文 献 综 述
引言
近年来金属粉末床工艺的3D打印技术得到快速发展，粉末床的激光加工正在各工程领域中得到越来越广泛的应用。对于激光辐射的吸收是入射激光束与粉末颗粒的主要相互作用，其工艺过程很大程度上取决于粉末床的有效辐射传递特性，例如吸收率和辐射穿透深度等。同时激光粉末床中的辐射传递也引起了各个领域研究人员的关注，包括核能，太阳能和氢能以及高能隔热[1]等。许多学者都对其进行了相关的实验与理论研究，并且评估了辐射热导率以及各种外在内在因素对于反射率，吸收率和透射率特性等的影响。
目前最先进的金属3D打印机有望彻底改变传统制造过程，但是它还没有达到最佳的操作可靠性，主要面临的挑战是控制复杂的激光-粉末-熔池相互依赖性动力。高质量3D打印要求通过机械沉积获得薄且均匀的粉末层。当粉末颗粒为球形并且施加在颗粒上的重力等于或大于颗粒之间的范德华力[2]时，通常可以达到最佳条件。商用金属3D打印机通常使用直径约20微米或更大的球形颗粒粉末和波长为1.07微米的激光[3]，金属材料有铝合金，不锈钢，钛合金，模具钢等材料。
实验研究
国内外对激光粉末床中金属粉末颗粒在辐照条件下对于激光辐射的传递和吸收进行了大量的研究和讨论，他们指出粉末床的有效光学性能取决于粉末材料的光学性能和粉末床本身的结构。大量粉末成形的添加技术（AT），如选择性激光熔化（SLM）和选择性激光烧结（SLS）等技术通过用激光束熔化粉末，主要是对纯金属进行的，工业界也对各种合金粉末感兴趣，通常使用约1mu;m的激光波长工作将零件分层形成可以创建几乎任何复杂的高精度零件[4]。在铝颗粒为1mu;m的情况下，吸收率约为5％，而他们对块状铝的测量得出的吸收率约为20％。为了改进这些技术，首先我们要了解激光束与粉末层相互作用的物理原理。这种相互作用涉及物理过程，例如激光辐射的吸收和散射，颗粒层中的热传递以及粉末的压实等。产品的工艺性质在很大程度上取决于原始无规粉末包装的内部结构。由于入射辐射可以被粉末颗粒的表面反复反射和吸收，并深入到填充床中，为了评估激光辐射对粉末层的影响，有必要深度了解粉末床所吸收能量的空间分布。
用激光束扫描粉末床是各种增材制造过程的基本操作，例如选择性激光烧结和选择性激光熔化（SLM）[5]技术，使用的是单组分粉末，常用合金粉末或低熔点和高熔点粉末的混合物。大多数直接用于金属激光制造的机器所用的激光器都使用CO2或Nd：YAG激光器，激光功率在50-500W范围内，但也使用功率高达18kW的超高功率CO2激光器。CO2和Nd：YAG激光器之间的主要区别在于它们的波长，Nd：YAG激光器的波长为1.06mu;m，CO2激光器的波长为10.6mu;m。大多数金属的吸收率通过减小激光波长来增加，部分熔融系统制造的零件的密度为理论密度的45%至85%，通常采用低熔点材料（例如铜）进行炉子烧结和浸渗以增加组分的最终密度。SLM和3-D激光熔覆系统可制造出高密度零件，接近理论零件。SLM上的常规几何形状是激光束在放置于固体基材上的粉末层上的法线入射[6]到粉末床中形成的，在逐层工艺中常通过激光熔化先前层来形成衬底。激光熔覆[7]技术通常也是将预先放置在粉末床上的粉末进行辐照得到相似的几何形状,激光辐射通过开孔系统进入粉末床，并直接将能量传递到粉末床空间和基材中。由于粉末的低热导率，能量转移的辐射机制比导电机制更重要，因此沉积能量的空间分布对局部温度场具有至关重要的影响。Kovalev和Gusarov等开发了用于SLM和SLS技术的球形粉末散装填充床的统计分析技术[8]。研究讨论了单分散和多分散微粒的容器无规堆积的结构特征，对结构的分析包括颗粒尺寸的变化，确定填充层的孔隙率，比表面积和孔的曲折度，并且提出了这些结构参数以公式形式的理论推导并与已知实验数据进行了结构参数的近似分析和数值计算的比较分析。
研究激光束与填充粉末层的相互作用特征对于理解SLM和SLS过程和过程中所出现的现象是非常重要的[4]。颗粒层的结构影响着激光辐射的分布和颗粒对其的吸收，热传递和熔化过程。激光与粉末颗粒层相互作用的物理原理是，颗粒表面对激光辐射的吸收伴随着光束强度上的多次反射，散射和衰减。材料的吸收能力在所有激光工艺中也起着重要作用。在激光辐射与几何形状复杂的物体的相互作用中，如狭窄的通道或由激光切割产生的空腔，焊接或金属钻孔以及SLM处的粉末散装层[9]内存在着辐射的多重反射和吸收现象。
粉末床对激光辐射的反射的实验研究[10]表明，粉末的吸收率明显高于致密形式的相同材料的吸收率。范德舒伦[11]通过形状因数技术估算了沉积激光能量的深度分布，并且通过射线追踪和RTE计算出相似的轮廓，从理论上估计了激光辐射进入粉末床的渗透率并指出激光辐射在表面没有被吸收，而是渗透到粉末床中。Saad A.Khairallah等[12]使用高度保真模拟发现了新的飞溅诱发的缺陷形成机制，该机制取决于激光的扫描方式以及激光遮蔽和排出之间的关系。动态和最小化缺陷将有助于提高构建金属零部件的可靠性。流体动力与纳秒级的热扩散相结合可以准确地捕获高动态和非线性的激光粉末和激光熔池的相互作用然后将可变性问题与瞬态物理状态相关联，根据建模结果他们提出了减少飞溅与空隙并提高L-PBF零件可靠性的诸多方法。L-PBF是一种热驱动过程需要准确的激光材料吸收率才能进行预测建模，但是吸收率会根据熔池形态和温度出现复杂的变化。这个模型与以前的高保真模型[13]的不同之处在于吸收率是预测的输出而不是近似为恒定值的输入。
在多波束研究中已经注意到飞溅的减少[14]和预烧结还具有减少残余应力的额外好处[15]。这为某些增材制造实践打下了物理基础[16]，一些高致密化增材制造零件需要高功率同时又要避免空气孔等缺陷的出现。
