综述：激光-电弧混合增材制造：进展、挑战及未来方向的全面综述

《Optics & Laser Technology》：Laser-arc hybrid additive manufacturing: a comprehensive review of progress, challenges, and future directions

激光-电弧混合增材制造（LAHAM）技术通过耦合激光的高精度与电弧的高沉积效率，有效解决传统单热源制造中精度与效率的矛盾，为航空航天等高端制造领域提供创新解决方案。本文系统综述了LAHAM的协同机理、材料体系特性及典型应用案例，揭示了多能场耦合对熔池热流场调控、缺陷抑制及微观结构优化的作用规律，并分析了工艺参数优化、残余应力控制等关键挑战与发展趋势。

　　激光-电弧复合增材制造（LAHAM）技术作为一种新兴的多能场协同增材制造技术，其核心创新在于将激光的高精度与电弧的高沉积效率相结合。这种协同效应有效地克服了传统单一热源增材制造过程中精度与效率之间的固有矛盾，为航空航天和能源设备领域关键部件的制造提供了一种创新的解决方案。本研究系统地回顾了LAHAM在协同工艺机制、材料体系和应用方面的研究进展。双热源的耦合显著改善了熔池内的热流场分布和能量输入模式，增强了熔池的稳定性，并有效调控了凝固行为以及典型缺陷如气孔和裂纹的形成与演变机制。此外，引入辅助工艺进一步提升了缺陷抑制效率，并在微观结构控制和性能优化方面展现出协同效应。同时，研究还分析了LAHAM在代表性材料体系中结构-性能关系的调控机制。最后，讨论了当前LAHAM研究领域面临的主要挑战和未来发展趋势。本研究的目的是为LAHAM技术的理论深化和工业应用提供系统性的参考。

增材制造（AM）技术自20世纪80年代诞生以来，凭借其离散堆叠成型和数字化驱动的特性，重新定义了传统制造的边界和设计范式。这种技术能够通过计算机辅助设计实现材料的精确逐层堆叠，不仅在近净成形和复杂结构材料利用率方面取得了突破性提升，还通过缩短机械产品的开发周期，展现出显著的优势。这些优势使AM技术成为高端制造领域的重要战略手段，如航空航天精密部件和生物医学个性化植入物的制造。在这一技术体系中，金属增材制造（MAM）成为推动精密设备制造技术升级的核心载体，具备整体成形高性能金属部件的能力。

从技术演进的角度来看，MAM可以分为激光、电弧和电子束三种主要工艺系统，依据热源的特性。其中，激光增材制造（LAM）利用高能密度的激光束，逐层精确控制熔池，能够实现高精度的成形结果。例如，王等人利用LAM技术制备了高密度的Al-Cr-Sc-Zr合金，这些合金具有均匀的微观结构和优异的机械性能。而电弧增材制造（WAAM）则因其高沉积效率和低成本，在高效制造大型金属部件方面展现出显著优势。沈等人利用冷金属转移电弧增材制造（CMT-AM）技术制备了CoCrFeNiMo0.2高熵合金丝材，发现多个平行路径（MPP）试样的机械性能各向异性显著降低。这一现象归因于复杂的热和再熔效应，导致内部组织没有明显的择优取向。

电子束增材制造（EBAM）则具有独特的加工特性，如高真空环境、高能密度和高扫描速度，能够有效减少因快速冷却产生的高残余应力。张等人利用EBAM技术制备的镍铝合金青铜合金壁结构展现出优异的综合性能，明显优于铸造合金。这是由于微观结构的细化、κIII相的部分球化以及脆性β′相的消除所致。

然而，单一热源系统受限于其固有的能量传输机制，在热力流多场耦合过程中面临诸多挑战。LAM中的快速凝固会产生非平衡相和高残余应力，导致熔池的突变以及层间气孔和微裂纹的形成。这些问题显著降低了材料的延展性和疲劳寿命。WAAM则由于高热输入梯度，导致热积累，引发晶粒粗化和元素偏析，造成强度-韧性不匹配和各向异性增加。在EBAM中，熔合过程中的真空环境加剧了元素的挥发，导致成分偏差，并在表面形成脆性的再熔层。这些由热源能量场特性产生的多尺度缺陷，反映出单一能量输入模型在时空调控方面的局限性。

在此背景下，多热源复合技术得到了发展。通过多能场的耦合，这种技术突破了单一热源的能量分布和工艺调控限制，为解决上述技术瓶颈提供了新的途径。表1总结了几种典型混合热源技术的优缺点。特别地，激光-电弧混合热源集成了激光束的高能聚焦特性与电弧的宽域热作用，使其能够在熔池稳定性、热效率和冶金质量方面表现出显著的协同效应。自20世纪70年代应用于焊接以来，LAHAM技术显著提高了焊接成型的质量。近年来，其时空协同优势扩展至增材制造领域，形成了激光-电弧复合增材制造（LAHAM）技术。与传统的单一热源增材制造相比，LAHAM在热源配置机制上实现了重要突破。双热源的互补协同克服了单一热源在沉积速率与成形精度之间的固有限制，实现了对熔池动态行为、热循环过程和材料性能的更精确和高效的调控。研究表明，LAHAM技术能够显著提高成形精度和表面质量，降低缺陷率，并增强材料的机械性能和微观结构均匀性，同时确保高沉积速率。随着该技术的不断发展，其在制造大型复杂部件方面的应用潜力日益凸显。然而，随着应用需求的扩展，LAHAM技术也面临着一系列新的挑战。一方面，双热源协同控制高度复杂，实现对热源功率、扫描路径和速度的精确动态调整以适应不同材料和复杂形状部件的制造需求，是一个亟需解决的问题。另一方面，对于某些高性能合金，LAHAM技术在加工稳定性和微观结构控制能力方面仍需进一步提升。

