台高速摄像机，使其像方视场覆盖高能束作用及附近区域。
（3）启动L-PBF设备的激光，激光按照规划路径对步骤S1制作的粉末床进行扫描；
（4）通过实验与数学变换对光电传感器及高速摄像装置进行标定；
（5）通过两台高速摄像机观测熔池上方的飞溅动力学行为；
（6）结合步骤S5得到的飞溅颗粒3D运动轨迹，获得飞溅颗粒的运动“速度-角度-时间”曲线，从而得到出射阶段飞溅颗粒动力学行为。
需要说明的是，双目视觉传感装置的两台高速摄像机所呈角度为20度，飞溅运动轨迹的观察和测量是在3D空间中。为提高L-PBF成形中激光与物质相互作用的清晰度，实验结果通过图像滤波算法增加了熔滴飞溅和粉末飞溅的图像锐度。此外，采用ImageJ1.53逐帧追踪飞溅和熔池的运动轨迹，进而计算出飞溅数量和尺寸、飞溅出射角度和出射速度等物理量。本申请人定义L-PBF成形中熔池和飞溅的“出射速度垂直分量”是垂直向上为正；“出射速度水平分量”是激光熔池行进的方向（水平向右）为正；“出射角度”为其运动方向与激光熔池行进的方向的夹角。
如图5所示，为实施例1的L-PBF成形中采集的未发生偏转的代表性飞溅颗粒的3D运动轨迹图。
下面从图5中选取一个代表性飞溅（P1）进行动力学行为研究：经过5次测量，可知该球形飞溅颗粒的平均半径r为14.2μm。飞溅颗粒在金属蒸气卷吸作用下沿蒸气出射方向运动。
如图6所示，飞溅颗粒P1在EV=100J·mm-3激光功率密度下形成轨迹的矢量图。如图7所示为飞溅颗粒P1的运动‘速度-角度-时间’曲线图，沿激光运动方向角度为0°，沿沉积方向角度为90°。飞溅在出光后t=650μs时出射角约为149.5°，出射速度垂直分量uv=0.28m·s-1，水平分量uh=-0.49m·s-1。根据牛顿第二定律计算出该球形飞溅颗粒所受作用力的公式为
ρπr3α
其中m为颗粒质量，ρ为颗粒熔融液态密度，r为颗粒半径，a为颗粒加速度。计算得到飞溅颗粒P1在形成阶段所受的蒸气抬升力Flift的最大值为2.39μN。
实施例2
与实施例1不同的是，实施例2选取了发生偏转的代表性飞溅进行研究。
如图8所示，为实施例2的L-PBF成形中采集的发生偏转的代表性飞溅颗粒的3D运动轨迹图。
下面从图8中选取一个代表性飞溅（P2）进行动力学行为研究：
如图8所示，为L-PBF成形中飞溅颗粒（P2）上表面受激光辐照产生蒸气反冲力导致其运动轨迹偏转图。经过5次测量，可知该球形飞溅颗粒的平均半径r为14.5μm。飞溅颗粒在金属蒸气卷吸作用下沿蒸气出射方向运动，当其穿过激光束时（t=720μs），迅速被加热变为明亮的熔融态飞溅或火花。受蒸气羽流大的反冲压力作用，高温颗粒的运动轨迹会发生剧烈变化。
如图9所示，飞溅颗粒P2在EV=100J·mm-3激光能量密度下形成轨迹的矢量图。如图10所示为飞溅颗粒P2的运动‘速度-角度-时间’曲线图，沿激光运动方向角度为0°，沿沉积方向角度为90°。飞溅在出光后t=650μs时出射角约为152.5°，出射速度垂直分量uv=0.32m·s-1，水平分量uh=-0.49m·s-1（负值表示与激光运动方向相反）。当激光束接近颗粒P2时，受金属蒸气羽流的抬升作用，在t=700μ时，出射角变化到135.4°，出射速度的水平分量为-0.57m·s-1,其垂直分量增加到0.71m·s-1，蒸气抬升加速度为0.78×105m·s-2。根据牛顿第二定律计算出该球形飞溅颗粒所受作用力的公式为
ρπr3α
其中m为颗粒质量，ρ为颗粒熔融液态密度，r为颗粒半径，a为颗粒加速度。计算得到飞溅颗粒P1在形成阶段所受的蒸气抬升力Flift的最大值为1.59μN。
