虽然正在进行严格的研究 ， 以了解和测量增材制造制造组件的工艺历史 ， 但热依赖信号 ， 即热离子发射 ， 似乎被诊断界忽视了 。 热离子发射检测利用与温度相关的电子释放现象 ， 其中价电子获得足够的能量来克服材料的功函数并从金属表面逃逸 。 LPBF过程中的最高温度区域 ， 即熔池区域 ， 将主导测量信号（图1a、b） 。 由于电流密度和温度之间的非线性关系 ， 热电子发射检测是解决LPBF过程中温度信息的一种很有前景的技术 。 虽然热电子发射的性质已用于信号放大、电子生成和发电 ， 但迄今为止 ， 尚未使用这种性质的传感器测量金属增材制造过程 。 该技术不像其他应用于LPBF的传统热测量技术那样依赖于检测表面的光发射 ， 而是基于从工作表面释放出来的电子流 。
图1 基板表面热离子发射的可视化以及LPBF期间用于信号检测的实验配置 。
本文介绍了一种测量LPBF过程中产生的总热离子信号的方法 ， 并用于解决LPBF增材制造相关条件下316 L不锈钢中激光-材料相互作用动力学问题 。 基于实验观测 ， 热离子发射解决了由于激光束局部能量密度的变化而引起的表面温度的变化、由传导模式到熔孔模式的转变以及在基底表面形成气体放电而引起的表面形貌的变化 。 热离子信号与表面缺陷和材料过热导致孔隙形成区域的相关性也显示了热离子发射作为过程监测诊断的潜力 。
选择性激光熔化(SLM)过程的原理图 。
结果
能量密度对热电子发射信号的影响
热电子发射信号是使用定制的试验台LPBF系统采集的 ， 该系统对激光加工条件具有高度控制并进行了修改 ， 以包括电流测量设备（图1c） 。 进行测量时 ， 热离子信号、激光参数和扫描位置被捕获为时间函数 ， 因此动力学可以与加工条件和形态特征直接相关（图1d） 。 由于聚焦光学器件中的漂移和热透镜 ， 预构建优化和识别光束直径的变化对于最大限度地提高工艺稳定性至关重要 。 316L不锈钢中热离子信号与激光束直径关系的研究?在高真空下进行 。 通过改变衬底表面和用于光束聚焦的平凸球面透镜之间的距离进行实验 。 在高真空条件下 ， 热离子信号的最大值为60?μA是通过在焦距条件附近和焦距条件下以递增步长执行后续扫描轨迹来实现的（图2a） 。 聚焦激光束的D4σ直径约为90?μm ， 增加至98和108?μm分别位于聚焦条件的任一侧 。 图2a显示了熔池深度和热离子发射信号捕获在聚焦条件和束径方面的变化 。
图2 不同腔室环境下 ， 平均热离子信号和熔池深度作为激光束直径和归一化焓的函数 。
图2b显示了氩气环境下平均热离子信号与激光束直径的函数关系 。 与高真空一样 ， 在氩气环境下 ， 大束径和低归一化焓的信号相对较低 。 当接近最大能量密度条件时 ， 信号增加至最大80 pA ， 并与最大熔池深度相关 。
作为激光功率和扫描速度函数的热离子信号
为了了解激光参数对热离子信号的依赖性 ， 研究了316L不锈钢中的各种激光功率和速度组合?高真空和氩气环境下的裸板（图3） 。 使用的激光参数范围是316L不锈钢LPBF的典型参数 。 在高真空中 ， 测得的热离子信号的极性为负 ， 这意味着电子从金属表面发射出来 。 热离子信号随着激光功率的增加而增加 。 当扫描速度较慢 ， 200 mm s?1时 ， 50 W时的信号最小 ， <20 μ A ， 当激光功率增加到150 W时 ， 信号大小大幅增加 ， 接近100 μ A(图3a) 。 在150 W时 ， 与较低激光功率时相比 ， 信号噪声也显著增加 。 当功率增加到150w以上时 ， 信号的幅值没有增加 ， 但信号的噪声明显增加 。 噪声增加的原因被归因于从传导到深匙孔模式熔化的转变 。 在轨道的开始和结束处的信号大于稳态扫描条件 ， 这是由于在轨道的这些阶段由于振镜扫描镜的加速和减速而导致扫描速度下降所致 。 测量在1000 mm s?1扫描速度显示几乎线性增加热离子信号与激光功率的大小直到300 W的信号幅度高原(图3 b) 。 检查光学图像的横截面在这些激光功率和扫描速度显示300 W的情况是出现融化锁眼模式的转变这些转变动力学被归结为观察到的线性响应热离子的变化激光功率信号 。
【Nature子刊：通过检测热感应电子发射解决增材制造过程中的激光-金属相互作用动力学】
图3 在各种腔室环境和激光扫描条件下 ， 热离子信号随时间的变化 。
氩环境下的激光照射会产生具有正极性的热离子信号（图3c） 。 在相同激光参数下 ， 两种环境条件下的热离子信号相差六个数量级 。 随着激光功率的增加 ， 信号的幅度增加至~500 pA 。 在较高的激光功率下 ， 信号也具有平台 ， 噪声增加 。 当扫描速度增加到1000mm?s?1时?在轨道的起点和终点观察到热离子信号的显著变化（图3d） 。 即使在300?W稳态扫描期间的信号仅约为50 pA 。 对于高扫描速度下的氩气 ， 热离子信号对激光功率的变化响应较小 ， 对扫描速度的变化响应更大 。 参数依赖性结果表明 ， 热离子信号对过程中参数的变化具有响应性 ， 特别是在真空中 ， 电子可以自由逃逸表面 ， 并且信号会缩放激光功率 ， 直到在向小孔模式熔化过渡时达到阈值 。 氩气中的热离子信号响应更为细微 ， 受氩气保护气体中形成的等离子体的影响很大 。
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