研究人员测量电子发射以提高对基于激光的金属3D打印的理解

劳伦斯·利弗莫尔实验室(LLNL)的研究人员已经通过在激光加工过程中测量从不锈钢表面发出的电子来提高基于激光的金属3D打印技术的可靠性，迈出了令人鼓舞的一步。

研究人员使用定制的测试台系统和电流前置放大器收集了在激光粉末床熔合(LPBF)条件下从316L不锈钢获得的热电子发射信号，该放大器测量了金属表面和腔室之间的电子流动。然后他们使用产生的热电子发射来识别由激光-金属相互作用引起的动力学。《通讯材料》杂志于11月27日在线发布了该作品。

研究小组说，这些结果说明了热电子发射检测技术能够检测出激光驱动现象的可能性，这些现象可能会导致零件缺陷，优化制造参数并提高对LPBF工艺的了解，同时还可以补充现有的诊断功能。研究人员说，捕获电子热辐射的能力将有助于加深对LPBF工艺中涉及的激光材料相互作用动力学的基本了解，并支持更广泛的技术成熟社区建立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增材制造(AM)在商业上广泛采用的主要障碍。” “ LLNL研究人员一直在通过开发过程和诊断工具来改善金属增材制造的可靠性来解决这个问题。这种新的方法论对这些现有的诊断工具进行了补充，以加深我们对3D打印过程的理解。我们的下一步是扩展该技术进入在全尺寸LPBF系统上运行的传感器，以提高对内置零件质量的信心。”

研究人员说，尽管已经进行了大量研究以通过光学成像，X射线射线照相或测量热或声信号发射来理解和测量LPBF如何印刷零件，但热离子发射却被忽略了。但是，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了它们可以将热电子发射的增加与表面温度和激光扫描条件联系在一起，从而导致孔形成和零件缺陷。

通过实验数据和模拟，研究人员报告了热离子发射信号呈指数增长，熔池深度随局部能量密度呈线性增加，证明了金属表面温度对热离子发射的“临界依赖性”，以及将热离子信号用作热电偶的效用。 LPBF中优化激光聚焦的方法。

第一作者和LLNL工程师Phil DePond说：“金属增材制造中的电子发射通常被社区所忽视，我们很高兴看到它对工艺条件的极端敏感性。”

研究小组的观察结果表明，LPBF工艺过程中的等离子体形成可能是由电子从金属表面喷射到氩气气氛中并与激光相互作用而引起的，他们先前将这种现象归因于汽化金属被激光束电离。

研究人员说，热电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孔形成之间的确切过渡点，从而导致零件中形成孔。他们得出的结论表明，热电子信号可与传统的LPBF数据收集和处理方法一起有效使用，提高了激光与材料相互作用的科学知识，并确定了可能出现缺陷的地方。

共同作者兼激光材料交互作用科学小组负责人Manyalibo“ Ibo” Matthews说，这项研究从更广泛的意义上说，“代表着建立有效的原位监测功能的重要步骤，可以加快LPBF组件的鉴定和认证。

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