在第一篇的文章中和大家簡(jiǎn)單的了解LENS(LaserEngineeredNetShaping)與SLM（Selective Laser Melting）的技術(shù)原理和簡(jiǎn)單的差異，這一次給大家?guī)?lái)的是更深一步的分析對(duì)比——熔池形態(tài)。

高性能金屬零部件的激光3D打印技術(shù)與工藝復(fù)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(chǔ)問(wèn)題完全不同。因此，比較分析這些基礎(chǔ)問(wèn)題的演變規(guī)律將為準(zhǔn)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(jù)。

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

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

熔池形貌特征的影響

在SLM激光3D打印過(guò)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(nèi)部的流動(dòng)性加強(qiáng)，熔池與周?chē)腆w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(jí)，甚至達(dá)到cm級(jí)，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(jí)，但是SLM工藝中熔池穿透到基底中的深度則相對(duì)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(cè)為SLM（a）右側(cè)為L(zhǎng)ENS（b）成形過(guò)程中合金凝固時(shí)柱狀晶的生長(zhǎng)和形核示意圖

LENS與SLM成形過(guò)程中，熔池的冷卻速度受多個(gè)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(guān)的工藝參數(shù)，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(guān)的因素。

研究發(fā)現(xiàn)，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(shí)際上激光功率與掃描速度的變化主要是導(dǎo)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(lài)基板及已成型部分進(jìn)行散熱效率降低，導(dǎo)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(gè)重要因素。隨著熔池深寬比的增加，熔池內(nèi)部流動(dòng)性加強(qiáng)，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(shù)與熔池形貌的變化，熔池的熱輸入與散熱效率更加復(fù)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(guò)程，移動(dòng)熔池中熔體的熱傳導(dǎo)行為以及晶體形核與長(zhǎng)大過(guò)程直接決定了冶金組織特征（如晶粒尺、晶粒形態(tài)、晶體生長(zhǎng)方向與晶界結(jié)構(gòu)等）表現(xiàn)出對(duì)工藝參數(shù)和工藝過(guò)程的高敏感性及復(fù)雜多變性。

在LENS成形過(guò)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(shí)在靠近基板區(qū)域的柱狀晶尺寸明顯小于遠(yuǎn)離基板區(qū)域的柱狀晶尺寸。

在SLM成形過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的變化規(guī)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(gè)部位，觀察到了不同尺寸α相和β相組織結(jié)構(gòu)。冷卻速率越大，晶粒尺寸越小，反之晶粒尺寸越大。

來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)