來自瑞典的研究人員研發(fā)了一種新的金屬絲激光逐滴增材制造技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在金屬絲上可能有不同的激光液滴生成模式、 可借助反沖壓力控制液滴分離、并使用高速成像測量液滴分離方向，液滴落在熔池上會誘導(dǎo)更好的附著和工藝穩(wěn)定性。

成果簡介：

增材制造的主題包括許多技術(shù)，其中一些已經(jīng)達(dá)到非常高的應(yīng)用發(fā)展水平，現(xiàn)在已在工業(yè)上使用。其他技術(shù)，如微液滴沉積制造，正在開發(fā)中并呈現(xiàn)出不同的制造可能性，但僅用于低熔點(diǎn)金屬。本文研究了采用基于激光的液滴沉積技術(shù)處理不銹鋼金屬絲的可能性。這項(xiàng)技術(shù)有望更靈活地替代激光金屬絲沉積。進(jìn)行激光液滴生成實(shí)驗(yàn)以試圖將鋼液滴準(zhǔn)確地分離到所需位置。高速成像用于觀察液滴的產(chǎn)生并測量液滴的分離方向。研究了兩種液滴分離技術(shù)，并解釋了導(dǎo)致液滴分離的物理現(xiàn)象，其中液滴重量、表面張力和反沖壓力起主要作用。確定了用于準(zhǔn)確單滴分離的優(yōu)化參數(shù)，然后用于構(gòu)建多滴軌道。產(chǎn)生了具有均勻幾何形狀的軌道，其中微觀結(jié)構(gòu)受到大量液滴沉積的影響。軌道顯示出比基線高得多的硬度，表現(xiàn)出相對均勻的宏觀硬度，在液滴之間的界面處具有局部軟化效應(yīng)。

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圖0 全文的graphic abstract

1. 引言

金屬的增材制造(AM)已成為高性能產(chǎn)品制造的一個(gè)重要領(lǐng)域。存在幾種AM技術(shù)，將不同的熱源與各種材料沉積策略相結(jié)合，每種技術(shù)都有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，使其適用于特定應(yīng)用。大多數(shù)現(xiàn)有的AM技術(shù)將激光束、電子束或電弧作為熱源，以粉末或金屬絲作為原材料。

然而，可以提供不同制造可能性的新AM技術(shù)正在開發(fā)中。微液滴沉積制造(MDDM)就是這種情況，它是一種按需噴射技術(shù)。它包括迫使液態(tài)金屬通過噴嘴以形成射流，該射流會破碎成液滴，隨后沉積以構(gòu)建所需的結(jié)構(gòu)。熔融金屬在控制壓力下保持在加熱的坩堝中，通常使用振動棒來引起液滴分離。為了提高工藝靈活性，可以添加偏轉(zhuǎn)電極以將液滴流導(dǎo)向所需的方向。直徑在100 μm至2.2 mm范圍內(nèi)的液滴可以分離，大多數(shù)研究提到液滴直徑約為300μm。對于MDDM，垂直制造與水平建造一樣簡單，因此該過程適用于制造具有改變建造方向的可能性的薄垂直結(jié)構(gòu)。然而，構(gòu)建具有可接受的滴到滴結(jié)合的結(jié)構(gòu)具有挑戰(zhàn)性。結(jié)果表明，到達(dá)的液滴溫度和前一液滴的表面溫度需要足夠高，以允許顆粒焊接在一起。通過調(diào)整諸如液滴溫度、前一液滴的表面溫度和兩次液滴沉積之間的距離等參數(shù)，可以減少或避免冷圈孔和微孔等一些缺陷。另一個(gè)挑戰(zhàn)也是降低表面粗糙度，這是由凝固液滴的形狀決定的。已經(jīng)進(jìn)行了降低表面粗糙度的研究，例如通過在高表面溫度下使用交替液滴沉積。然而，MDDM的一個(gè)持續(xù)的局限性在于其合適的材料范圍較小。迄今為止，只有鋁合金和錫鉛合金等低熔化溫度的金屬被加工過。

另一種允許沉積熔化溫度較高的金屬液滴的按需噴射技術(shù)是激光液滴生成(LDG)。該技術(shù)包括用激光束熔化金屬絲，以便首先形成然后分離直徑在1mm到5mm范圍內(nèi)的液滴。液滴分離通常是由激光脈沖引起的，但也表明可以通過在縮回導(dǎo)線的同時(shí)將液滴剪切到噴嘴上來實(shí)現(xiàn)。LDG已被研究作為一種連接Ag-Cu和鎳滴的方法。它已經(jīng)顯示出幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如更好地控制液滴和基板中的熱輸入、更窄的熱影響區(qū)和更高的工藝靈活性。然而，LDG的某些方面，例如液滴的分離條件，仍未完全了解。

