激光功率與底面狀態(tài)對(duì)選區(qū)激光熔化球化的影響

馮一琦，謝國(guó)印，張璧，喬國(guó)文，高尚，白倩,*

1. 大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，大連 116024 2. 中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán) 西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安 710021 3. 南方科技大學(xué) 機(jī)械與能源工程系，深圳 518055

選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)是一種利用激光束照射特定區(qū)域的金屬粉末使其熔化再凝固并逐層累積的加工方法[1-2]。相比送粉式的激光熔覆工藝，鋪粉式的SLM具有較低的表面粗糙度、較高的幾何精度和較好的機(jī)械性能，因而SLM在航空航天、汽車制造以及醫(yī)療等行業(yè)有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。

然而，由于SLM的工藝特性易導(dǎo)致成形件存在諸多缺陷：由于粉末疏松堆積，鋪粉層內(nèi)部的空隙容易導(dǎo)致成形件產(chǎn)生氣孔和開(kāi)裂等缺陷[4-5]，限制了SLM的應(yīng)用范圍。為了解決這些問(wèn)題，一部分學(xué)者采用傳統(tǒng)的試錯(cuò)法，即通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)探索成形質(zhì)量佳的工藝窗口[6-7]，此種方法可以直觀獲得合理的工藝參數(shù)，但耗時(shí)耗力，難以揭示缺陷形成的機(jī)理[7]。一部分學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法來(lái)優(yōu)化激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)，取得了積極的進(jìn)展[8-13]。

為了研究SLM加工過(guò)程中缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，通常需要建立粉末尺度下的仿真模型。SLM主要分為鋪粉和激光加工階段，一般采用離散元方法(Discrete Element Method, DEM)模擬鋪粉過(guò)程中粉末相互作用；采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)，通過(guò)有限單元法(Finite Element Method, FEM)或有限體積法(Finite Volume Method, FVM)等模擬激光加工過(guò)程中熔池流動(dòng)行為以及溫度場(chǎng)，進(jìn)而探究熔道形貌、熔池穩(wěn)定性和熔池溫度的相互關(guān)系以及氣孔、球化等缺陷的形成機(jī)理。對(duì)于粉末尺度下的鋪粉模型，Zhou等[14]在研究選區(qū)激光燒結(jié)過(guò)程時(shí)提出了平均配位數(shù)和堆積密度兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)量化分析粉床的堆積質(zhì)量；Chen等[11]使用DEM模擬了直角刮板鋪粉的粉末流動(dòng)性問(wèn)題，認(rèn)為降低粉末之間的摩擦系數(shù)有助于提高粉末流動(dòng)性。Xiang等[15]使用DEM探究了鋪粉層高度與堆積密度的關(guān)系，認(rèn)為提高鋪粉層高度有助于提高堆積密度。粉末堆積密度越大，致密度越高，空隙率越小，成形件的氣孔率越低[16]。Xia等[8-10]利用FVM建立了SLM的CFD模型，探究了掃描間距、掃描速度等對(duì)熔道形貌、氣孔性的影響。Khairallah等[12]使用FEM在平坦基板上建立了高精度的SLM單道掃描模型，探究了氣孔與熔池表面和內(nèi)部流體流動(dòng)行為的關(guān)系。Panwisawas等[13]利用FVM建立了SLM單道掃描的CFD模型，研究了不同鋪粉層厚度時(shí)熔道的形態(tài)和氣孔特征。

對(duì)于SLM過(guò)程，鋪粉時(shí)刮板移動(dòng)速度、刮板幾何形狀以及鋪粉層厚度等參數(shù)對(duì)粉末的堆積密度、孔隙率等產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響后續(xù)的激光加工過(guò)程和成形件質(zhì)量[16]。以往利用粉末尺度的SLM仿真模型研究激光功率與熔池流動(dòng)行為關(guān)系時(shí)，常采用規(guī)則或簡(jiǎn)單隨機(jī)分布的粉末分布模型，并將鋪粉層的底面簡(jiǎn)化為理想平面，但實(shí)際加工中，鋪粉過(guò)程與激光加工過(guò)程往往發(fā)生在具有較大粗糙度的增材表面上，底面粗糙度對(duì)鋪粉層的粉末分布與熔池流動(dòng)行為不可忽略。

