激光选区熔化（selective laser melting，SLM）技术是将激光作为热源，按照预先在程序中设置的路径，逐层扫描铺设好的粉末材料并使其在一定程度上熔化形成熔池，再经冷却凝固后成形。该技术具有加工周期短、节省试验材料成本、可加工材料种类丰富和易于成形复杂结构的零件等众多优点。SLM目前已广泛应用于生物医疗、航空航天［1］、汽车和军工制造业等领域［2］。在SLM 成形过程中，存在一系列复杂的物理现象。图1为SLM过程中的复杂物理现象，展示了粉末颗粒对激光辐射一部分能量的吸收、粉末颗粒之间的传热、粉末颗粒与基板间的传热、粉末颗粒的熔化与凝固、高温熔体蒸发的金属蒸汽与周围环境之间的辐射传热、金属熔池的流动与传热、高温熔体和粉末飞溅等现象。此过程中复杂的热传导伴随着飞溅产生，此现象不可避免，且极大地影响了制造过程的稳定性、能量利用率和成形件的质量精度［3］。
学者普遍认为加工过程中的能量密度和气体环境与零件的力学性能和致密度密切相关。一方面，能量密度会影响飞溅物的数量和体积［4］，Ye等［5］发现能量密度尤其影响粉末颗粒的熔化状态；Alkahari等［6］发现减少能量密度或增大层厚都将导致熔池面积缩减，熔池与基板间的润湿作用减少，熔池运动稳定性降低，飞溅显著；Salman等［7］发现与无轮廓扫描策略相比，采用轮廓扫描的组织更细，可检测的孔隙率或未熔化颗粒较少，对应的飞溅也最少。另一方面，Matthews等［8］发现气流对飞溅的产生有较大影响；Bin等［9］通过量化分析飞溅物的分布情况，发现控制保护气体流量可减少飞溅物。由于激光、粉末与成形部分的相互作用复杂交错，飞溅的数量和种类增多，监测也更为复杂。目前已有少量监测飞溅的技术，包括超高速光学相机成像［10］、纹影成像［8］、超高速同步加速器X射线成像［11］、红外视频成像［12］等，可清晰地监测激光与粉末颗粒之间的相互作用过程。
在SLM成形过程中，加工参数的设定对零件质量有很大的影响。然而，尚未有学者对不同加工参数下液滴飞溅特性进行统计研究。本文采用高速摄像机对SLM的飞溅过程进行捕捉，得到不同加工参数（线能量密度、保护气流方向）下的飞溅数量、面积和角度。最后，对未来研究方向进行探索，为相关领域研究提供参考。
1 实验设计
实验在实验室的SLM设备上开展（西安铂力特生产的BLT-S210SLM成形设备） ，该设备的光纤激光器波长为1 060 nm，激光功率最高可达500 W。S210最大成形尺寸为105 mm×105 mm×200 mm。使用气雾化316L不锈钢球形粉末进行单熔道成形实验，316L不锈钢球形粉末的粒度分布及粒径如表1所示。图2为S210 SLM实验设备的实拍图。利用高速相机（iX-Cameras公司生产的i-SPEED3系列高速摄像机）和滤光片截止波段为810 nm的变焦显微光学镜头，以2 000 fps的速度拍摄。粉末层厚度为50 μm，根据Liu等［13］的研究，将保护气流方向设为逆气流（用GD-L表示）和顺气流（用GD-W表示）的扫描方向，气流速度分布为1.5 m/s。
试验主要分为以下两个部分：1）能量输入：在保持SLM工艺充分熔化的条件下，设定激光功率为205 W、扫描速度为1 020 mm/s，高速相机的曝光时间为66 μs，分析SLM过程中飞溅的形成。2）激光加工参数对飞溅形成的影响：聚焦研究线性能量密度和气流方向对液滴飞溅的影响，分别对线性能量密度为0.15、0.20、0.25、0.30 J/mm及气流方向GD-L、GD-W下的24种场景进行激光熔化实验，其工艺参数如表2所示，并采集实验过程中的飞溅图像信息。线性能量密度的计算公式为
E=P/v
表2 激光熔化实验工艺参数 |
| 试验组别 | 激光功率 P /W | 扫描速度 v /（mm·s-1） | 线性能量密度E /（ J·mm-1） |