本研究的目標(biāo)是研究使用LDG進(jìn)行增材制造的可能性，作為MDDM的替代品，用于更高熔化溫度的材料。這也可以通過更靈活和可控的過程提供一種激光金屬絲沉積(LMWD)的替代方案。在LMWD中，金屬絲被激光束送入并與基板一起在連續(xù)運(yùn)動中熔化，從而形成一條添加材料的軌道。該工藝已被證明適用于多種材料，如鋼[、鋁合金和鈦合金。使用常規(guī)的LMWD設(shè)置，激光束接近垂直，并且金屬絲優(yōu)選從正面進(jìn)料，這限制了工藝靈活性。通過使用與金屬絲同軸的激光束進(jìn)行了改進(jìn)，這消除了過程的方向依賴性。通過垂直進(jìn)給線，研究了LMWD的更高能效，其中激光束僅用于熔化沉積在基板上的線，并部分重新熔化前一層。在目前的研究中，預(yù)計(jì)用LDG替代LMWD也將導(dǎo)致更低的能量需求，因?yàn)榧す馐鴮⒅饕糜谌刍€材，并且由于熱量傳導(dǎo)到基板而導(dǎo)致的熱損失更少。

不同的物理現(xiàn)象可以解釋液滴的產(chǎn)生和分離。對于相對少量的液體，由于表面張力會產(chǎn)生球形液滴。表面張力是由液-氣界面處的不對稱內(nèi)聚力引起的，這往往會使表面積最小化并迫使液體變成球形。垂直懸垂液滴的表面張力可以使用液滴重量法計(jì)算，基于分離時(shí)的力平衡，其中液滴重量等于表面張力。在軸對稱液體的任何橫截面，表面張力可以計(jì)算為：

S=2 πr γ (1)

其中 γ 是表面張力，r是圓形液體橫截面的半徑。當(dāng)液滴重量超過表面張力時(shí)，液滴在最弱的橫截面分離，以最小半徑表示，也稱為頸部。然而，在液滴懸于非水平表面的情況下，或者液滴正在移動時(shí)，液滴的一側(cè)與另一側(cè)的液固界面的接觸角可能不同。這會引起保持力，其作用類似于液-固界面處的摩擦力。

在LDG中需要考慮的另一個(gè)力是由汽化過程中蒸汽和液體之間的動量守恒引起的反沖力。實(shí)驗(yàn)證明，反沖壓力可以推動甚至分解遇到激光束的液滴。在一項(xiàng)相關(guān)研究中，觀察到直徑為2.88mm至3.44mm的鋼滴落入2kW激光束時(shí)會受到等于其自身重量50%至70%的反沖力。除了對液滴下落軌跡有影響之外，反沖壓力很可能對液滴分離有影響。

當(dāng)撞擊固體基底時(shí)，金屬滴可以潤濕它或反彈。發(fā)生哪種情況主要取決于液滴表面潤濕特性和基底的表面粗糙度]。撞擊速度已被證明對凝固速率、基底重熔和凝固液滴幾何形狀有影響。

當(dāng)沖擊熔池時(shí)，例如在具有脈沖電弧模式的電弧焊或線材弧焊增材制造(WAAM)中，尚未觀察到彈跳效應(yīng)，且液滴與現(xiàn)有熔體融合。

MDDM和LDG中分離和附著的物理原理是不同的，必須確定導(dǎo)致液滴分離和附著的其他物理現(xiàn)象，才能使該過程取得成功。在這項(xiàng)原位研究中，將研究反沖壓力對液滴分離的影響，以及熔池的存在作為液滴附著在基板上的有利條件。這項(xiàng)研究的工業(yè)目標(biāo)是通過將LDG技術(shù)應(yīng)用于AM來開發(fā)一種新工藝，而科學(xué)目標(biāo)是更好地了解液滴分離和附著的物理?xiàng)l件。

2. 方法

采用LDG實(shí)驗(yàn)，并以高速成像(HSI)作為主要的觀察和測量方法。統(tǒng)計(jì)從HSI中獲得的數(shù)據(jù)，并對生產(chǎn)的材料進(jìn)行材料分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