本文建立了SLM過(guò)程中DEM-CFD順序模擬模型，首先使用DEM建立了粉末尺度下的鋪粉模型，研究了不同的基板粗糙度對(duì)鋪粉粉末分布的影響。然后將不同基板粗糙度下鋪粉層模型導(dǎo)入CFD模型中在不同功率條件下進(jìn)行激光加工過(guò)程的仿真模擬，得出了熔池的流動(dòng)行為及溫度梯度信息。通過(guò)SLM實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，最終獲得激光功率、基板粗糙度對(duì)熔池流動(dòng)行為和表面形貌的影響規(guī)律。

圖1 馬氏體時(shí)效鋼粉末
Fig.1 Powders of Maraging steel

1 鋪粉模型的建立

采用馬氏體時(shí)效鋼粉末(見(jiàn)圖1(a))進(jìn)行鋪粉研究，經(jīng)Malvern Mastersizer 3000激光粒度儀分析，初始粉末粒度遵循如圖1(b)所示的對(duì)數(shù)正態(tài)分布，平均粒徑37 μm，有較大一部分粉末的直徑超過(guò)了鋪粉層厚度40 μm，最大粒徑達(dá)到了90 μm以上但含量較少。

采用線性彈簧接觸模型[17]定義粉末之間以及粉末與壁面之間力學(xué)行為。在線性彈簧接觸模型中，粉末之間相互作用力被簡(jiǎn)化為分別存在于法向和切向的兩個(gè)線性彈簧。法向和切向的剛度計(jì)算式為

(1)

(2)

式中：kn和ks分別為粉末的法向和切向剛度；E為粉末材料的彈性模量，通常設(shè)為塊體彈性模量的1%從而降低計(jì)算成本[11]，本文中馬氏體時(shí)效鋼粉末的彈性模量設(shè)為2 GPa；n為法向切向剛度比，設(shè)為0.5；R為粉末半徑，R1和R2分別為兩個(gè)粉末的半徑。在計(jì)算過(guò)程中，只有當(dāng)兩個(gè)粉末被檢測(cè)為接觸時(shí)，線性彈簧接觸模型才會(huì)被激活，計(jì)算法向力Fn和切向力Fs的表達(dá)式為

(3)

(4)

為了研究不同的鋪粉層底面粗糙度對(duì)鋪粉過(guò)程的影響，首先建立2種不同基板底面，如圖2(a)所示，第1種為經(jīng)減材加工后的平坦底面，表面粗糙度為0.2 μm，建模時(shí)使用平面代替，將摩擦系數(shù)設(shè)為0.18；圖2(b)為具有典型增材面特征(見(jiàn)圖2(c))的底面，由多條相隔80 μm的熔道相互搭接而成，沿垂直熔道方向的粗糙度為6.98 μm，與典型SLM增材底面的粗糙度相似(約7.084 μm)。兩圖中vs代表刮板的移動(dòng)速度，為2 000 mm/min，rs表示刮板圓弧端半徑，為3.5 mm。計(jì)算開(kāi)始之前，首先在底面上生成一定量的粉末，然后采用半徑3.5 mm的半圓形刮板在距離鋪粉層底面40 μm

圖2 鋪粉模型示意圖
Fig.2 Schematic diagram of powder spreading model

的平面上平移進(jìn)行鋪粉過(guò)程模擬。經(jīng)過(guò)鋪粉模型計(jì)算的結(jié)果作為鋪粉層初始模型導(dǎo)入到后續(xù)的SLM-CFD模型中(見(jiàn)圖3)。

2 SLM單道掃描CFD模型的建立

為了研究SLM單道掃描時(shí)熔池內(nèi)部的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，需要建立粉末尺度下的CFD模型。如圖3所示，本模型考慮了熱對(duì)流、熱輻射和蒸發(fā)散熱因素。SLM加工過(guò)程中，激光的熱流密度一般呈高斯分布，在本模型中引入按穿透深度呈指數(shù)衰減的高斯熱源模型[8,18-19]：

(5)

式中：QL為激光熱源的熱流密度；A為吸收率；P為激光功率；ω為激光半徑；δ為穿透深度，設(shè)為12 μm；r為距激光中心點(diǎn)的距離；z代表z方向坐標(biāo)；zs表示照射平面的高度，設(shè)為40 μm。

