图4 95 J/cm2时损伤坑的侧面瞬态图像和损伤过程的时间演化 。 最终凹坑的直径为34 μm ， 深度约为11 μm 。
在更长的时间尺度上 ， 从受损区域形成粒子喷雾 。 粒子在激光诱导击穿过程中被排出 。 这些颗粒对整个系统造成不利影响 ， 包括沉积涂层的机械性能降低 ， 并加重激光对光学部件的损伤 。 因此 ， 观察喷射粒子的路径成为研究的重点 。 TRPP技术是用于观察喷射粒子行为的主要方法 ， 时间分辨率<0.5?μs 。 颗粒的喷射过程与激光参数无关 ， 主要取决于激光激发的颗粒体积 。 形成初始脉冲的颗粒残留物可由后续脉冲激发 。 随着脉冲数的增加 ， 粒子喷射距离增加 。 这些结果提供了关于喷射粒子轨迹的足够有价值的信息 ， 可以提供洞察以防止对相邻光学部件的损坏 。
3.超快X射线成像
20世纪70年代以来 ， X射线成像技术迅速发展 ， 广泛应用于工业探伤、焊缝检验、医疗检验等领域 。 随着图像数字化技术的发展 ， 大视场下可以保证更高的空间分辨率、更宽的动态范围和无几何畸变的实时成像能力 。 X射线高速成像系统能够快速、动态地监测被检测物体的内部结构、大小、位置和动态变化 ， 是目前成像检测领域中常用的系统 。 目前 ， X射线高速成像也广泛应用于激光-材料相互作用动态过程的高速监测 ， 包括熔池监测、等离子体演化、肌红蛋白结构动力学等 。
3.1原理
X射线因其穿透特性被广泛应用于金属和高密度等离子体内部结构的成像研究中 。 动态过程的观察需要时间分辨X射线成像技术 。 一般使用长脉冲或连续的X射线光源 ， 如同步辐射光源 ， 结合X射线相机快门曝光时间控制 ， 可以实现μs-ms帧间隔的连续摄影 ， 如图5A所示 。 图5B显示了用于高级射线成像的典型激光尾迹场加速器驱动的轫致辐射X射线源 。 前一种方法在激光加工领域得到了广泛的应用后一种方法由于方便通过激光脉冲触发实现时间同步 ， 在激光-物质相互作用的强场物理中经常用于捕获超快动态过程 。 然而 ， 由于强激光脉冲的低重复率 ， 它往往只可能捕获单帧图像 。
图5 X射线成像原理示意图 。 （A）激光等离子体 。 （B）同步辐射源 。
3.2激光加工的熔池监测
作为一种重要的激光加工技术 ， 增材制造（AM）已逐渐将其研究重点转向熔融过程的在线监测 。 蒸汽凹陷（也称为小孔）现象一直是金属激光熔化处理领域的一个吸引人的问题 ， 可以使用超高速同步辐射X射线成像进行量化 。 使用该方法观察到两种不同的熔池形状 ， 如图6所示 。 结果解释了之前发现的从传导模式到小孔模式的变化：（i）在所用激光加工参数范围内 ， 小孔出现在激光粉末床熔合中；（ii）根据激光功率密度 ， 从传导模式到锁孔有一个精确定义的阈值 ， 该过程遵循蒸发、液体表面下沉和深层不稳定锁孔形成的顺序 。
图6固定激光照射下熔体池和蒸汽凹陷的演变 。 （A）熔体池的初始形成 。 （B）形成小而稳定的蒸汽凹陷 。 （C）蒸汽凹陷的稳定增长 。 （D）在蒸汽凹陷中形成不稳定性 。 （E ， F）蒸汽凹陷形状的快速变化 。 （G ， H）蒸汽降压的周期性波动 。 （I ， J）熔体池形状从准圆形到双峰的变化 。
AM过程中熔池的微观动力学研究一直是许多研究的重点 。 通过对镍基高温合金IN718的原位和操作同步辐射X射线成像和衍射 ， 研究了定向能沉积增材制造(DED-AM)的控制机理 。 利用这种独特的过程复制器 ， 可以对凝固过程中的熔池边界和流动动力学进行量化 。 空间分辨率精确地衍射了时间分辨的微结构相 ， 快速的冷却速率完全抑制了固相中第二相的形成或再结晶 。 凝固后 ， 应力迅速增大至冷却屈服强度 ， 说明在凝固结晶范围IN718的作用下 ， 累积的塑性耗尽了合金的延性 ， 导致液化开裂 。 X射线拍摄的熔池形状变化如图7所示 。 这一研究揭示了控制高非平衡微结构形成的机制 。 在整个过程中 ， 空间分辨率约为100 μ m ， 时间分辨率小于1 ms 。
图7实验方法和结果示意图 。 (A)粉末增材制造工艺复制器 ， 设计用于重现商业- am系统的操作 。 (B)现场x射线成像原理图 。 (C) IN718多层薄壁熔体轨迹 。
激光熔池在重力、表面张力、Marangoni效应和蒸汽压力下的流动演变是一个复杂的过程 。 Zhao等人使用激光粉末床熔合（LPBF）处理Ti-6Al-4V和其他粉末 ， 以观察熔池动力学的变化过程 ， 最高成像记录速率为10μm?兆赫 。 他们观察了不同激光功率和扫描速度条件下熔池几何结构的发展 ， 如图8所示 ， 如深度、纵横比（深度/宽度）和标称面积 。 同时 ， 他们观察到熔池生长过程中从较高生长速率到较低速率的变化 ， 这表明在激光加热的后期 ， 熔融金属的强而复杂的流动趋于缓和样品温度并保持相对稳定的熔池分布 。 X射线成像的时间分辨率小于22?μs 。 粉末运动行为的现象和机制随时间变化 ， 激光熔化过程中的环境压力如图9所示 。 最近 ， 他们基于图10所示的现场高速高分辨率X射线成像技术 ， 揭示了DED-AM过程中的四种孔隙形成机制 。
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