LDG實(shí)驗(yàn)使用1.2mm直徑的316L金屬絲通過激光束進(jìn)給，如圖1所示。金屬絲在送絲機(jī)出口處被拉直，并由焊槍精確引導(dǎo)，金屬絲伸出量相對較小(約10mm)以限制導(dǎo)線位置的波動。激光束垂直于金屬絲，激光光學(xué)器件和焊槍都傾斜7度，以避免激光束照射基底時(shí)發(fā)生背反射。為了研究液滴的附著情況，將Domex 350LA基底放置在導(dǎo)線下方6mm處。之所以選擇這些材料，是因?yàn)樗鼈冊诠I(yè)應(yīng)用中的廣泛用途以及它們的高加工性。氬氣作為保護(hù)氣體通過直徑為20mm的管子，流速為20L/min。使用5kW摻鐿光纖激光器，光纖直徑為0.2mm，準(zhǔn)直器和聚焦透鏡的焦距分別為150mm和250mm。四軸分束器被安裝在準(zhǔn)直器和聚焦透鏡之間，以便將激光束分成四束排列成正方形的光束。圖2顯示了激光束的測量結(jié)果及其在金屬絲上的圖解位置。這種光束布置用于防止高激光束強(qiáng)度(可能會在金屬絲上形成鑰孔)并在液滴下落過程中實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的引導(dǎo)。

HSI相機(jī)水平放置，從側(cè)面記錄液滴的產(chǎn)生、軌跡和著陸(圖1b)。大多數(shù)HSI結(jié)果是使用這種設(shè)置記錄的，并使用不同的布置，相機(jī)從金屬絲的前面拍攝，用于進(jìn)一步澄清。該過程用波長為810nm的50W CW激光照射，并在HSI相機(jī)上使用相同波長的帶通濾波器，以阻擋大部分工藝光。相機(jī)以2000fps到4000fps的頻率記錄，曝光時(shí)間為20 μm，光圈為16。

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圖1 激光液滴形成的實(shí)驗(yàn)裝置 a)從側(cè)面看 b)從前面看

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圖2 金屬絲上的激光光束輪廓

進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)。首先，進(jìn)行連續(xù)送絲實(shí)驗(yàn)，其中通過激光束連續(xù)送絲4秒。送絲速度從3m/min到7m/min以1m/min的步長變化，激光功率從1500W到5000W以500W的步長變化，以觀察不同參數(shù)下液滴形成的差異。

第二組實(shí)驗(yàn)通過增量送絲進(jìn)行，其中送絲達(dá)到預(yù)定長度并停止。在第一組實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將參數(shù)縮小到5m/min的進(jìn)給速度，激光功率從2300W到2800W以100W的步長變化，送絲長度從6mm變化到14mm，以2mm為步長。

最后一組實(shí)驗(yàn)涉及使用增量送絲實(shí)驗(yàn)(激光功率為2600W、送絲速度為5m/min和送絲長度為8mm)發(fā)現(xiàn)的優(yōu)化液滴分離參數(shù)構(gòu)建30個(gè)液滴線性軌道。圖3顯示了帶增量送絲的液滴沉積循環(huán)期間的工藝參數(shù)。從一個(gè)液滴沉積位置到另一個(gè)位置的移動是通過以0.6m/min的行進(jìn)速度移動機(jī)械臂來實(shí)現(xiàn)的(圖1a中的Vtravel)。激光輸出在整個(gè)過程中是連續(xù)的，當(dāng)送絲時(shí)交替照射金屬絲以產(chǎn)生液滴(階段1)，并在短暫延遲期間(階段2)以及當(dāng)機(jī)器人移動到下一個(gè)液滴沉積的位置(第3階段)時(shí)照射基板。三個(gè)軌道建立在
冷
基板上，其中兩次液滴沉積之間的步距為2mm、2.5mm和3mm。在200°C和400°C的溫度下，在預(yù)熱的基板上以2.5mm的步距構(gòu)建另外兩個(gè)軌道。

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圖3 表示具有增量送絲的液滴沉積循環(huán)，用于處理具有優(yōu)化參數(shù)的多液滴結(jié)構(gòu)

2.2 圖像處理步驟

使用不同激光功率(2300W、2400W、2500W、2600W、2700W和2800W)進(jìn)行的增量送絲液滴分離實(shí)驗(yàn)重復(fù)20次并由HSI記錄。對于每個(gè)液滴分離，從分離后的第一幀到液滴完全可見的最后一幀測量分離方向。圖4顯示了用于測量以角度 α 表示的分離方向的方法。稍后對不同激光功率下分離方向的測量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

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圖4 測量液滴分離方向的過程

3. 結(jié)果

3.1 連續(xù)送絲

在連續(xù)送絲實(shí)驗(yàn)中觀察到不同的液滴生成模式，其中研究了不同的激光功率和送絲速度。圖5顯示了根據(jù)所選參數(shù)發(fā)生的液滴生成模式，圖6顯示了這些模式中每一種的HSI序列。標(biāo)有叉號的是未進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

