金属增材制造（MAM）技术是目前全球范围内的一次科技和产业革命，国家工业和信息化部在2017年印发的《增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）》^[1]指出，要从原材料、技术装备、技术应用和3D打印 等方面大力推进增材制造技术的发展。国家通过加大协调力度、加大财政投入、扩大融资渠道和促进国内外合作等方面给予发展增材制造技术的保障。

1.1 SLM技术特点

激光选区熔化技术（SLM）是金属增材制造技术的重要分支，其能够直接通过数字模型，通过逐层堆积的方式实现近净成形，并且具有成形性能好、致密度高、生产灵活性高、不需要模具等优点，被国内外高校和研究机构广泛研究，并且在国内外制造业应用较为广泛。然而，虽然SLM成形技术有很多传统制造技术没有的优点，但是相比于传统制造技术使用的优质性能毛坯进行切削加工出的零件相比，SLM制造出的零件仍然存在许多缺陷，如气孔、裂纹等，这将严重影响零件的力学性能如拉伸强度、疲劳寿命、屈服强度和延伸率等，在实际应用中将会带来不可预估的后果。目前了解SLM成形缺陷的方法主要是通过电镜扫描SLM成形零件截面^[2]，通过工艺参数及扫描策略改变，尽量减少和避免缺陷产生。但是成形缺陷产生的本质原因并没有明确，成形时的飞溅、熔池特性对成形缺陷的影响也没有很好的研究。

1.2 高速摄影系统技术特点

高速摄影系统通过SLM成形时的在线监测，能够获得成形过程中激光-物质相互作用、飞溅运动、熔池行为的高速图像，通过后续视频的回放能够在线下对飞溅、熔池等特性的研究，通过研究结果与成型缺陷的对应，能够从根本上了解缺陷形成原因，从而能够减少和避免缺陷的形成。另一方面，如果将高速摄影设备与SLM成形设备进行系统整合，通过机器视觉等方式与SLM成形过程建立反馈，能够在线对成形工艺进行调控，这对商业化SLM技术具有极大的发展意义。

1.3 国内外在线监测研究现状

目前国内外对激光增材制造过程的在线监测研究刚刚起步，对SLM成形过程的监测也分为高能X射线高速摄影和可见光高速摄影两大种类。对于可见光高速摄影，能够对熔池表面及熔池上方飞溅进行记录，在辅助照明光源的帮助下，能够同时观测冷、热飞溅，但是不能够对熔池内部情况进行研究；高能X射线高速摄影能够对熔池内部进行研究如气孔等，但是其设备、射线安全性和价格成为研究的极大阻碍。

1.3.1 国内外高速摄影飞溅研究现状

在飞溅研究方面2018密苏里科技大学的Guo Q^[3]等人对飞溅运动进行了量化，成形功率在312W以下，其利用可见光高速摄影研究了固定光束、单道扫描和三种气压下的飞溅动力学，分别对金属蒸汽反冲压和Ar流卷吸作用进行量化，其指出飞溅产生是由金属蒸汽反冲压和Ar流卷吸作用共同导致，并且在驱动加速度方面，金属蒸汽反冲压作用比Ar流卷吸作用高一个数量级，并将全视场内的飞溅进行了分区，其中靠近激光光束的飞溅为金属蒸汽反冲压驱动的；在激光扫描方向后方即上述区域的后方的飞溅为Ar流卷吸作用导致的飞溅；2018年法国PIMM实验室的V.Gunenthiram, P^[4]等人研究了高功率（~2320W）范围的316L不锈钢成形飞溅和熔池行为。飞溅方面，文章指出飞溅的起始位置在熔池与粉床的交界处，粉末飞溅可以通过气流卷吸和获得金属蒸汽羽流的动能来实现，对于扫描速度低、功率高，飞溅数量会增长，并且大尺寸飞溅的占比增加。对比Al合金和316L不锈钢，不锈钢的飞溅数量大约是Al合金的3倍。另外对于Al合金和不锈钢，随着功率增加，飞溅出射角度接近垂直。随着VED（体能量密度增加），飞溅数量增加；2017年美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Sonny Ly^[5]等人利用可见光高速摄影研究了飞溅产生机制，成形功率在300W以下，文章指出飞溅由Ar卷吸作用产生，与激光焊接中被人们熟知的金属反冲压力诱导飞溅产生机制不同，给出了三种类型的粉末飞溅即直接被吸入熔池参与成形、被卷吸但错过激光光束成为冷飞溅（粉末飞溅）和被卷须并且经过激光光束成为热飞溅（熔滴飞溅），并且通过数值模拟的手段进行了验证；2017年密歇根大学的TaheriAndani M^[6]等人通过可见光高速摄影研究了单光束和双光束接近时不同的飞溅数量和尺寸，成形功率在300W以下，其利用MATLAB算法实现了飞溅数量和尺寸的统计，并将飞溅与宏观成形零件的性能进行关联，文章指出双光束会造成数量更多的飞溅，从而导致了成形零件力学性能的下降，但是文章并没有研究双光束异步、同步作用时的飞溅运动，也没有研究飞溅的速度和轨迹； 2015年华南理工大学刘洋^[7]通过可见光高速摄影研究了成形参数、粉末性能对飞溅影响，成形参数在200W以下，当扫描速度高、功率高和粉末氧含量高时，飞溅数量较大，文章研究了干净原始粉末和多次循环使用的污染粉末对成形零件的力学性能的影响，研究表明，干净粉末成形零件的力学性能远高于污染粉末，原因是污染粉末中的飞溅导致成形是形成孔洞，成为零件的断裂源，降低了零件力学性能；

1.3.2 国内外高速摄影熔池研究现状