|---|---|---|---|
| 1 | 120 | 780 | 0.15 |
| 2 | 150 | 970 | 0.15 |
| 3 | 180 | 1 165 | 0.15 |
| 4 | 180 | 875 | 0.20 |
| 5 | 210 | 1 020 | 0.20 |
| 6 | 240 | 1 165 | 0.20 |
| 7 | 240 | 930 | 0.25 |
| 8 | 270 | 1 050 | 0.25 |
| 9 | 300 | 1 165 | 0.25 |
| 10 | 300 | 970 | 0.30 |
| 11 | 330 | 1 070 | 0.30 |
| 12 | 360 | 1 165 | 0.30 |
在数值模拟中，用于模拟计算的粉末粒径在15~53 μm之间，且这些316 L不锈钢球形粉末粒径的分布遵从正态分布。激光吸收率恒定为0.6，激光光束半径为35 μm，饱和蒸汽压力为1.013×105 Pa，惰性保护气流为氩气。仿真选用316 L不锈钢材料的热物理参数，其部分物理参数如表3所示。模拟中采用的316 L不锈钢球形粉末的几何参数与实验保持一致。
表3 316L不锈钢材料的部分物理参数 |
| 材料参数 | 数值 |
|---|---|
| 固相线温度Ts/K | 1 650 |
| 液相线温度Tl/K | 1 731 |
| 沸点Tv/K | 3 134 |
| 熔化潜热Lm/（J·kg-1） | 2.77×105 |
| 蒸发潜热Lv/（J·kg-1） | 6.34×106 |
| 摩尔质量M/（g·mol-1） | 56.299 |
| 热辐射系数ɛ | 0.4 |
| 理想气体常数R/（J·mol-1·K-1） | 8.314 |
| 初始温度T 0 /K | 293 |
2 图像处理与分析
3 结果与讨论
3.1 SLM成形过程中飞溅的形成过程
SLM 成形过程中激光与物质相互作用会产生复杂多样的物理现象，对 SLM 成形质量有着重要的影响。图5为SLM成形316L不锈钢球形粉末各物理现象演变过程，激光功率为205 W，扫描速度为1 020 mm/s。
如图5所示，激光出光后约40 μs，粉末床表面金属粉末颗粒在激光作用下熔化形成熔池。在t=100 μs时，在金属蒸汽诱导的反冲压力充足的情况下，熔池凹陷区域能够进一步发展成为熔池小孔模式。在t=160 μs时，蒸发持续发生，表面凸起的自身重力开始和表面张力对抗，熔体突起发展成为一个向后溅射的倾斜金属液柱。在t=230 μs时，当凸起熔体获得足够的动量以摆脱表面张力的作用时，液柱发生断裂，熔池中大量熔体被排出，液柱末端断裂后形成液滴飞溅，向斜后方飞行。在t=360 μs时，向后翻涌的熔体与向前回落的液柱聚集，发生熔体突起。在t=420 μs时，后涌形成的熔体突起来回振荡，在熔池表面张力的束缚下维持短暂的动态平衡。综上，SLM成形中的熔池运动伴随飞溅的产生，且熔池运动具有一定的周期性。
3.2 不同线能量密度下液滴飞溅的特征评价
4 结论
1）在激光选区熔化过程中，液滴飞溅特征与气流方向及线能量密度有较强相关性。
2）SLM过程中熔池运动伴随飞溅产生，且熔池运动具有一定的周期性。
3）与GD-W工艺相比，在GD-L下，产生的飞溅数量与飞溅总面积更小，更利于SLM过程中飞溅物的去除。
4）随着线能量密度增大，飞溅数量整体增多。
5）线能量密度为0.20 J/mm时，飞溅总数最少；线能量密度为0.15 J/mm和0.25 J/mm时，飞溅数量相近，0.30 J/mm条件下飞溅数量最多。
6）结合不同线能量密度和保护气流方向飞溅的分析，建议采用0.20 J/mm线能量密度并逆扫描方向施加保护气流，以保证成形过程中有较少的飞溅产生。