編者按 ?

  為集中展示激光增材制造領域的新發現、新進展和新突破，《中國激光》組織策劃了“激光增材制造”專題，專題內容呈現工藝廣、材料全、結構新的特點，于2022年14期出版。(點擊查看專題網頁)

 

       專題封底文章來源于中國地質大學（武漢）先進設計與制造團隊郝亮教授課題組，通過自主設計并搭建的面向激光選區熔化(SLM)的高時空分辨原位成像系統，實時監測SLM增材制造過程中的激光-粉末相互作用。

 

封面 |殷杰, 郝亮, 楊亮亮, 李妍, 李正, 孫慶磊, 石斌. 激光選區熔化增材制造中金屬蒸氣與飛濺相互作用研究[J]. 中國激光, 2022, 49(14): 1402202

  

封面解讀

 

  封面呈現了激光選區熔化增材制造過程的基本原理。粉末在高能束激光的作用下經歷了固態、液態、氣態乃至等離子態，相態之間的相互作用顯著。其中，金屬蒸氣與飛濺“氣-固”相互作用包括：金屬蒸氣通過卷吸作用誘導的惰性卷吸氣流間接作用于粉末顆粒，形成粉末飛濺；金屬蒸氣通過抬升力或反沖力直接作用于粉末顆粒，使其進入蒸氣羽流或落回粉床。通過高時空分辨原位實時監測揭示了“激光與物質相互作用”的物理本質，為激光選區熔化技術實現高質量成形奠定了基礎。

 

1 研究背景

 

  激光選區熔化(SLM)，又稱粉末床激光熔融(LPBF)，為個性化定制產品提供了一種低成本、高效率的制造方法，尤其適用于薄壁、復雜腔體、內流道等復雜零部件的快速成形，在航空航天、能源、生物和珠寶等領域應用前景廣闊。

 

       當前，SLM技術正朝著大尺寸多光束、多材料、高質高效和控形保性方向發展，但同時也存在著制約其工藝可靠性和可重復性的問題需要解決，如材料內部的冶金缺陷和殘余應力等。較之已有百年歷史的等材制造和減材制造，增材制造特別是SLM技術問世至今僅數十年，其成形機理還未完全明晰。

 

       通過研究SLM激光與物質的相互作用及其與成形缺陷之間的內在關聯，可為SLM技術實現少缺陷甚至是無缺陷的穩定成形奠定基礎。

 

2 創新工作

 

        中國地質大學（武漢）先進設計與制造團隊聯合武漢光電國家研究中心，通過自主設計并搭建的面向SLM的高時空分辨原位成像系統(最高時間分辨率190 ns，最高空間分辨率3 μm/pixel)，能夠實時監測SLM增材制造過程中的激光-粉末相互作用(包括熔池特征、金屬蒸氣行為和飛濺運動規律等)，本文主要研究工作如下：

 

 

 

  值得一提的是，本文所提方法已授權專利(ZL202210146980.0)，該發明專利經預審通道64天收到專利授權通知書，85天正式收到發明專利證書，得到了評審專家的積極肯定，是中國地質大學(武漢)建校70周年以來獲批最快的國家發明專利之一。(https://voice.cug.edu.cn/info/1032/20009.htm)

 

3 工作展望

 

  SLM增材制造的物理本質是“激光與物質(材料)相互作用”，后續工作擬從“激光”與“材料”兩個層面深入拓展：前者包括不同激光模式/多光束SLM成形過程中的激光與物質相互作用，后者則聚焦于多材料/難成形材料的SLM成形機理等，以期為高質高效、大尺寸SLM增材制造控形保性的發展奠定基礎。

 

課題組介紹

 

課題組合影照

 

  中國地質大學(武漢)先進設計與制造團隊依托于中國地質大學(武漢)珠寶學院與機電學院，團隊先后承擔了國家重點研發計劃項目、國防973項目，國家自然科學基金、湖北省揭榜制科技項目、裝備預研教育部聯合基金一般項目、航天科技創新重點基金等項目。在國內外重要期刊發表學術論文380余篇，其中入選高被引論文10篇，申請或授權中國發明專利42項。團隊近年來圍繞國家重大戰略需求，瞄準航空航天發動機推力室異種金屬等增材制造與精密成形前沿技術，促進激光增材制造技術在航空航天、醫療健康、智能穿戴等制造領域的拓展應用。團隊負責人郝亮教授曾與英國空中客車等企業合作開展了輕質航空零件的低碳設計制造技術研發與應用示范，通過跨學科交叉(設計、制造與計算機等)數字經濟項目研發了規?；瘜嵨锂a品共享制造與價值共創模式，獲得了世界知名CAD/CAM軟件公司DELCAM的支持。

 

第一作者簡介

 

 

殷杰，中國地質大學(武漢)教授/博導，入選地大學者青年拔尖人才。主要研究激光先進制造/激光與物質相互作用。先后主持國家自然科學基金、國防973子課題、上海航天科技創新重點基金(結題成果優秀)、中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助等項目。發表學術論文30余篇(近五年5篇代表作總IF=55.5)，Google Scholar被引超2000次，3篇入選ESI/F5000高被引論文和封面文章，獲增材制造前沿國際學術會議最佳論文獎等獎勵。完成省級科技成果鑒定1項(整體技術達到國際先進水平)，參編行業標準1項，受理和授權發明專利6項。受邀擔任RAAM，LIMA等國際學術會議的分會主席并作邀請報告。擔任國際學術期刊Micromachines等編委及20個學術期刊審稿人。在科睿唯安作者影響力射束圖全部論文的引文百分位中位數為92%，近12個月學術評審貢獻百分位為96%。

 

通信作者簡介

 

 

郝亮，中國地質大學(武漢)教授/博導，副院長，先進制造研究所所長，湖北省珠寶工程技術研究中心常務主任，湖北省高層次專家，湖北省“產業教授”、湖北省特種加工協會副理事長、“創新創業戰略團隊帶頭人”等榮譽稱號在英國期間主持/參與包括英國工程和物理科學基金、科技發展局、皇家工程協會、歐盟和企業如英國空中客車公司資助的超過300萬英磅的研究項目(含兩項大型歐盟項目)，研發了世界首個激光粉末床熔融輕量化鈦合金構件并經過航天飛行測試(2009)。回國后主持/參與國家自然基金面上項目2項、國家重點研發計劃、國際合作交流項目和湖北省揭榜制科技項目及多項省部級資助項目。在國外國內核心期刊與重要會議發表100多篇論文，含5篇高被引論文，獲批發明專利12項，撰寫相關英文學術著作5部。被引次數9658次，H-index 49。

 

科學編輯 |殷杰

編輯 |沈靈靈