毫米级大光斑熔融月壤粉末床的原位观测研究

由于松散粉末床的导热性很差,直接使用低功率能量束熔融打印时,连续的熔道不易形成。为了提高太阳光聚光熔融月壤打印过程中的能量穿透深度,开展了大尺寸光斑熔化模拟月壤粉末床时,熔池形成过程的原位观测研究。为了模拟太阳光汇聚光斑,将激光的光斑尺寸扩束至数毫米,并直接作用于无基底的厚粉末床表面。基于高速成像技术,原位观测了激光作用过程中的熔滴生长情况。实验发现,部分熔化的表层粉末表现出颗粒间的大规模协同作用,称为“卷吸”过程。在该过程中,粉末床表面依次发生表层卷起、与粉末床分离、融入熔滴,导致了熔滴的不连续生长。基于光斑与粉末床作用的能量守恒关系,分析了熔滴尺寸的生长规律,并与实验结果进行了对比。结果表明,低功率大光斑激光产生的熔滴一般不会超过光斑范围,且功率越高,卷起的粉末层熔化越不完全,此时具有更高的能量利用效率。卷吸机制绕开了低导热性的限制,特别是针对月壤熔融打印技术,使得厚粉末床上直接打印熔道在机制上成为可能。