低于約36J/mm的線能量，1.2mm金屬絲不會完全熔化。在這種不完全熔化模式下，可能會在金屬絲頂部產(chǎn)生一液滴，但要么不分離，要么與固體金屬絲分離(圖6a)。

使用更高的線能量，金屬絲完全熔化，并在激光束的后側(cè)產(chǎn)生液滴。隨著金屬絲熔化，液滴保持附著并增大，直到某個(gè)點(diǎn)分離，這種模式稱為拉動模式(圖6b)。在這種模式下，計(jì)算了液滴分離的平均距離和標(biāo)準(zhǔn)偏差(稱為形成長度)(圖5)。平均形成長度隨著激光功率的增加而減少，并且通常隨著送絲速度的增加而增加。不同參數(shù)的平均形成長度范圍為3.27mm至13.3mm，導(dǎo)致直徑下降1.9mm至3.1mm，而形成長度的標(biāo)準(zhǔn)偏差為平均值的21%到42%。

在低供給速度下使用高激光功率，液滴被推到激光束的前側(cè)，金屬絲下方，這被稱為推動模式(圖6c)。在這種模式下，液滴的形成生和分離是混亂的和不可預(yù)測的。

在高激光功率和高速下，在線材上會產(chǎn)生切割前沿(圖6d)。沒有液滴形成，熔體直接向下加速，形成分解成小液滴(≤1mm)的液柱，該過程與激光遠(yuǎn)程切割板材具有相似的特性。液滴的流動通常指向一個(gè)方向，只有很小的發(fā)散。在從切割前沿分離的液滴流中，可以注意到液滴直徑、液滴速度和液滴間距的顯著變化。

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圖5觀察到的液滴形成模式取決于激光功率和送絲速度

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圖6 每種液滴形成模式的典型液滴形成的HSI幀序列

拉動液滴生成模式似乎是沉積過程中最穩(wěn)定和最有前途的模式。以下各節(jié)中描述的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)旨在在此模式下可靠地生成液滴。

3.2 增量送絲

本部分著眼于使用不同的送絲技術(shù)提高拉動生成模式下液滴分離的準(zhǔn)確性(在之前的實(shí)驗(yàn)中，液滴形成長度的標(biāo)準(zhǔn)偏差是平均值的21%到42%)。為了實(shí)現(xiàn)更高的分離重復(fù)性，在特定時(shí)間停止送絲以分離一滴。在隨后的所有實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)給速度均設(shè)置為5m/min，因?yàn)樵诖怂俣认?，較寬的激光功率范圍會產(chǎn)生拉動生成模式，這為其他參數(shù)的選擇提供了更大的靈活性。

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圖7 a)作為激光功率函數(shù)的液滴分離方向的統(tǒng)計(jì)分析；b)作為激光功率函數(shù)的液滴分離方向的標(biāo)準(zhǔn)偏差的演變(進(jìn)給速度為5 m/min，進(jìn)給長度為8 mm)

首先，送絲長度設(shè)置為8mm(預(yù)期液滴直徑為2.6mm)，只有激光功率發(fā)生變化，從2300W到2800W?；贖SI視頻的圖像處理，對依賴于激光功率的液滴分離方向進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖7所示。圖8顯示了不同激光功率下單個(gè)液滴形成和分離的HSI序列。從圖7a中可以看出，液滴的平均分離方向似乎不受激光功率保持在7°到12°之間如此小的變化的影響。然而，液滴分離方向的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著激光功率的增加而減小，直到在2600W時(shí)穩(wěn)定在8° 左右(圖7b)。對于低于2400W的激光功率，液滴往往會和一根固體金屬絲分離(圖8a)，顯示了圖5中確定的不完全熔化模式的極限。功率大于2700W時(shí)，兩滴可以在一個(gè)送絲增量中分離(圖8c)。這種雙滴分離的情況在2700W下發(fā)生率為5%，在2800W下發(fā)生率為20%。雙滴分離是不需要的，因?yàn)樗鼈儠淖儍纱我旱畏蛛x之間的時(shí)間、液滴尺寸和液滴分離方向。只有在2500W和2600W下的實(shí)驗(yàn)中沒有顯示出不完全熔化或雙滴分離(圖8b)。由于在2600W下的實(shí)驗(yàn)顯示液滴分離方向的精度更高(圖7a)，因此選此作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化激光功率。

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圖8 不同激光功率下典型液滴形成的HSI幀序列，帶有液滴脫離方向(藍(lán)色箭頭)