随着激光运动，飞溅颗粒进入激光照射区域，在激光辐照下于t=720μs转变为白炽状态。温度随之急剧升高，达到沸点Tb时，颗粒的上部开始沸腾。产生的金属蒸气对颗粒施向下的反冲压力，使其运动轨迹发生剧烈的变化。如图10所示，在t=710μs~730μs极短的时间内，颗粒的出射角度从124.9°变化到-103.0°，出射速度的垂直分量uv从1.6m·s-1变化到-3.1m·s-1。通过对“速度-时间”求导可计算出颗粒的加速度ap。在颗粒P2运动轨迹的转折处（t=730μs），垂直方向的最大加速度为-4.9×105m·s-2。综合考虑该阶段飞溅颗粒在垂直方向上的蒸气抬升力Flift、蒸气反冲力Frecoil和重力，根据公式1计算出该阶段作用于球形颗粒上的蒸气反冲力Frecoil最大值为11.49μN。
采用上述方法对图10中的代表性飞溅颗粒分别进行动力学行为的测量和计算，并采用统计学方法对测量的数据进行拟合，可得到更接近真实值的数据。
实施例3
材料粉末同实施例1。
采用如图3所示的原位监测装置，飞溅的出射阶段原位监测过程如下：
（1）将AlSi10Mg铝合金球形粉末铺展到L-PBF增材制造装置的基板上，并覆盖激光行进的路径范围，制作粉末床；
（2）在L-PBF设备的成形腔顶部架设光电传感器及高速摄像装置，使其与加工激光同轴；
（3）启动L-PBF设备的激光，激光按照规划路径对步骤S1制作的粉末床进行扫描；
（4）通过实验与数学变换对光电传感器及高速摄像装置进行标定；
（5）通过光电二极管检测飞溅辐射特征。
（6）通过高速摄像装置观测并统计熔池上方飞溅的运动轨迹；
（7）结合步骤S5得到的打印过程中飞溅颗粒的辐射特征，得到打印过程中飞溅辐射特征的变化数据。
如图11所示，统计了特殊情况下（靠近出风口处部件打印时）不同能量密度下部分飞溅的运动轨迹，得到其出射角度、速度。平均出射速度和平均出射角度随能量密度的增加而增加。对于700J/m的激光线能量密度，飞溅出射平均速度的范围为0.23m/s至8.95m/s，平均值为3.35m/s。对于2100J/m的激光线能量密度，飞溅出射平均速度范围为1.56m/s至22.78m/s，平均值为7.89m/s。大多数飞溅向激光扫描路径的后方出射，而少数飞溅沿着激光扫描路径的前方出射。激光线能量密度为700J/m时，飞溅平均出射角θ的范围为83.97°至126.82°，平均值为115.23°，激光线能量密度为1400J/m时，飞溅平均出射角θ的范围为84.01°至152.98°，平均值为130.05°，激光线能量密度为2100J/m3时，飞溅平均出射角θ的范围为50.26°至163.11°，平均值为141.24°，激光线能量密度为2800J/m时平均出射角θ的范围为70.98°至175.03°，平均出射角θ的范围为149.01°。
如图12所示，为不同能量密度下飞溅的颗粒数量、直径。对飞溅直径的测量至少进行了三次逐帧处理。飞溅物的数量和粒径随着激光功率的增加而增加。
如图13所示，为光电二极管采集的打印过程中某一层的辐射数据，0~5之间为第n层铺粉阶段采集得到的辐射数据，5~35s之间为第n层层内采集得到的辐射数据，35~40s之间为第n+1层铺粉阶段采集得到的辐射数据。采用的光电二极管为Thorlabs PDA100A2硅光电探测器，带宽2.4MHz，波长范围340~1100nm，对飞溅的辐射特征进行检测。为避免引入太宽波段影响分析、排除反射的激光（1064±10nm）以及的干扰，故设置 400-950nm的带通滤光片，将处于辐射强度峰值附近的可见光及近红外波段光传输到光电二极管，光电二极管进一步将光信号转化为电信号进行存储，实现飞溅辐射强度信号的监控。