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激光定向能量沉积中粉末捕获效率和熔融轨迹高度的预测研究

作者及机构
本研究由Carnegie Mellon University机械工程系的Colin Ancalmo和Sneha Prabha Narra（通讯作者）合作完成，发表于*Journal of Manufacturing Processes*第137卷（2025年），页码207–220。

学术背景

研究领域与动机
该研究属于金属增材制造（Additive Manufacturing, AM）中的定向能量沉积（Directed Energy Deposition, DED）领域，具体聚焦于粉末吹送式激光束定向能量沉积（DED-LB）工艺。DED-LB通过激光熔化金属粉末逐层堆积材料，具有多材料成分控制和修复大型部件的潜力，但粉末捕获效率（Powder Catchment Efficiency）和熔融轨迹高度（Melt Track Height）的预测一直是工艺规划的难点。传统方法依赖试错实验，缺乏通用模型，导致材料浪费和成本增加。

研究目标
本研究旨在：
1. 验证几何模型在预测粉末捕获效率时的适用性；
2. 提出基于斯托克斯数（Stokes Number）的快速预测方法，避免依赖高速成像；
3. 建立粉末捕获效率与熔融轨迹高度的关联模型，为工艺规划提供理论支持。

研究流程与方法

1. 实验材料与设备
- 粉末材料：Höganäs氮气雾化316L不锈钢粉末，通过筛分分为三组粒径分布（21–35 μm、67–80 μm、80–106 μm）。
- 设备：Trumpf TruLaser Cell 3000 DED-LB系统，配备TruDisk 6001激光源和SO12同轴喷嘴。

2. 单道熔覆实验
- 参数设计：45组实验，变量包括粉末粒径、载气流量（2–10 L/min）和激光光斑直径（1.5–3.5 mm）。
- 表征方法：
- 粉末捕获效率计算：通过光学轮廓仪（Keyence VR-6000）测量熔覆截面积，结合粉末质量流量（公式1）计算效率。
- 熔融轨迹形貌分析：提取平均宽度（𝑑𝑡）和高度（ℎ𝑡）。

3. 粉末流场表征
- 高速成像：Photron AX200相机（14,400 Hz）记录粉末流分布，通过OpenCV库处理图像，提取粒子流直径（𝐷𝑠）。
- 斯托克斯数计算：基于粒子惯性（𝜏𝑝）与流体运动时间尺度（𝜏𝑓）的比值（公式7–10），量化载气流量和粒径的影响。

4. 模型验证与优化
- 几何模型（公式2）：假设熔池宽度等于激光光斑直径，验证其预测误差（均方根误差RMSE=11.5%）。
- 斯托克斯数替代方案：通过线性回归建立𝐷𝑠与斯托克斯数的关系（公式11），预测误差（RMSE=11.8%）。
- 熔融轨迹高度预测：结合几何模型与斯托克斯数，预测高度误差（RMSE<75 μm）。

主要结果

1. 粉末捕获效率的影响因素

   • 激光光斑直径：捕获效率随光斑增大显著提高（最高提升25%）。
     
   • 粉末粒径：小粒径（21–35 μm）在低载气流量（2 L/min）下效率最高，但对载气变化敏感；大粒径（67–106 μm）效率较低但稳定性高。
     
   • 熔池宽度偏差：小粒径粉末在低载气下熔池宽度显著大于激光光斑（图8），导致几何模型低估效率（误差达31%）。
     

2. 斯托克斯数的普适性

   • 斯托克斯数与粒子流直径呈对数线性关系（R²=0.82），可替代高速成像（图9）。
     
   • 低斯托克斯数（小粒径或低载气）对应更集中的粉末流，捕获效率更高（图10）。
     

3. 熔融轨迹高度预测

   • 基于斯托克斯数的模型预测高度误差为74.8 μm，若引入实际熔池宽度数据，误差可降至23.2 μm（表3）。
     

结论与价值

科学意义
- 验证了几何模型在DED-LB中的局限性，提出需结合熔池动态修正；
- 首次将斯托克斯数应用于粉末捕获效率预测，为跨设备/材料工艺规划提供通用方法。

应用价值
- 减少试错实验，降低材料浪费（当前DED-LB粉末利用率仅50–85%）；
- 支持多材料成分的精确控制，适用于航空航天等高价值部件制造。

研究亮点

1. 创新方法：通过斯托克斯数关联工艺参数与粉末流场，避免依赖复杂成像技术。
   
2. 多尺度验证：结合实验（45组熔覆）、高速成像和模型分析，数据全面。
   
3. 工程指导：提出低斯托克斯数（小粒径/低载气）工艺可优化捕获效率，但需平衡氧化风险。
   

补充内容
- 开源代码（GitHub）和数据集（Figshare）公开，支持方法复现；
- 附录A详细介绍了激光参数选择的半解析热传导模型，增强可重复性。

（报告字数：约1500字）