圖3 熔池CFD模型示意圖
Fig.3 Schematic diagram of molten pool CFD model

3 選區(qū)激光熔化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用日本沙迪克公司(Sodick Co. Ltd.)提供的馬氏體時(shí)效鋼(18Ni-300)金屬粉末，如圖1(a)所示。使用Malvern Mastersizer 3000進(jìn)行粒度檢測(cè)，其平均粒徑為37 μm，略小于鋪粉層厚度40 μm，整體呈球形。SLM設(shè)備采用Sodick OPM250L增減材復(fù)合制造機(jī)床，激光器為光纖激光器，激光波長(zhǎng)為1 070 nm，最大功率為500 W，最大掃描速度為5 000 mm/s。保護(hù)氣采用氮?dú)猓尚颓粔毫εc大氣壓保持一致。在不同工藝參數(shù)下分別在平坦底面和增材底面上進(jìn)行SLM單道掃描，工藝參數(shù)如表1所示。加工完成后，采用KYENCE VHX-600E超景深顯微鏡對(duì)成形表面和熔道進(jìn)行觀察。

表1 SLM單道掃描實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4 結(jié)果與討論

4.1 平坦底面與增材底面鋪粉對(duì)粉末分布的影響

鋪粉模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。鋪粉后的粉末分布與基板底面粗糙度有重要的關(guān)系：增材底面上經(jīng)鋪粉后具有更為密集的粉末分布；而平坦底面的模型中粉末出現(xiàn)了聚集，并伴隨有未能填充粉末的空白區(qū)域(見(jiàn)圖4(a)中箭頭所示)。這主要是因?yàn)樵诜勰┲写嬖谝徊糠至捷^大的粉末，鋪粉過(guò)程中，這部分粉末在刮板的作用下向左右推開(kāi)較小粒徑的粉末，從而在其后方形成一片空白區(qū)域。當(dāng)大粒徑粉末所受的來(lái)自刮板和其他粉末的壓力逐漸增大到一個(gè)閾值，產(chǎn)生的沿刮板切向的力會(huì)使大粒徑粉末與刮板之間產(chǎn)生滑移。隨著滑移距離的增大，大粒徑粉末發(fā)生彈性變形最終越過(guò)刮板最底部，留在底面上。典型增材底面上擁有分布更為密集的粉末，主要是因?yàn)榈酌嫔系陌枷萏帪榉勰┨峁┝烁嗟目臻g，同時(shí)粗糙底面又會(huì)阻礙粒徑較大粉末隨刮板移動(dòng)，使粒徑較大的粉末更容易留在底面上。圖4(b)與圖4(d)分別為采用實(shí)驗(yàn)機(jī)床對(duì)平坦底面和增材底面進(jìn)行鋪粉實(shí)驗(yàn)獲得的粉末分布結(jié)果，圖4(b)中也出現(xiàn)了空白區(qū)域，圖4(d)中粉末分布較為密集，鋪粉模型計(jì)算結(jié)果與鋪粉實(shí)驗(yàn)粉末分布特征較為符合。

圖4 鋪粉模型計(jì)算結(jié)果與鋪粉實(shí)驗(yàn)結(jié)果
Fig.4 Results of powder spreading simulation and experiments

鋪粉模型計(jì)算獲得的粉末間接觸分布情況見(jiàn)圖5，藍(lán)色線條代表粉末間的接觸。從圖5(a)中可以看出，粉末之間的接觸較少且較為稀疏，大部分粉末呈單層堆積，導(dǎo)致其致密度較低。圖5(b)中增材底面上的粉末接觸較多且密集，并且呈多層的立體結(jié)構(gòu)，這樣的堆積方式增大了它的致密度，使鋪粉層具有更少的空隙，從而獲得更高的粉末堆積密度。

圖5 鋪粉模型顆粒間接觸結(jié)果
Fig.5 Results of contacts between powders in powder spreading model

