作者杰瑞米·托马斯，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 研究人员测量了在激光粉末床聚变(LPBF)条件下不锈钢表面的电子发射，证明了使用热离子发射信号来检测可能在零件中产生缺陷的现象并提高对LPBF过程的理解的潜力
上图显示了激光诱导不锈钢熔化的多物理模拟，显示了主要在表面凹陷前部产生的电子发射信号
下图描绘了由不锈钢制成的激光轨迹的横截面
热离子发射的监测可以检测传导(左)和锁眼(右)模式焊接状态之间的转变
信用:艾登马丁/LLNL 劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员通过测量激光加工过程中不锈钢表面的电子发射，在提高基于激光的金属三维打印技术的可靠性方面迈出了有希望的一步
研究人员在激光粉末床聚变(LPBF)条件下，使用定制的试验台系统和电流前置放大器测量金属表面和腔室之间的电子流，从316L不锈钢收集热离子发射信号。
然后，他们利用产生的热离子发射来识别激光-金属相互作用引起的动力学
《通讯材料》杂志于11月11日在网上发布了这项工作
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该团队表示，这些结果说明了热离子发射传感在检测可能导致零件缺陷的激光驱动现象、优化制造参数和提高LPBF工艺知识方面的潜力，同时补充了现有的诊断能力
研究人员表示，捕捉电子热发射的能力将有助于推进对LPBF过程中涉及的激光-材料相互作用动力学的基本理解，并支持更广泛的技术成熟社区建立对使用该技术制造的零件的信心
首席研究员艾登·马丁说:“生产无缺陷零件是金属添加剂制造广泛商业化的主要障碍。”
“LLNL研究人员一直在通过开发过程和诊断工具来解决这个问题，以提高金属调幅的可靠性
这种新的方法补充了现有的诊断工具，增加了我们对三维打印过程的理解
我们的下一步是将这项技术扩展到在全尺寸LPBF系统上运行的传感器，以提高对制造零件质量的信心
" 研究人员说，虽然已经进行了大量研究，通过光学成像、x光片或测量热或声信号发射来了解和测量零件如何用低功率因数印刷，但热离子发射被忽视了
但通过观察和分析激光加工过程中发射的电子，实验室研究人员证明，它们可以将热离子发射的增加与表面温度和激光扫描条件联系起来，从而导致孔隙形成和零件缺陷
通过实验数据和模拟，研究人员报告热离子发射信号呈指数级增加，熔池深度呈线性增加，具有局部能量密度，证明了金属表面温度对热离子发射的“临界依赖性”，以及使用热离子信号作为优化激光聚焦的一种方法的效用
“金属添加剂制造中的电子发射通常被社区忽视，我们很兴奋地观察到它对工艺条件的极端敏感性，”第一作者和LLNL工程师菲尔·德邦德说
研究小组的观察结果显示，在低功率等离子体形成过程中，等离子体的形成也可能是由电子从金属表面喷射到氩气环境中并与激光相互作用引起的，他们之前将此归因于激光束对汽化金属的电离
研究人员说，热离子发射对表面温度和表面形态的高度敏感性使他们能够确定传导和锁眼形成之间的确切转变点，这将导致零件中的孔隙形成
他们得出的结论是，热离子信号可以有效地用于传统的低功率粒子束流数据收集和处理方法，提高激光-材料相互作用的科学知识，并识别可能出现缺陷的地方
更广泛地说，这项工作“代表着向建立有效的现场监测能力迈出的重要一步，这可以加速LPBF部件的鉴定和认证，”合著者和激光材料相互作用科学组组长曼尼亚利博“伊博”马修斯说
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