几周前，我拜访了吕勒奥理工大学的亚历山大·卡普兰教授。卡普兰教授来自奥地利，已在吕勒奥理工大学从事激光物理、焊接和增材制造研究超过20年。在回顾他近期研究成果时，我注意到他团队发表的一篇论文，主题乍看之下有些基础：粉末吸收率。该论文题为"激光增材制造粉末条件的吸收率研究"，测量了增材制造用金属粉末在330至1560纳米波长范围内的吸收率，覆盖紫外、可见光和近红外波段，包含多种与工业激光加工相关的波长。
这项研究超越了通常对吸收问题的讨论范畴。它提醒我们，在激光粉末床熔融（L-PBF）中，粉末并非仅仅是等待熔化的材料——颗粒本身也是光学系统的一部分。卡普兰教授指出："尽管激光束制造工艺已应用于许多工业领域，但吸收机制和能量损失的程度仍然鲜为人知。据估算，通常有30%到70%的激光束功率因反射而损失。对吸收的更深入理解，有望大幅提升工艺效率和质量可控性。"该研究涵盖了来自16种不同材料的39个粉末样品，其范围之广超出我的预期：包括多种钢材（如316L型材料、H13、630不锈钢和Inconel 718）、铝合金（如AlSi10Mg和AlSi40）、钛及Ti-6Al-4V、镍钛诺、铬、铜、黄铜、铁矿石，以及一种TiCoCrFeNiMo高熵合金。
本研究中研究的八种粉末的吸光光谱。红线表示1070纳米的激光波长
研究人员还改变了粉末条件，考察了不同粒径分级、新旧粉末、储存与氧化粉末、老化AlSi10Mg以及粉末混合物。这使得该论文与日常增材制造的相关性比标题所暗示的更为紧密。在增材制造中，我们通常讨论能量输入，仿佛它完全由机器定义：激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚。根据这些数值，我们计算能量密度并定义工艺窗口。这并非错误，但不够完整。机器决定了光束传递的能量，而粉末床则影响着其中有多少能量被实际吸收。
粉末床并非平坦的金属表面。它是一个由颗粒、空隙、氧化层、卫星颗粒、不规则接触点和局部角度组成的粗糙颗粒结构。激光束可以从一个颗粒反射到另一个颗粒，进入空隙，发生散射，或者比在平坦抛光表面上停留更长时间。这就是为什么该论文发现粉末的实测吸收率高于平坦材料表面计算值的原因之一——粉末几何形状有助于吸收，激光在能量逃逸之前有不止一次与材料相互作用的机会。对于任何从事粉末床熔融工作的人来说，这听起来合乎逻辑，但看到它跨多种材料被测量出来仍然很有价值。在实际的L-PBF工艺中，光束不仅与松散粉末相互作用，部分能量还与熔池相互作用，而熔池的吸收条件不同。粉末床吸收与熔池吸收之间的平衡在加工过程中会发生变化。吕勒奥的研究聚焦于该相互作用中粉末床的部分。数据还显示了波长为何重要。研究发现，在常见的1070纳米近红外波长附近，材料之间的吸收率差异比在450纳米、635纳米和650纳米等较短波长处更大。作者报告称，在这些较短波长下，材料间的吸收率差异较小，这有助于解释为什么短波长激光器对高反射材料变得有吸引力。
铜在大多数光纤激光器使用的近红外波长处反射强烈，这也是绿光和蓝光激光器在铜L-PBF中变得重要的原因之一。吕勒奥的研究与此相符：铜在可见光范围内的吸收率要高得多，而在近红外范围内则下降。但吸收率只是铜加工难题的第一部分。即使激光波长匹配更好并能生产出成品零件，铜仍然是高要求材料。其高热导率会迅速带走热量，可能使熔池不稳定。如果工艺控制不当，仍然可能出现未熔合缺陷、锁孔孔隙、残余应力、局部开裂和性能变化等问题。对于高导电性铜零件，当应用依赖于电学或热学性能而不仅仅是密度时，微小缺陷可能至关重要。
在吸光度研究中评估了不锈钢、铝、铜、铁矿石和黄铜材料的粉末形态