平均配位數(shù)(Average Coordination No., ACN)和相對(duì)堆積密度(Packing Density, PD)可以用來(lái)衡量粉床的質(zhì)量[14]。配位數(shù)是指粉末周圍與其直接接觸的粉末數(shù)量，而平均配位數(shù)是指接觸數(shù)的平均值。平均配位數(shù)越高，說(shuō)明粉末之間的接觸越多，粉床的致密度更高。相對(duì)堆積密度是指粉床中所有粉末的體積與相同空間實(shí)體體積之比，相對(duì)堆積密度越高，說(shuō)明粉末的堆積越密集，孔隙率越低。仿真結(jié)果中粉末的平均配位數(shù)與相對(duì)堆積密度數(shù)值如表2所示，從表中可以看出，平坦底面上的粉末平均配位數(shù)為1.943，增材底面上粉末平均配位數(shù)提高到了3.029，說(shuō)明增材底面上的鋪粉層中有更多的粉末相互接觸。平坦底面上粉末的相對(duì)堆積密度為32.5%，而增材底面上粉末的堆積密度達(dá)到了62.5%，說(shuō)明增材底面粉末堆積致密度有了顯著的提升。

鋪粉層的氣孔率、粉末的堆積密度等對(duì)后續(xù)加工過(guò)程有重要的影響，致密的鋪粉層有助于降低零件中的氣孔，提高零件的使用壽命[16]。由上述仿真結(jié)果可以看出，平坦的底面并不會(huì)提高粉末的堆積密度，相反，在粗糙底面上進(jìn)行鋪粉可以獲得更高的相對(duì)堆積密度及更少的氣孔。實(shí)際加工過(guò)程中，增材底面具有較高的粗糙度，相比平坦底面來(lái)說(shuō)，可以獲得更高致密度的鋪粉層。

表2 平均配位數(shù)與相對(duì)堆積密度Table 2 Average coordination number and packing density

4.2 平坦底面與增材底面上熔道形貌特征

雖然底面粗糙度的提高有助于提高鋪粉層的堆積密度，但是粗糙底面對(duì)熔池潤(rùn)濕性、流動(dòng)性和穩(wěn)定性的影響尚無(wú)相關(guān)報(bào)道。本文將兩種不同粗糙度底面條件下鋪粉后的鋪粉層幾何模型導(dǎo)入到CFD模型中進(jìn)行熔化凝固過(guò)程的仿真研究，研究不同基板粗糙度對(duì)熔池流動(dòng)性的影響。

在SLM-CFD仿真中，掃描速度設(shè)為1 000 mm/s，分別選取180 W、340 W和500 W的激光功率，在平坦底面和增材底面鋪粉的基礎(chǔ)上進(jìn)行了SLM單道仿真，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，激光功率180 W時(shí)熔道的球化較嚴(yán)重，增材底面因?yàn)榍蚧瘒?yán)重，已經(jīng)無(wú)法形成連續(xù)熔道，熔道被分割成獨(dú)立的島狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生一方面是由于激光功率較低，導(dǎo)致熔池變小，熔道被切斷為獨(dú)立的個(gè)體；另一方面，由于底面存在高低起伏，所以熔池重熔深度深淺不一，降低了熔池的潤(rùn)濕性和穩(wěn)定性，使其球化嚴(yán)重[20]。當(dāng)激光功率提高到340 W時(shí)，球化有所減輕，球化部分形狀相對(duì)規(guī)則，球化與頸縮區(qū)分明顯；由于熔池潤(rùn)濕性和穩(wěn)定性較差，增材底面較平坦底面上球化更為嚴(yán)重。當(dāng)激光功率為500 W時(shí)，球化基本消失，但是增材底面上熔道存在明顯的高低起伏，并具有球化的趨勢(shì)，主要是因?yàn)樵霾牡酌娴牡酌娼Y(jié)構(gòu)對(duì)熔池潤(rùn)濕性造成的影響以及對(duì)流動(dòng)行為造成的擾動(dòng)所致。