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圖9 在HSI觀察到的一個(gè)進(jìn)料增量期間，不同形成長度下液滴典型的分離和著陸行為

在接下來的實(shí)驗(yàn)中，激光功率保持在2600W，送絲長度在6mm到14mm范圍內(nèi)變化(液滴直徑為2.3mm到3.1mm)。圖9顯示了不同進(jìn)料長度下液滴分離和著陸的HSI框架，其中激光發(fā)射在送絲前300毫秒開始，以便在基板上產(chǎn)生熔池。對于6mm到12mm的進(jìn)料長度，兩幀之間的時(shí)間為25ms，對于14mm的進(jìn)料長度延長到50ms。似乎進(jìn)料長度對液滴分離方向有影響。在6mm進(jìn)料長度處，液滴落在激光束前面，熔池外。從8mm到12mm的進(jìn)料長度，液滴落入激光束內(nèi)，朝向熔池。對于14mm的進(jìn)料長度，液滴落到激光束的后部，熔池外。只有落入熔池(8-12mm)的液滴才能成功附著在基板上。選擇8mm作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化進(jìn)料長度，因?yàn)樗鼤a(chǎn)生落入激光束內(nèi)部、落在熔池中并附著在基板上的最小液滴。

作為增量送絲的單滴分離的最終觀察結(jié)果，從正面拍攝具有優(yōu)化參數(shù)(送絲速度為5m/min，激光功率為2600W，送絲長度為8mm)的液滴的分離和附著，如圖10所示。液滴并不總是落在xz平面內(nèi)(圖4)，但是可以落在y軸上的不同位置。然而，如果液滴在著陸時(shí)接觸到熔池，它會與熔池保持一致，垂直于金屬絲下方。

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圖片不夠清晰更換圖片

圖10 從前面記錄的具有優(yōu)化參數(shù)的液滴分離的HSI幀序列

3.3 多滴沉積

將上節(jié)中發(fā)現(xiàn)的增量送絲的單滴分離的優(yōu)化參數(shù)(進(jìn)給速度為5m/min，激光功率為2600W，進(jìn)料長度為8mm)用于多滴沉積。機(jī)械臂在液滴沉積之間以2.5mm步長的移動速度呈線性移動(圖3)，以便在基板上形成液滴軌跡。圖11顯示了在一個(gè)液滴沉積循環(huán)期間的一系列HSI框架，重點(diǎn)是基材上熔池的演變，該熔池固化到軌道中。圖11中的階段指的是圖3中描述的相同階段。這個(gè)階段周期最好從階段2開始描述。

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圖11 HSI幀序列顯示了軌跡處理期間的液滴沉積循環(huán)，并將熔池表現(xiàn)出來(綠色虛線)

在第二階段，當(dāng)送絲停止時(shí)，一個(gè)新的液滴分離并落在軌道前方的一個(gè)小的殘留熔池中。液滴與體積增大的熔池合并，而激光發(fā)射阻止其凝固。

在第三階段，當(dāng)機(jī)器人移動步距(2.5mm)時(shí)，激光束熔化前一個(gè)熔池前面的基底。來自基底的新熔融材料從前方進(jìn)入熔池，而熔池的后端則凝固。

在第一階段，運(yùn)動停止并開始送絲以生成新的液滴。在此階段，激光僅照射線材，而不照射基底上的熔池。這會導(dǎo)致熔池部分凝固，直到新的液滴分離并開始新的循環(huán)。

研究了兩個(gè)液滴分離之間的步距，并以2mm、2.5mm和3mm的步距構(gòu)建了30個(gè)液滴軌道。圖12顯示了創(chuàng)建的軌道的照片。在2mm和2.5mm的步距下，軌道的構(gòu)建沒有明顯的缺陷。然而，當(dāng)步距為3mm時(shí)，軌道幾何形狀不均勻，一些液滴落到了位置外，導(dǎo)致軌道出現(xiàn)間隙(圖12中的紅色圓圈)。

為了研究基板溫度對軌跡性能的影響，在200℃和400℃的基板上分別建立了兩條步距為2.5mm的軌跡。圖12中的照片顯示，隨著基板溫度的升高，軌道中的潤濕性增加，幾何變化減少。在冷基板上產(chǎn)生的軌道寬度約為3.3mm，而在基板溫度為200℃和400℃時(shí)產(chǎn)生的軌道寬度分別為4.2mm和5.8mm。

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圖12 由具有不同步距和基板溫度的激光液滴形成技術(shù)產(chǎn)生的30滴軌跡

文章來源：Additive Manufacturing by laser-assisted drop deposition from a metal wire，Materials & Design，Volume 209, 1 November 2021, 109987，https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109987