这就是吸收率数据有用的原因——即使业界已经知道绿光激光器有帮助。它为工艺难题增添了另一块拼图：粉末条件如何影响能量传递的第一步。如果粉末表面、粒径、氧化状态或重复使用历史改变了吸收的能量，那么它也会改变后续的热历史。对于铜来说，这种热历史往往是材料质量问题开始出现的地方。铝是另一个有用的例子。铝粉末的行为并不像平坦表面计算所暗示的那样，因为粉末床改变了相互作用。研究还表明，老化和氧化层形成会影响AlSi10Mg的吸收行为。这很关键，因为铝粉末会自然形成氧化层，而这些氧化层是实际工艺的一部分，并非实验室的麻烦。
对于1.4404和1.4542钢粉，较小粒径分级的粉末显示出比大粒径粉末更高的吸收率。作者报告称，1.4404的平均增幅约为6%，1.4542约为2.4%。解释很简单：更细的粉末具有更大的表面积，创造了更多多重反射的机会。更重要的是，这一效应被测量了出来，有助于解释为什么即使合金相同，粉末规格的变化也会改变工艺。
该论文还研究了粉末老化、储存和使用的影响。储存的钛粉、使用过的钢粉、氧化的铜和老化AlSi10Mg的行为都与新鲜或未处理粉末不同。这些影响并非均匀一致。粉末条件并非以可预测的方式改变单一属性；它根据材料不同，以不同方式影响表面特性、化学成分、形态和光学响应。
铜氧化是一个清晰的例子。氧化铜显示出与新鲜铜不同的吸收曲线。AlSi10Mg在老化后表现不同，使用过的钢粉也与新粉末不同。这些恰恰是生产中可能出现的差异类型，其中粉末被储存、重复使用、筛分、混合和处理。该研究包括了旨在代表粒径、合金化或杂质变化的粉末混合物，以及一种高熵合金混合物。在某些情况下，混合物的吸收率可以从其组分估算，但并非完美。作者指出，密度、粒径、偏析和不均匀分布的差异会影响结果。当粉末被混合、回收或来自控制较差的原料时，人们可能倾向于将其视为成分的简单平均值。该论文表明，粉末床并不总是如此规整地表现。
新鲜粉末与受储存、重复使用、氧化和老化影响的粉末的吸光光谱对比
这并不意味着回收或使用过的粉末不合适，也不意味着粉末条件的每一个微小变化都会破坏工艺。它意味着粉末条件会影响能量耦合，并有助于解释为什么工艺参数有时可能需要调整。粉末质量通常通过化学成分、粒径分布、流动性、表观密度、氧含量和水分含量以及重复使用限制来评估。这些仍然是必要的，但吕勒奥的研究增加了另一个实际层面：同一种粉末也可能需要被理解为一种能量耦合表面。
其他研究已从不同角度探讨了同一问题。关于L-PBF的原位研究表明，加工过程中的吸收率可能与静态测量和液态金属估算值不同。熔池形成过程中的直接测量也表明，吸收率并非一个脱离过程的固定数值。最近关于纹理化或改性粉末的研究表明，粉末表面可以被设计以改变激光吸收。
综合来看，这些研究从不同方向得出了相同的结论：吸收率随材料条件和加工环境而变化。随着增材制造进一步进入生产领域和材料重复使用，这一点将变得更加重要。生产中的粉末不会保持完美状态。它以不同方式被储存、干燥、筛分、重复使用、混合和处理。在许多工厂中，粉末历史成为工艺历史的一部分。对于关键零件，答案通常是更严格的控制：更好的粉末规格、更好的来料检验、更好的重复使用规则、更好的可追溯性。所有这些因素也会增加成本。为了使增材制造更易于采用且更具成本竞争力，一个实际问题是一个工艺在变得不稳定之前能容忍多少粉末变化。吕勒奥的研究并未直接回答这个问题。它测量了吸收率，但这些测量有助于解释粉末变化进入工艺的一种方式：通过能量吸收的变化，而在L-PBF中，这与波长和光学相互作用直接相关。对于电子束粉末床熔融，类似的研究也会很有趣，但情况会有所不同。
来源：中国3D打印网编译文章！
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