摘要：河北科技大学机械工程学院孙占朋副教授、杨光教授团队，在《Materials & Design》发布最新研究成果“In situ X-ray imaging and quantitative analysis of balling during laser po

长三角G60激光联盟陈长军 导读

河北科技大学机械工程学院孙占朋副教授、杨光教授团队，在《Materials & Design》发布最新研究成果“In situ X-ray imaging and quantitative analysis of balling during laser powder bed fusion of 316L at high layer thickness”，通过原位X射线成像技术，实时监测了大层厚316L粉末在不同工艺参数下的熔化过程。系统地阐述了大层厚下球化现象的复杂形成机理，量化了飞溅熔合率、球体凝固时间以及球化接触角与体能量密度之间的变化规律。孙占朋副教授、杨光教授为通讯作者。

论文亮点：

1、通过自研的微焦点原位X射线成像系统实时监测大层厚316L激光粉末床熔融过程。

2、大量的飞溅熔合现象主导了大尺寸球化的形成。

3、引入飞溅熔合率来量化飞溅熔合事件。

4、量化了凝固时间、接触角与体能量密度之间的变化规律。

主要图表

图1. 316L不锈钢粉末的形貌和尺寸分布

图2 原位X射线成像系统示意图及实验装置

图 3. 不同激光功率下的粉末熔化过程（黄线表示粉末床与母材之间的边界）

图4. 不同工艺参数下的熔体轨迹形貌（LT = 200 μm）

图 5. 层厚度为 100 μm 的粉末熔化过程

图 6. 层厚度为 400 μm 的粉末熔化过程

图7.大层厚球化现象形成示意图

图8. 飞溅融合过程及融合速率变化

图9.熔体凝固过程及凝固时间的变化

图 10. 接触角示意图：a. θ > 90◦，润湿性差。b. θ

图 11. 接触角的变化

图 12. 厚层飞溅数量的变化

主要结论

利用微聚焦原位X射线成像系统直接观察了大层厚316 L不锈钢粉末的熔化过程，揭示了球化现象的复杂形成机制。具体的结论如下。

(1)除了熔池尾部的收缩和凝固外，飞溅对大尺寸球化现象的形成也有着重要影响。飞溅在飞行和凝固过程中熔合形成更大尺寸的飞溅是大尺寸球化现象形成的重要原因。球体的凝固时间在10 ms - 20 ms之间，并与激光体能量密度呈正相关。

(2)飞溅熔合事件并不是偶然事件。引入飞溅熔合率来量化飞溅熔合事件，大层厚316L粉末床熔融过程中的飞溅熔合率为42.42%~73.04%，与激光功率呈正相关。

(3)在100 μm、200 μm、400 μm的大层厚下，当体能量密度低于阈值113.6 J/mm3时，出现球化现象。球体的接触角与体积能密度呈负相关(16, R2=0.901)。

论文引用

Z. A. Yan , S. C. Liu, Z. P. Sun, et al. In situ X-ray imaging and quantitative analysis of balling during laser powder bed fusion of 316L at high layer thickness., Materials & Design, 248 (2024) 113442.

来源：江苏激光联盟