Science?Advances：金屬增材制造中增強光熱控制的無衍射光束整形

基于激光的金屬增材制造(AM)或三維(3D)打印在過去幾十年中獲得了巨大的吸引力，因為它為快速成型和制造具有超越傳統制造技術領域的卓越機械性能的復雜設計提供了一條前進的道路。激光粉末床熔融(L-PBF)已成為金屬3D打印的最高標準之一，即掃描過程激光束照射金屬粉末料床，以順序熔化并形成所需形狀的結構。然而，利用聚焦高斯光束制備粉末床熔融金屬增材制造時，會出現溫度梯度大、熔池不穩定性復雜，從而容易導致孔隙率高、形貌質量差、力學性能下降。

來自美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的Thejaswi U. Tumkur和Manyalibo J. Matthews團隊發現，與高斯光束相比，貝塞爾光束對不銹鋼(SS316L)熔池的時空控制有效性是前所未有的。值得注意的是，貝塞爾光束的無衍射特性使得在3D打印過程中對焦面定位有更大的容忍度。本文還證明了貝塞爾光束在較寬的掃描參數空間內顯著降低了小孔形成的傾向。對熔池演化和凝固動力學的高速成像揭示了貝塞爾光束穩定熔池湍流和增加熔池凝固時間的獨特機制，這是由于溫度梯度降低引起的。因此，本文在3D打印測試結構中觀察到高密度、降低表面粗糙度和強健的拉伸性能的顯著改進的組合。相關工作以題為“Nondiffractive beam shaping for enhanced optothermal control in metal additive manufacturing”的研究性文章發表在《Science?Advances》。

DOI：10.1126/sciadv.abg9358

貝塞爾光束的大焦深效應

典型的零級貝塞爾光束的特征光束分布，如圖1B所示，即有出一個明亮的中心核心，周圍環繞著被暗區隔開的同心環。焦深和瑞利范圍量化了光束的有效焦區的大小，或者間接地量化了在L-PBF中定位構建表面的容差。對于高斯光束而言，瑞利范圍z_rg∝(φ²_f/λ)，其中σ_f是焦點處的光束直徑(圖1C)。對于貝塞爾光束，中心芯的尺寸仍然是抗衍射的(在理想情況下，而對于有限大小的光闌，瑞利范圍是z_rg∝(D_aσ_f/λ)，其中D_a是孔徑直徑。顯然，貝塞爾光束的焦深可以比高斯光束大幾個數量級(圖1D)。實驗測量的高斯和貝塞爾光束的徑向強度分布記錄在焦點(z=0)和距離z=200 mm處，如圖1(E和F)所示。

圖1.高斯和貝塞爾光束形狀的強度分布示意圖。

光束整形對小孔傾向的影響

由于本文實驗中使用的參數空間相當大，因此很難將光束形狀對熔池幾何形狀的單獨影響從其他參數中分離出來(如圖2所示)。雖然體積能量密度Q是定性比較光束整形效果的信息參數，但在兩種光束形狀之間進行定量比較需要謹慎，特別是在探測較寬的參數空間時。對于高斯光束處理的軌道，在從導模熔化到小孔的轉變過程中，斜率有明顯的增加(~6.7倍)。對于使用貝塞爾梁產生的軌道，由于鎖孔開始而引起的斜率變化是存在的，但顯著減小(~1.6倍)，如圖3B所示。

圖2.光束形狀對熔池尺寸的影響。

圖3.歸一化熔池深度作為能量密度的函數。

熔池動力學的高速成像

本實驗中使用的工藝參數為：高斯光束照明{P=120W，175W；σ=90~175 um}；貝塞爾光束照明{P=250W，350W；σ=150~250 um}。在熔池的中心和邊緣測量了凝固時間(圖4)。從圖4中，本文注意到貝塞爾光束誘導的熔池在較寬的輸入能量密度范圍內需要更長的時間才能凝固。與中心區域相比，高斯和貝塞爾誘導的熔池在熔池外圍的凝固時間差更大(即，使用貝塞爾光束的凝固時間更長)(圖4C和D)。接下來，本文對熔池沿貝塞爾和高斯光束形狀處理的單軌傳播進行高速成像。圖5A顯示了激光開啟后在0.12毫秒到1.5毫秒之間以0.12毫秒的間隔捕獲的熔池的“側視圖”快照。掃描參數選擇為ΔH/h_s~6.2~6.5，兩種束流形狀的掃描速度均保持在143 mm/s。觀察熔池蒸汽沿單道的演化(圖5A)，很明顯，與以蒸汽羽流角度(相對于水平面)強烈變化為特征的貝塞爾光束相比，高斯光束在熔池中產生更多的湍流波動。

圖4.靜態熔池的高速成像。

圖5.生長中的熔池的高速成像。

打印表面更光滑、孔隙率更低的超高密度部件

圖6(A和B)顯示了分別用高斯光束和貝塞爾光束打印的建成立方體的平均表面粗糙度值，作為它們的相對密度的函數，這些點被顏色映射到ΔH/h_s值。本文將使用貝塞爾光束所能實現的高密度和更光滑的地形相結合歸因于：(i)減少了小孔傾向，通過減少邊緣的小孔孔隙率來最小化側壁粗糙度；(ii)由于更穩定的熔池動力學減少了飛濺，這減少了未熔化缺陷和孔隙率；以及(iii)熔池傾向于在更長的時間內保持液態(由于冷卻速率較長)，從而最小化了空間漂移。圖6(C和D)顯示了從真實應力-應變曲線提取的屈服應力(YS)和均勻伸長率(UE)值(每個梁形狀執行了八次拉伸測試，載荷沿構建軸施加)作為能量密度的函數。貝塞爾光束(圖6D)的強度和延展性與高斯光束(圖6C)相當。

圖6.光束整形對機械性能的影響

圖7.兩種光束形狀的G-R凝固圖。

小結

雖然本文的研究沒有在光束整形的背景下考慮粉末尺寸分布的影響，但本文認為使用貝塞爾光束的有益結果將適用于尺寸接近或小于光束直徑的粉末粒子的在3D打印中的應用。在這種情況下，貝塞爾光束的空間分布可以作為一種自由度，使得只有光束的中心核心超過熔化閾值，而更寬的貝塞爾環中的功率分布可以簡單地用于粉末床的退火或最大限度地保溫。然而，如果粉末顆粒的尺寸接近加工激光束的波長，Mie共振或反常散射效應可能開始占據主導地位，并影響粉末床的吸收率或激光與羽流相互作用的強度。本文預計，貝塞爾光束整形對光學和吸收率相關熱現象的影響，如焦面公差、熔池湍流和穿孔傾向（如這里針對SS316L所報道的）可能定性地適用于廣泛的金屬和合金，盡管由此對其他材料的微觀結構和機械性能的影響需要進一步研究。

本文由SSC供稿。