原位微焦点X射线成像在激光粉末床熔融工艺过程监测中的应用

刘士成¹，闫子澳¹，孙占朋^{1, 2}，苏  楠¹，李康硕¹，杨  光^{1, 2}

（1.河北科技大学机械工程学院，河北 石家庄 050018；2.河北省增材制造产业技术研究院，河北 石家庄 050018）

摘 要：激光粉末床熔融（LPBF）中匙孔、熔池和颗粒飞溅等具有高度动态、瞬变、空间尺度小等特点，对粉末熔化过程进行原位高速成像有助于深入揭示熔道及缺陷形成机制。实验基于高分辨率的开放式微焦点X射线管，开发了激光粉末床熔融原位成像系统，开展了316L粉末熔融过程匙孔、气泡、飞溅及球化等现象观测研究。结果表明，该系统可识别出保护气与熔池界面的动态变化，观测到部分激光工艺参数下匙孔的形貌变化，捕捉到匙孔诱导大尺度气孔（约100 μm）的形成过程；同时发现，较高的射线管电压（如220 kV）有助于提升系统对熔池的辨别能力，但由于此时X射线对飞溅的穿透性过强，造成小尺寸飞溅无法成像；较低的射线管电压下（如90 kV），系统可较好地捕捉飞溅（约30 μm以上）的运动行为，初步揭示了飞溅诱导熔道表面突起、高度尺寸偏差及表面波纹等缺陷的形成机制，再现了球化现象的动态形成过程。该技术的开发对加快增材制造材料及工艺的原位研究具有重要意义。

关键字：激光粉末床熔融；X射线；匙孔；气泡；飞溅；球化

DOI：10. 13228/j. boyuan. issn1006-6543. 20240222

X 射线管电压为 220 kV，管电流为 100 µA下，成像系统可捕捉不同实验时熔池匙孔气泡产生过程（（见补充视频 2）。