圖6 熔池CFD模型仿真結(jié)果
Fig.6 Molten pool CFD simulation results

使用激光功率180 W～500 W，掃描速度1 000 mm/s的工藝參數(shù)進(jìn)行SLM單道掃描后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，圖7(a)和圖7(b)分別為平坦底面和增材底面鋪粉層激光掃描后熔道的超景深顯微照片，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著激光功率降低，球化嚴(yán)重。在平坦底面上，當(dāng)功率為500 W時(shí)幾乎很少有球化現(xiàn)象發(fā)生，而當(dāng)功率降到180 W時(shí)，熔道不僅球化嚴(yán)重，而且出現(xiàn)了一定程度的斷續(xù)。在增材底面上進(jìn)行單道掃描時(shí)也有類似的趨勢(shì)，激光功率為180 W時(shí)，已經(jīng)無(wú)法形成連續(xù)熔道。CFD仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，因而本文建立的SLM-CFD模型是可靠的。為了量化分析球化，定義單位長(zhǎng)度上的球化數(shù)量，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖7(c)所示，平坦底面相對(duì)增材底面球化數(shù)量較低，隨著功率增大，球化數(shù)量都有減小的趨勢(shì)。有學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出在一定條件下球化數(shù)量會(huì)隨激光功率增大而增加[21]，但本實(shí)驗(yàn)中激光功率還未達(dá)到相應(yīng)閾值，所以在180～500 W功率范圍內(nèi)，對(duì)本次實(shí)驗(yàn)所使用的材料和工藝參數(shù)來(lái)說(shuō)，球化數(shù)量隨功率的增加有減少的趨勢(shì)。

圖7 SLM單道掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果與單位長(zhǎng)度球化數(shù)量
Fig.7 Results of SLM single-track experiment and balling number per unit length

4.3 熔池流動(dòng)行為與球化的關(guān)系

CFD仿真獲得的SLM單道掃描熔池演化過(guò)程如圖8所示。激光不斷將固體粉末熔化為熔融態(tài)的流體成為熔池，隨著激光向前移動(dòng)，這部分流體又受到Marangoni作用向熔池后方輸送，并隨著溫度的降低發(fā)生凝固。熔池在Marangoni作用下輸運(yùn)流體以及熱量，加快了熔池前端的散熱，并使熔池后部溫度升高，延長(zhǎng)了熔池的長(zhǎng)度[12]。CFD仿真獲得的典型的熔池形貌如圖9所示，Khairallah等[11]將熔池分為Depression、Transition和Tail end 3個(gè)區(qū)域。當(dāng)激光由左向右行進(jìn)時(shí)，在熔池的最前端是Depression區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，固體粉末不斷被熔化而進(jìn)入熔池，即熔池流體的來(lái)源。熔池表面處主要受到材料蒸發(fā)產(chǎn)生的反向壓力，導(dǎo)致熔池表面高度較低(見(jiàn)圖9(a))。Depression區(qū)具有較高的溫度，如圖9(b)所示，局部溫度會(huì)達(dá)到2 900 K以上，達(dá)到沸點(diǎn)，同時(shí)熔池內(nèi)部流動(dòng)非常劇烈(圖9(c))。Transition區(qū)由于不受激光作用，溫度梯度較大，熔池表面處的流體主要受到Marangoni力的作用向后流動(dòng)，將流體不斷輸運(yùn)到熔池后部；同時(shí)熔池在表面張力作用下逐漸變?yōu)榍蛐我钥s小表面積。熔池的后端為Tail end區(qū)，此區(qū)域內(nèi)由于溫度梯度較小，Marangoni力并不顯著，熔池的表面張力起主導(dǎo)作用，在此區(qū)域內(nèi)，熔池形狀進(jìn)一步受到表面張力的作用，趨于球形。

圖8 SLM單道掃描過(guò)程中熔池演化過(guò)程
Fig.8 Molten pool evolution of single track during SLM

圖9 SLM熔池典型特征
Fig.9 Typical characteristics of SLM molten pool

激光功率對(duì)熔池的影響除了引起熔池大小的不同外，還體現(xiàn)在不同溫度梯度導(dǎo)致的Marangoni力對(duì)熔池表面流體的作用上[8]。熔池的表面流體在Marangoni力的作用下，一方面輸送流質(zhì)，將Depression區(qū)流體經(jīng)Transition區(qū)輸運(yùn)到Tail end區(qū)，另一方面也輸運(yùn)熱量，加速Depression區(qū)的散熱，延長(zhǎng)Tail end區(qū)的壽命，表面張力作用時(shí)間更久。

