27、增材制造中激光技术的应用与材料筛选

增材制造中激光技术的应用与材料筛选

1. 激光材料加工基础

激光材料加工是一种基于高强度（>10⁵W/cm²）激光辐射照射基底表面的技术。激光的光能被电子系统吸收，随后将能量传递到声子系统，直至达到热平衡。对于脉冲长度超过100皮秒（10⁻¹²秒）的激光，电子和声子的热化几乎瞬间发生，这类过程被称为热激光加工。基于选择性激光熔化（SLM）和激光金属沉积（LMD）的金属激光增材制造技术，由于需要熔化过程，始终是热驱动的。

理解激光束作为热源的特性至关重要。具有高斯强度分布的激光束被广泛采用，其热通量可以用以下公式表示：
[
\widetilde{Q} = \frac{2AP_w}{\pi R_w^2} e^{-2\frac{(x^2 + y^2)}{R_w^2}}
]
其中，(\widetilde{Q}) 是表面热生成项，(R_w) 是距热源中心的距离，(A) 是激光吸收系数，(P_w) 是激光功率。

生成的热量与材料相互作用，描述加工部件内热量耗散的简化热传递方程为：
[
\rho C_p \frac{\partial T}{\partial t} = k \nabla^2 T
]
其中，(k) 是有效热导率，(C_p) 和 (\rho) 分别是材料的有效比热容和密度。

并非所有激光光能都转化为影响最终部件工艺和性能的热量，与环境的热交换（通过对流和辐射）几乎不可避免。对流和辐射的热损失分别可以用以下公式描述：
对流热损失：
[
Q_{conv} = h (T_{amb} - T)
]
辐射热损失：
[
Q