因此，本研究对LAHAM技术的研究进展进行了系统性综述。首先，介绍了LAHAM的工艺优势，并分析了复合工艺的协同机制和动态参数调控规律。探讨了双热源耦合下热行为对熔池演化的影响，并阐明了辅助工艺在缺陷抑制和性能优化中的作用。其次，系统分析了典型材料如不锈钢、铝合金和镍基合金的特性差异及其适应的供应方法，阐述了不同材料的微观结构与性能之间的映射关系。然后，通过典型复杂部件的实例，进一步验证了LAHAM在制造高性能复杂部件方面的可行性。本综述的结构框架如图1所示。最后，讨论并分析了LAHAM技术当前面临的挑战和未来发展趋势。本综述旨在为LAHAM技术的进一步研究和应用提供参考。

LAHAM技术在工艺性能上实现了多能场的协同跃升，其优势主要体现在以下几个方面。一方面，双热源的协同作用有效提升了熔池的稳定性，同时优化了热效率和冶金质量。这种协同效应不仅能够改善熔池的动态行为，还能够调控热循环过程，从而提升材料的综合性能。另一方面，LAHAM技术通过引入辅助工艺，进一步增强了缺陷抑制能力，为材料的性能优化提供了新的手段。此外，LAHAM技术在成形精度和表面质量方面表现出显著优势，能够减少缺陷率，同时确保高沉积速率。这种技术优势使其在制造大型复杂部件方面具有广阔的应用前景。

在材料体系方面，LAHAM技术的研究进展表明，不同材料的性能需求与工艺特性之间存在紧密联系。例如，不锈钢、铝合金和镍基合金在不同的加工条件下表现出不同的行为特征。这些材料的熔点、粘度等物理性质直接影响熔池的动态行为和凝固过程。因此，在LAHAM工艺中，材料的原始形态（线材/粉末）、供料方式以及材料的选择都对最终成形质量产生重要影响。研究还发现，不同材料的微观结构与性能之间存在复杂的映射关系，这种关系在LAHAM工艺中需要被系统分析和理解。通过调整材料的输入方式和加工参数，可以实现对材料性能的优化，同时确保成形质量的稳定性。

在实际应用方面，LAHAM技术虽然尚未达到大规模的工程应用，但其在制造高性能复杂部件方面的潜力已经得到初步验证。例如，在航空航天领域，LAHAM技术可以用于制造复杂结构的发动机部件或高强度结构件，这些部件对材料性能和成形精度有极高的要求。在海洋工程领域，LAHAM技术可用于制造大型结构件，如船舶推进器或海底设备，这些部件需要具备良好的耐腐蚀性和机械强度。在生物医学领域，LAHAM技术可以用于制造个性化植入物，如人工关节或牙科修复体，这些部件需要具备良好的生物相容性和机械性能。此外，在汽车制造领域，LAHAM技术可以用于制造复杂结构的零部件，如车身框架或传动系统，这些部件需要具备高强度和轻量化的特点。

尽管LAHAM技术在多个领域展现出良好的应用前景，但其在实际推广过程中仍面临诸多技术瓶颈和挑战。首先，双热源的协同控制高度复杂，需要精确调节热源功率、扫描路径和速度，以适应不同材料和复杂形状部件的制造需求。这种精确的动态调整对于确保成形质量的稳定性和一致性至关重要。然而，目前尚未建立完善的控制策略和参数优化方法，使得实际应用中存在一定的不确定性。其次，对于某些高性能合金，LAHAM技术在加工稳定性和微观结构控制能力方面仍需进一步提升。这些合金在高温和高应力环境下容易发生相变和组织演变，从而影响成形质量。因此，如何在LAHAM工艺中实现对这些合金的稳定加工和微观结构的精确调控，是一个亟需解决的问题。

此外，LAHAM技术在材料体系和工艺参数之间的调控关系尚未完全明确。不同材料的熔点、粘度和热导率等物理性质对熔池的动态行为和凝固过程产生不同的影响。因此，在LAHAM工艺中，需要根据材料的特性，选择合适的供料方式和加工参数，以实现最佳的成形效果。例如，对于高熔点材料，可能需要采用更高的热源功率和更长的扫描时间，以确保熔池的充分熔化和均匀凝固。而对于低熔点材料，可能需要采用较低的热源功率和较短的扫描时间，以减少热输入和避免材料过热。这些调控策略的优化对于提升LAHAM技术的成形质量至关重要。

在实际应用中，LAHAM技术还需要解决一系列工程问题。例如，在制造大型复杂部件时，如何确保熔池的稳定性和均匀性，避免缺陷的形成和演化，是技术应用的关键。此外，在实际生产过程中，如何实现对热源功率、扫描路径和速度的精确控制，以适应不同材料和复杂形状部件的制造需求，也是一个重要的技术挑战。这些工程问题的解决需要进一步的理论研究和实验验证，以推动LAHAM技术的工业应用。

综上所述，LAHAM技术作为一种新兴的多能场协同增材制造技术，具有广阔的应用前景和显著的技术优势。然而，其在实际推广过程中仍面临诸多挑战，包括双热源的协同控制、材料体系的适应性以及工程问题的解决。因此，进一步的研究和探索对于推动LAHAM技术的理论深化和工业应用至关重要。通过系统性的综述和分析，本研究旨在为LAHAM技术的进一步发展提供参考，并为相关领域的研究者和工程师提供理论支持和实践指导。