[论文解读] The influence of divergent laser beams on the laser powder bed fusion of a high reflectivity aluminium alloy

Sagar Patel, Haoxiu Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 64被引用 4

一句话总结

本研究提出采用发散激光束稳定高反射率 AlSi10Mg 的激光粉末床熔融（LPBF）传导模式熔化，实现超过 99.98% 的致密度，且近似无亚表面孔隙。该方法通过避免过渡态和小孔态，抑制熔池不稳定性，传导模式与过渡态之间的临界纵横比阈值约为 0.4。

ABSTRACT

The laser powder bed fusion (LPBF) of aluminium alloys is associated with numerous challenges when compared to other commonly used alloys (e.g., steels and titanium alloys) due to their higher reflectivity and thermal conductivity. This leads to a higher defect density in the final parts, commonly related to melt pool instabilities in the transition and keyhole melting modes. In this work, a laser beam defocusing strategy using a divergent beam is proposed to achieve a stable conduction mode microstructure in AlSi10Mg, a eutectic Al composition that is most studied in LPBF. The effects of conduction, transition, and keyhole melting modes on the final part are studied in detail using processing diagrams, metallography, and X-ray computed tomography. The conduction mode LPBF of AlSi10Mg leads to parts with densities of over 99.98%, with close to no porous defects in the subsurface regions, which are known to directly affect the fatigue life of the final parts. The threshold between conduction and transition mode melt pools is also observed to be at a melt pool aspect ratio (ratio of melt pool depth to width) of about 0.4, which differs from the conventionally assumed 0.5. Additionally, a significant difference is observed in the standard deviation of the melt pool depths for the transition and keyhole mode melt pools, when compared to the conduction mode melt pools. This points to the large differences in laser absorptivity between melting modes, that are exaggerated by the onset of vaporization expected for transition and keyhole mode melting during LPBF of high reflectivity aluminium alloys.

研究动机与目标

• 解决高反射率铝合金（如 AlSi10Mg）在激光粉末床熔融（LPBF）过程中熔池不稳定性的问题。
• 克服 AlSi10Mg 的高反射率和高热导率，这些特性在传统 LPBF 中导致缺陷和工艺可制造性差。
• 通过使用发散激光束实现传导模式熔化的稳定，避免过渡态和小孔态。
• 以熔池纵横比量化传导模式与过渡模式之间的临界阈值。
• 最大限度减少亚表面孔隙，以提升 LPBF 制造的 AlSi10Mg 零件的疲劳寿命。

提出的方法

• 采用发散激光束增大光束直径并降低功率密度，促进稳定的传导模式熔化。
• 利用工艺图谱，基于激光功率和扫描速度映射传导、过渡和小孔熔化模式之间的转变。
• 进行金相分析，评估最终零件的显微组织和孔隙率。
• 应用 X 射线计算机断层扫描（XCT）对孔隙率进行量化和定位，尤其关注亚表面区域。
• 测量熔池纵横比（深/宽）以识别传导模式与过渡模式之间的临界阈值。
• 分析不同熔化模式下熔池深度的标准差，以评估工艺稳定性及吸收率的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 AlSi10Mg 的 LPBF 中，区分传导模式与过渡模式的临界熔池纵横比是多少？
• RQ2 使用发散激光束如何影响 LPBF 制造的 AlSi10Mg 中孔隙率和显微组织的形成？
• RQ3 在高反射率铝合金中，传导、过渡和小孔模式下的熔池深度变异性有何差异？
• RQ4 在 AlSi10Mg 的 LPBF 过程中，过渡至小孔模式在多大程度上增加了激光吸收率和工艺不稳定性？
• RQ5 在 AlSi10Mg 零件中，能否通过发散光束实现传导模式 LPBF 并达到接近理论致密度？

主要发现

• 采用发散光束的传导模式 LPBF 制造出的 AlSi10Mg 零件致密度超过 99.98%，表明接近理论致密度且孔隙率极低。
• 传导模式与过渡模式之间熔池的临界阈值出现在熔池纵横比约为 0.4 处，挑战了传统认为 0.5 为临界值的假设。
• 在过渡模式和小孔模式下，熔池深度的标准差显著高于传导模式，表明稳定性更差。
• 过渡模式和小孔模式下标准差的增加归因于汽化开始后激光吸收率更高且更易波动。
• 作为疲劳寿命降低的主要因素，亚表面孔隙在传导模式加工条件下几乎被完全消除。
• 发散光束策略通过维持稳定的传导模式熔化，有效抑制了小孔形成及其相关缺陷。