LENS與SLM金屬3D打印技術對比系列之熔池形態對比（二）

魔猴君  行業資訊   2558天前

在第一篇的文章中和大家簡單的了解LENS(LaserEngineeredNetShaping)與SLM（Selective Laser Melting）的技術原理和簡單的差異，這一次給大家帶來的是更深一步的分析對比——熔池形態。

高性能金屬零部件的激光3D打印技術與工藝復雜多變，使得不同工藝條件下熔池形貌、冷卻速度、冶金凝固組織等材料成型基礎問題完全不同。因此，比較分析這些基礎問題的演變規律將為準確控制與深入挖掘合金材料的組織與性能提供一定的理論依據。

在激光3D打印技術種，熔池是加工成型過程中最小的基本單元，熔池特征的穩定是整個加工過程乃至最終成型部件組織性能穩定的保障。分析不同工藝成形過程中熔池形貌特征的變化，是至關重要的因素。

先了解一下激光形態，如下圖這是激光的形態的示意圖，一般我們會采取能量比重集中的焦平面作為熔融面產生熔池。

熔池形貌特征的影響

在SLM激光3D打印過程中，隨著激光功率的增加，使得熔池的深度逐漸增加，熔池內部的流動性加強，熔池與周圍固體的接觸面積增加，使得熔池的散熱效率增加，冷卻速率增加。

在LENS工藝中，熔池在橫向方向尺寸較大，一般為mm級，甚至達到cm級，熔池在縱向方向穿透到基底中的深度則較淺，在SLM工藝中由于直徑與單層沉積厚度均較小，因此熔池尺寸一般為亞mm級，但是SLM工藝中熔池穿透到基底中的深度則相對增加，尤其在高功率SLM工藝中，熔池的穿透深度更大。

a.大光斑LENS

b.中光斑LENS

c.小光斑LENS

d.低功率SLM

e.高功率SLM

A.

B.

C.

D.

E.

上圖為左側為SLM（a）右側為LENS（b）成形過程中合金凝固時柱狀晶的生長和形核示意圖

LENS與SLM成形過程中，熔池的冷卻速度受多個因素的影響，比如：激光功率、掃描速度、光斑大小等與能量輸入相關的工藝參數，以及掃描方式、熔池形貌、沉積高度、甚至是基板溫度等與外在成形條件相關的因素。

研究發現，熔池冷卻速率隨著激光功率的增加而降低，隨著掃面速度的增加而增加，因此，在保證合金能夠充分熔化的前提下較低的激光功率與較高的掃描速度容易得到較高的冷卻速度。實際上激光功率與掃描速度的變化主要是導致了熔池能量輸入的變化，從而最終引起了冷卻速度的變化，在其他條件的情況下，熔池的能量輸入越多，冷卻速率越低，反之亦然。

除了能量輸入之外，熔池與基底之間的散熱效率也是影響冷卻速率的因素之一。隨著部件成形高度的增加，基板與已成形部分的溫度逐漸上升，熔池依賴基板及已成型部分進行散熱效率降低，導致冷卻速率隨成型高度的增加而降低。

而熔池形貌是影響散熱效果的另一個重要因素。隨著熔池深寬比的增加，熔池內部流動性加強，熔體的有效散熱效率增加，使得熔池的冷卻速率增加。

然而LENS 與SLM不同工藝中，隨著工藝參數與熔池形貌的變化，熔池的熱輸入與散熱效率更加復雜，冷卻速率差異也大。

高溫冶金熔池在高溫梯度、高冷卻速率條件下的快速凝固及逐層沉積過程，移動熔池中熔體的熱傳導行為以及晶體形核與長大過程直接決定了冶金組織特征（如晶粒尺、晶粒形態、晶體生長方向與晶界結構等）表現出對工藝參數和工藝過程的高敏感性及復雜多變性。

在LENS成形過程中，柱狀晶尺寸隨激光功率的增大而變大，隨掃描速度的增大而減小，同時在靠近基板區域的柱狀晶尺寸明顯小于遠離基板區域的柱狀晶尺寸。

在SLM成形過程中也發現類似的變化規律，在一次鈦合金TC4的打印中，由于冷卻速率的變化，在樣品的上、中、下三個部位，觀察到了不同尺寸α相和β相組織結構。冷卻速率越大，晶粒尺寸越小，反之晶粒尺寸越大。

來源：中國3D打印網