光电二极管采样为f = 10Khz。打印过程中系统自动采集数据并与打印层数相关联，将每层中的不同构件的辐射数据分割开来，以便对相同构件不同层数的飞溅的辐射特征进行比对分析。激光扫描一层得到的数据保存为一个文件，大小在50MB左右。由于激光粉末床熔融过程打印层数多，所得到的数据量大。直接使用原始数据进行计算，会耗费大量的计算资源以及储存空间，实时分类十分困难，因此需要对数据进行进一步的数据处理、特征提取和特征选择。使用最大相关性最小冗余性（MRMR, Max-Relevance and Min-Redundancy）算法进行特征提取，对不同特征对于飞溅的重要性进行评分及排名。
实施例4
本实施例采用气雾化Hastelloy X粉末，其粒径范围通过Mastersizer3000测得粒径范围是19 µm (D10), 35 µm(D50) and 58 µm (D90)。如表3所示为该Hastelloy X粉末的化学成分。
表3.实验采用Hastelloy X粉末的化学成分
采用如图4所示的原位监测装置，飞溅的回落阶段原位监测过程如下：
（1）将Hastelloy X粉末铺展到L-PBF增材制造装置的基板上，并覆盖激光行进的路径范围，制作粉末床；
（2）在L-PBF设备的成形腔顶部架设旁轴静态多目摄像装置，使其像方视场覆盖加工区域的整个幅面；
（3）启动L-PBF增材制造装置的激光，激光按照规划路径对步骤S1制作的粉末床进行扫描；
（4）通过实验与数学变换对多目摄像装置进行标定，确定激光作用区域的坐标与高空间分辨成像坐标之间的对应关系；
（5）通过多目摄像装置观测飞溅的回落分布，通过在线LIBS成分分析装置得到回落飞溅的成分和含量信息。
需要说明的是，为提高L-PBF成形中回落飞溅的清晰度，实验结果通过图像滤波算法增加了回落飞溅的图像锐度。
如图14所示，为第n层回落飞溅分布图及不同构件上的回落飞溅数量的线图。实施例3中使用多目摄像机对回落飞溅的采集频率为每层一个图像，曝光时间为0.1s，所采集图像分辨率为125μm/pixel。在监测系统获取的每幅图像中，构建一个检测器来确定是否存在飞溅再沉积物及其位置并量化飞溅再沉积的发生率。
记采集图片像素的强度值为I（x，y），其所对应的拉普拉斯算子L（x，y）如下所示：
(1)
以0为中心，σ为高斯标准差的二维高斯拉普拉斯算子（LoG, Laplacian ofGaussian）函数表达式如下所示：
(2)
使用（2）中表达的高斯拉普拉斯算子与图像I（x，y）卷积来对回落飞溅进行检测。
如图15所示，使用LIBS在线分析系统对第n层的某一回落飞溅进行成分含量分析，得到的谱图与原料粉末的谱图有明显差别。
使用数据处理系统对得到的图片的数据进行收集、分析统计，整理得到的数据并添加到数据库中。
综上，通过综合运用“层内-旁轴-高时间分辨-逐点监测-飞溅运动状态” 、“层内-同轴-高时空分辨-长时间监测-飞溅运动轨迹”和“层间-旁轴-高空间分辨-全幅面监测-飞溅回落分布”的策略，可以实现对L-PBF飞溅“形成-出射-回落”全周期的原位监测，有助于反演飞溅对成形质量的影响。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技进行术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种激光增材制造飞溅形成-出射-回落全周期原位监测方法，其特征在于，所述原位监测由监测系统完成，所述监测系统包括高速摄像装置、多目摄像装置和光电传感器，包括以下具体步骤：
