激光定向能量沉積（DED-LB）是一種激光增材制造技術(shù)，通過激光熔化金屬粉末逐層堆積成形。而熔池的動態(tài)行為如流動、溫度分布等直接影響沉積軌跡的幾何精度、成形質(zhì)量。
大連理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行了基于高速攝影技術(shù)的31組工藝參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)研究，借助千眼狼高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)觀測熔池的形貌、流動特性及粉末交互過程，深入探究了沉積軌跡演化的物理機(jī)制。
研究成果發(fā)表于論文《Evolution of melt pool motion and temperature field based on powder scale modeling during laser directed energy deposition process》
實(shí)驗(yàn)設(shè)備 激光定向能量沉積實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括激光器，6軸機(jī)器人，激光頭，送粉機(jī)，高速攝像機(jī)，雙色比輻射溫度計(jì)，CMOS同軸相機(jī)，同軸粉末輸送系統(tǒng)等。 實(shí)驗(yàn)步驟
1. 配置實(shí)驗(yàn)材料：實(shí)驗(yàn)選用氣霧化鎳基高溫合金718金屬粉末，基板為同一材質(zhì)，尺寸60mm×10mm×5mm，確保實(shí)驗(yàn)過程材料一致性。
2. 工藝參數(shù)設(shè)置：基于前期預(yù)實(shí)驗(yàn)成果，確定了激光功率（P）在800~1200W，掃描速度（Vs）在4~8mm/s、送粉率（Vf）在0.054~0.141g/s以及噴嘴距離（SD）在-2~2mm預(yù)期可獲得表現(xiàn)良好的沉積軌跡，在此基礎(chǔ)上，采用中央復(fù)合設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)31組實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)。
3. 啟動實(shí)驗(yàn)，利用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)動態(tài)捕捉熔池內(nèi)液體金屬的流動，觀測粉末顆粒與熔池的碰撞、飛濺，利用雙色比輻射溫度計(jì)測量熔池的溫度變化，驗(yàn)證熔池溫度場與數(shù)值模擬的匹配度。
高速攝影部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)論
利用高速攝像機(jī)千眼狼Revealer M220捕捉熔池從劇烈波動到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的全過程：
圖2(a)展示了沉積軌跡的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比。沉積軌跡的表面呈現(xiàn)出一些因流體和熔融顆粒凝固形成的凸起，高速攝像機(jī)捕捉到沉積過程中的飛濺以及許多粉末顆粒在基底上凝固的過程。
圖2(b)顯示了沉積軌跡截面幾何尺寸的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，藍(lán)色虛線為熔池位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相對誤差分別為6.51%、1.49%、7.60%，驗(yàn)證數(shù)據(jù)模擬結(jié)果。
圖2(c)顯示了高速攝像機(jī)拍攝的粉末顆粒流動瞬態(tài)圖像。激光頭上的同軸送粉噴嘴與垂直方向呈32°夾角，粉末顆粒流速為4.352m/s。高速攝像機(jī)發(fā)現(xiàn)粉末顆粒在噴嘴下方約15mm處聚集，粉末顆粒與基地碰撞并在熔池周圍飛濺，導(dǎo)致粉末利用率降低。
圖2(d)展示了定向能量沉積激光束過程達(dá)到穩(wěn)定后，熔池流動圖像與模擬結(jié)果對比。圖像顯示，隨著粉末加入熔池和激光束的移動，凝固界面持續(xù)向前移動，形成沉積軌跡。熔池內(nèi)的液體從中心向外圍呈徑向流動，圖中明亮的白色斑點(diǎn)代表粉末顆粒，高速攝像機(jī)捕捉到的顆粒運(yùn)動軌跡有三個(gè)方向，一是被熔池捕獲，形成軌跡；二是熔池自由表面波動導(dǎo)致的飛濺；三是流向熔池邊界但未完全熔化的顆粒。實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果與熔池的數(shù)值模擬結(jié)果一致。
千眼狼高速攝像機(jī)以每秒數(shù)千幀的拍攝幀率，實(shí)時(shí)記錄了不同工藝參數(shù)下熔池的動態(tài)行為，助力研究人員量化熔池特性，為優(yōu)化更準(zhǔn)確的數(shù)值模型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
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