分別以500 W、340 W和180 W激光功率單道掃描平坦底面上的鋪粉層，獲得的熔池形態(tài)以及溫度梯度場(chǎng)和速度場(chǎng)云圖如圖10所示。結(jié)合熔池形態(tài)和圖6(a)的熔道形態(tài)可以看出，隨著激光功率的降低，熔池長(zhǎng)度和寬度都有所減小，球化變嚴(yán)重。當(dāng)激光功率為500 W時(shí)，在Transition前端有較大的溫度梯度，導(dǎo)致在Marangoni力作用下，較多熔融液體被輸運(yùn)到Tail end區(qū)，但熔池相對(duì)較寬，熔融液體體積增加較少，所以Tail end區(qū)的球化不明顯。當(dāng)激光功率降低到340 W時(shí)， Transition區(qū)由溫度梯度導(dǎo)致的Marangoni力推動(dòng)表面流體以較大的速度向后流動(dòng)，但Tail end區(qū)散熱較快，寬度變窄，向后流動(dòng)的這部分流體大部分在Transition區(qū)尾端發(fā)生堆積，產(chǎn)生新的球化(圖6(a)中紅色箭頭所示)。當(dāng)功率降低到180 W時(shí)，熔池最小，溫度梯度大，熔融流體流速大，流動(dòng)非常不穩(wěn)定，從而造成了熔道的斷續(xù)，產(chǎn)生流體的堆積，導(dǎo)致材料球化。

圖10 平坦底面上熔池表面x方向上溫度梯度與速度場(chǎng)
Fig.10 Molten pool surface temperature gradient and velocity field on flat substrate surface

分別以500 W、340 W和180 W激光功率單道掃描增材底面上的鋪粉層，獲得的熔池形態(tài)以及溫度梯度場(chǎng)和速度場(chǎng)云圖如圖11所示。結(jié)合熔池形態(tài)和圖6(b)的熔道形態(tài)可以看出，由于潤(rùn)濕性相比平坦底面差，增材底面上熔池寬度更窄。

圖11 增材底面上熔池表面x方向上溫度梯度與速度場(chǎng)
Fig.11 Molten pool surface temperature gradient and velocity field on as-built substrate surface

當(dāng)激光功率為500 W時(shí)，Transition區(qū)的溫度梯度較為平緩，所以其速度場(chǎng)分布比較均勻，流動(dòng)穩(wěn)定，因此500 W時(shí)球化不明顯。但由于增材底面存在潤(rùn)濕性差的問(wèn)題，熔池表面在Depression區(qū)流體和底面結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)下，存在高低起伏。當(dāng)激光功率降低到340 W時(shí)，Transition區(qū)前端的溫度梯度變大，溫度梯度較大的區(qū)域產(chǎn)生了較大的Marangoni力，使得Transition區(qū)前端的速度變大，將更多流質(zhì)輸運(yùn)到Tail end區(qū)，增加了球化數(shù)量。當(dāng)激光功率降低到180 W時(shí)，由于惡劣的潤(rùn)濕性和底面結(jié)構(gòu)的影響，熔池彼此隔離。Transition區(qū)的流質(zhì)無(wú)法順利輸運(yùn)到Tail end區(qū)，在Transition區(qū)尾端發(fā)生堆積，進(jìn)而產(chǎn)生明顯的球化。彼此隔離的熔池與底面接觸面積有限，減慢了熔池的散熱速度，所以會(huì)同時(shí)存在多個(gè)斷續(xù)的熔池，這與平坦底面上的熔道有明顯的區(qū)別。

由上述分析可知，底面結(jié)構(gòu)的不同以及Transition區(qū)Marangoni力的作用是導(dǎo)致平坦底面與增材底面上熔道形態(tài)不同的根本原因。理想的熔池應(yīng)該與底面保持良好的潤(rùn)濕，Depression區(qū)擾動(dòng)較小，以穩(wěn)定速率產(chǎn)生熔融液體，Transition區(qū)流動(dòng)穩(wěn)定，Tail end區(qū)潤(rùn)濕較好，從而保證熔道連續(xù)，避免球化的發(fā)生。

5 結(jié) 論

1) 相比平坦底面，增材底面上的粉末具有更高的平均配位數(shù)和相對(duì)堆積密度，說(shuō)明增材底面上的鋪粉層致密性更好。

2) 高低起伏的增材底面使熔池重熔深度深淺不一，重熔深度淺的位置熔池與底面的接觸有限，從而降低熔融液體與底面固體的潤(rùn)濕性，球化更為嚴(yán)重。

3) 較低的激光功率會(huì)使Transition區(qū)產(chǎn)生較大的Marangoni力，導(dǎo)致熔池表面流動(dòng)加快，使球化嚴(yán)重；較長(zhǎng)的Tail end區(qū)凝固時(shí)間使表面張力持續(xù)更久，進(jìn)一步加劇了球化。