勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的研究人員已經(jīng)通過在激光加工過程中測(cè)量從不銹鋼表面發(fā)出的電子來提高基于激光的金屬3D打印技術(shù)的可靠性，邁出了令人鼓舞的一步。

研究人員使用定制的測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)和電流前置放大器收集了在激光粉末床熔合(LPBF)條件下從316L不銹鋼獲得的熱電子發(fā)射信號(hào)，該放大器測(cè)量了金屬表面和腔室之間的電子流動(dòng)。然后他們使用產(chǎn)生的熱電子發(fā)射來識(shí)別由激光-金屬相互作用引起的動(dòng)力學(xué)?！锻ㄓ嵅牧稀冯s志于11月27日在線發(fā)布了該作品。

研究小組說，這些結(jié)果說明了熱電子發(fā)射檢測(cè)技術(shù)能夠檢測(cè)出激光驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象的可能性，這些現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致零件缺陷，優(yōu)化制造參數(shù)并提高對(duì)LPBF工藝的了解，同時(shí)還可以補(bǔ)充現(xiàn)有的診斷功能。研究人員說，捕獲電子熱輻射的能力將有助于加深對(duì)LPBF工藝中涉及的激光材料相互作用動(dòng)力學(xué)的基本了解，并支持更廣泛的技術(shù)成熟社區(qū)建立使用該技術(shù)制造的零件的信心。

首席研究員艾登·馬丁說：“生產(chǎn)無缺陷零件是金屬增材制造(AM)在商業(yè)上廣泛采用的主要障礙。” “ LLNL研究人員一直在通過開發(fā)過程和診斷工具來改善金屬增材制造的可靠性來解決這個(gè)問題。這種新的方法論對(duì)這些現(xiàn)有的診斷工具進(jìn)行了補(bǔ)充，以加深我們對(duì)3D打印過程的理解。我們的下一步是擴(kuò)展該技術(shù)進(jìn)入在全尺寸LPBF系統(tǒng)上運(yùn)行的傳感器，以提高對(duì)內(nèi)置零件質(zhì)量的信心。”

研究人員說，盡管已經(jīng)進(jìn)行了大量研究以通過光學(xué)成像，X射線射線照相或測(cè)量熱或聲信號(hào)發(fā)射來理解和測(cè)量LPBF如何印刷零件，但熱離子發(fā)射卻被忽略了。但是，通過觀察和分析激光加工過程中發(fā)射的電子，實(shí)驗(yàn)室研究人員證明了它們可以將熱電子發(fā)射的增加與表面溫度和激光掃描條件聯(lián)系在一起，從而導(dǎo)致孔形成和零件缺陷。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬，研究人員報(bào)告了熱離子發(fā)射信號(hào)呈指數(shù)增長，熔池深度隨局部能量密度呈線性增加，證明了金屬表面溫度對(duì)熱離子發(fā)射的“臨界依賴性”，以及將熱離子信號(hào)用作熱電偶的效用。 LPBF中優(yōu)化激光聚焦的方法。

第一作者和LLNL工程師Phil DePond說：“金屬增材制造中的電子發(fā)射通常被社區(qū)所忽視，我們很高興看到它對(duì)工藝條件的極端敏感性。”

研究小組的觀察結(jié)果表明，LPBF工藝過程中的等離子體形成可能是由電子從金屬表面噴射到氬氣氣氛中并與激光相互作用而引起的，他們先前將這種現(xiàn)象歸因于汽化金屬被激光束電離。

研究人員說，熱電子發(fā)射對(duì)表面溫度和表面形態(tài)的高度敏感性使他們能夠確定傳導(dǎo)和鎖孔形成之間的確切過渡點(diǎn)，從而導(dǎo)致零件中形成孔。他們得出的結(jié)論表明，熱電子信號(hào)可與傳統(tǒng)的LPBF數(shù)據(jù)收集和處理方法一起有效使用，提高了激光與材料相互作用的科學(xué)知識(shí)，并確定了可能出現(xiàn)缺陷的地方。

共同作者兼激光材料交互作用科學(xué)小組負(fù)責(zé)人Manyalibo“ Ibo” Matthews說，這項(xiàng)研究從更廣泛的意義上說，“代表著建立有效的原位監(jiān)測(cè)功能的重要步驟，可以加快LPBF組件的鑒定和認(rèn)證。