亮点 | 激光与材料如何相互作用？“光线追踪”有答案

编者按

为集中展示激光增材制造领域的新发现、新进展和新突破，《中国激光》组织策划了“激光增材制造”专题，专题内容呈现工艺广、材料全、结构新的特点，于2022年14期出版。（点击查看专题网页）

专题亮点文章来源于重庆大学机械与运载工程学院张正文教授课题组。课题组发展了一种耦合光线追踪算法的激光选区熔化（SLM）介观熔池动力学数值模型，深入揭示了SLM熔池动态演变过程中“激光-粉末-熔池”的相互作用机制。

全文链接：任治好, 张正文, 马翔宇, 毛胜兰. 球化效应下激光选区熔化中的激光辐照行为[J]. 中国激光, 2022, 49(14): 1402203

背景介绍

激光选区熔化（Selective Laser Melting, SLM）是近年来迅速发展的一种金属3D打印技术，可直接制造出致密、复杂的零部件产品，被广泛用于航空航天、汽车电子、国防军工等领域。其中，SLM的关键环节是激光对粉末床的热作用，会直接影响粉末的冶金过程和最终的零件成形质量。

然而，激光与材料的相互作用发生在极小的时空间尺度（微秒和微米）内，通常的技术手段难以对其进行实时监测，这也限制了人们对SLM过程的深入认知。因此，深入理解激光与物质相互作用的物理本质是实现高质量SLM成形的理论基础和重要研究内容。

针对以上问题，重庆大学机械与运载工程学院张正文教授课题组发展了一种耦合光线追踪算法的SLM介观熔池动力学数值模型，深入揭示SLM熔池动态演变过程中“激光-粉末-熔池”的相互作用机制。该模型具备高保真展现SLM 成形过程的能力，可为实际工艺开发提供重要指导。

创新研究

基于流体动力学和流体体积（VOF）两相流理论，团队建立SLM传热传质的基本物理模型，充分考虑SLM过程中的熔化/凝固、表面张力、热毛细对流、反冲压力等复杂物理现象，同时采用一种依赖于网格的光线追踪算法以描述激光与材料的相互作用。

光线追踪算法原理如图1所示，将激光束离散为多条子射线，当激光束垂直投射到粉末床，子射线在气体与金属的两相交界面发生反射，同时子射线所携带的能量在每次反射后被金属材料部分吸收。

图1 光线追踪算法原理图通过对两组工艺条件下的Cu-Cr-Zr铜合金SLM过程进行模拟，可获得两种具有不同形貌（连续和球化）的扫描单道。借助上述光线追踪算法，再现了激光射线随SLM熔池动态演变的反射吸收行为，如图2所示，其中射线能量与初始值的比值用四种颜色表示。图2 两组工艺参数下熔池演变过程中的激光反射吸收行为。（a）连续单道的情况；（b）球化单道的情况

由图可见，随着SLM过程的进行，两种工艺条件下的激光反射吸收行为呈现出显著差异。连续单道情况下的熔池可形成较深的凹陷区，射线在凹陷区内发生多次反射吸收，具有一定的“困光效应”。对比球化单道在71 µs的情况，光斑下的粉末颗粒在表面张力作用下被拖拽到光斑后方，导致大多数射线在暴露的基板表面仅发生单次反射吸收。

图3提取了总体吸收率的动态变化曲线。连续单道情况下，凹陷区的“困光效应”使得总体吸收率水平较高，熔池状态与能量吸收之间容易形成动态平衡。相反，球化条件下的总体吸收率处于较低水平，且呈现剧烈波动的特征。熔体在基材上的不充分润湿是导致吸收率剧烈波动的主要原因。

更具体地说，球化效应引发的裸露基板导致大量射线被垂直反射到气氛环境中，极大削弱了总体吸收率，从而无法建立稳定熔池，进一步造成不稳定的激光反射吸收行为。

图3 两种工艺条件下全局吸收率的动态变化

总结

本文通过在SLM熔池动力学数值模拟中耦合光线追踪热源的方式，重点研究了激光反射吸收行为与熔池热动力学行为之间的关系规律。该方法降低了研究人员在认识SLM过程方面的实验难度，有望在揭示SLM物理本质层面发挥重要作用。

课题组介绍

重庆大学张正文教授主要从事金属增材制造的相关研究，先后组建了重庆大学增材制造研究中心、金属增材制造（3D打印）重庆市重点实验室，团队坚持以“应用发展为先导，技术创新为驱动，产业发展为目标”的总体定位，紧密围绕结构优化设计、材料处理与制备、产品轻量化设计、装备创新、工程应用创新等方向开展基础科学问题研究、关键技术攻关和产业化应用。

2010年以来，团队先后承担和完成了863计划主题项目、国防项目、省部级自然科学基金项目等，获取了多项授权国内国际发明专利，并在增材制造相关领域发表系列学术文章。

通信作者简介

张正文，重庆大学、英国Exeter大学教授，博导，国家重点研发计划“增材制造与激光制造”总体专家组成员，金属增材制造（3D打印）重庆市重点实验室主任。在英国期间主持欧盟、英国工程与自然科学基金、英国政府和企业重大科研项目30多项，经费达900多万英镑，担任多国科研机构项目会评专家（英国国家自然科学基金、瑞典知识基金会、英联邦奖学金、欧洲研究委员会、加拿大国家研究资助委员会等）。回国后主持国家863计划“3D打印关键技术与装备研制”主题项目，成功研发成形幅面达2 m×2 m的超大型激光选区熔化装备。在国际核心期刊发表论文270余篇，最高单篇被引1200余次，H-index 40。

科学编辑 | 任治好

编辑 | 沈灵灵

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