S1、将材料粉末铺展到激光增材制造装置的基板上，并覆盖激光行进的路径范围，制作粉末床；所述材料粉末的粒径为10~500 μm；
S2、飞溅形成阶段，在激光增材制造装置旁轴架设多目高速摄像装置，用于监测飞溅形成阶段的飞溅动力学行为；
飞溅出射阶段，在激光增材制造装置同轴架设单目高速摄像装置及光电传感器，用于监测出射阶段的飞溅运动学行为及辐射特征；
飞溅回落阶段，在激光增材制造装置旁轴架设多目摄像装置，使其像方视场覆盖粉末床的全幅面区域，用于监测飞溅回落阶段的飞溅分布状态及回落飞溅的成分和含量信息；
S3、启动激光增材制造装置的激光，激光按照规划路径对步骤S1制作的粉末床进行扫描；
S4、当在分层制造过程中，通过所述旁轴多目高速摄像装置观测熔池上方的飞溅的动力学行为及形态特征；所述动力学行为包括飞溅形成时的速度、角度和受力状态及其随时间的变化关系；
和/或，通过所述同轴单目高速摄像装置观测并统计形成阶段飞溅的运动学行为及统计学特征，通过所述光电传感器实时监控飞溅颗粒运动过程中的辐射特征；所述运动学行为包括飞溅出射的速度、角度，由此得到飞溅出射的运动轨迹，所述统计学特征包括飞溅的数量；所述辐射特征包括飞溅的热辐射特征；
当在逐层叠加过程中，通过所述多目摄像装置观测飞溅的回落分布，并在线分析回落飞溅的成分和含量信息；
S5、采集步骤S4获得的动力学行为、形态特征、运动学行为、统计学特征、辐射特征、回落分布、成分和含量的数据，统计分析，实现对飞溅“形成-出射-回落”全周期的原位监测。
2.如权利要求1所述的全周期原位监测方法，其特征在于，所述旁轴多目高速摄像装置配置有旁轴激光照明光源，所述旁轴多目高速摄像装置的时间分辨率为0.1μs~10μs，空间分辨率为1μm/pixel~10μm/pixel，每层采样时间102~103μs。
3.如权利要求2所述的全周期原位监测方法，其特征在于，所述同轴单目高速摄像装置配置有同轴激光照明光源，所述同轴单目高速摄像装置的时间分辨率为10μs~100μs，空间分辨率为10μm/pixel~100μm/pixel，每层采样时间101~103s。
4.如权利要求3所述的全周期原位监测方法，其特征在于，所述光电传感器包括光电二极管。
5.如权利要求3所述的全周期原位监测方法，其特征在于，所述多目摄像装置的空间分辨率为1μm/pixel~10μm/pixel，所述多目摄像装置在采集层间时获取不大于0.1秒曝光图像，并每层输出单个图像。
6.如权利要求5所述的全周期原位监测方法，其特征在于，所述旁轴激光照明光源、所述同轴激光照明光源的峰值功率均为100~500W，波长均为640±10nm或者810±10nm，脉冲持续时间均为20ns~2000ns。
7. 如权利要求5所述的全周期原位监测方法，其特征在于，所述旁轴多目高速摄像装置的像方视场范围为100~101 mm2，所述同轴单目高速摄像装置的像方视场范围为101~102 mm2，所述多目摄像装置的像方视场范围为全幅面~102 mm2。
8.如权利要求1所述的全周期原位监测方法，其特征在于，所述材料包括金属、陶瓷和高分子聚合物中的任一种。
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| CN116890122B (zh) | 2023-11-14 |
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