关于利用激光重熔技术改善定向能量沉积法制备的镍铝青铜（NAB）孔隙质量的研究

《Optics & Laser Technology》：Study on laser remelting for pore mitigation in nickel–aluminum bronze (NAB) fabricated by directed energy deposition

激光重熔工艺对定向能量沉积制备镍铝青铜孔隙率及显微硬度的影响研究。摘要：针对DED工艺制备的NAB部件内部孔隙率较高的问题，采用层叠激光重熔策略系统研究孔隙形成机制及抑制效果。结果表明，优化激光重熔参数可使孔隙率最大降低58.9%，但受限于粉末 intrinsic孔隙（3.493%）。重熔过程导致 Widmanst?tten α相粗化，使显微硬度平均降低至317 Hv，但硬度分布更均匀。

　　在金属增材制造领域，镍铝青铜（NAB）因其优异的耐腐蚀性、耐磨性和机械性能，被广泛应用于船舶螺旋桨、泵阀部件、海上结构和海洋设备等关键领域。然而，尽管NAB在这些应用中表现出色，其通过定向能量沉积（DED）工艺制造的组件内部存在气孔问题，这在一定程度上限制了其性能的进一步提升。因此，针对NAB在DED工艺中的气孔问题，研究其形成机制并提出有效的解决策略具有重要意义。

本研究通过应用逐层激光重熔技术，系统分析了DED制造的NAB材料中气孔的形成和消除机制。研究发现，DED工艺的参数设置对气孔率和沉积层高度有着显著影响。高能量密度条件下，熔池中的气泡会相互融合并被困在其中，从而导致气孔率显著上升。相比之下，较低的激光功率和较高的扫描速度能够有效减少气孔率，使得最小气孔率降至0.665%。然而，粉体材料中原本存在的空心颗粒会进一步限制气孔率的降低，成为气孔形成的重要因素之一。

激光重熔技术在NAB沉积层的气孔消除方面表现出色。通过重熔过程，原本被困在熔池中的气孔重新进入熔池，经过对流作用相互融合，并最终从熔池中逸出，从而显著减少气泡数量和整体气孔率。研究发现，激光重熔可使气孔率降低高达58.9%。这一现象主要归因于激光重熔过程中气泡的重新分布和融合机制。然而，由于重熔池的深度小于原始熔池，因此气孔并不能完全被消除。此外，激光重熔还促进了Widmanst?tten α相沿晶界和晶粒内部的粗化，导致整体硬度下降。尽管如此，激光重熔仍然能够实现硬度分布的均匀化，使得硬度的平均值达到317 Hv，而最低硬度值并未下降。

在材料制造过程中，气孔的形成通常与熔池中的气体残留有关。这些气体可能来源于粉体材料本身，也可能是在熔池冷却过程中由于金属蒸发而产生的气体。此外，保护气体和载体气体在熔池中可能因流动受限而被困。通过优化DED工艺参数，如调整激光功率和扫描速度，可以有效减少气孔的形成，但部分气孔仍难以完全消除。因此，结合激光重熔技术成为进一步改善NAB沉积层质量的重要手段。

激光重熔过程中，熔池的深度和形状对气孔的消除效果产生直接影响。由于重熔池较浅，气孔在熔池的下半部分可能无法重新进入熔池，因此无法完全消除。同时，重熔过程会促使晶粒内部的Widmanst?tten α相沉淀，这不仅影响了材料的微观结构，也导致了硬度的降低。然而，这种硬度的降低是可控的，重熔后的硬度分布更加均匀，从而提升了材料的整体性能。

研究还发现，激光重熔的参数设置对气孔的分布和大小产生重要影响。例如，随着激光重熔扫描速度的增加，气孔率也有所上升，这可能是由于熔池的停留时间减少，气泡没有足够的时间逸出。此外，随着重熔路径的间隔增加，气孔的最大直径也会增加，表明较大的间隔可能加剧气泡的被困现象。因此，选择合适的激光重熔参数对于优化NAB沉积层的气孔率和微观结构至关重要。

在微观结构方面，激光重熔改变了NAB沉积层的组织特征。研究发现，重熔后晶界处的α相沉淀显著增加，这导致了晶粒尺寸的略微增大，进一步影响了材料的硬度。然而，这种粗化效应并未显著降低材料的硬度最低值，表明重熔过程在改善硬度分布的同时，对整体硬度的负面影响较小。此外，激光重熔促进了晶粒的重新排列和晶界融合，形成了更加均匀的微观结构，这有助于提升材料的力学性能和加工性能。

通过本研究，可以得出几个关键结论。首先，NAB沉积层的主要缺陷是气孔，其来源包括粉体材料内部的气泡和熔池中被困的保护气体。其次，激光重熔能够有效减少气孔数量和整体气孔率，最大减少率达到58.9%。第三，由于重熔池较浅，部分气孔仍无法被完全消除，因此气孔率的降低存在一定的限制。第四，激光重熔虽然导致了硬度的降低，但改善了硬度的均匀性，使其平均值达到317 Hv，且最低硬度值并未下降。这表明，激光重熔在改善材料性能方面具有积极作用，但仍需进一步优化参数以实现更全面的缺陷控制。

总体而言，本研究通过分析DED工艺中NAB材料的气孔形成机制，结合激光重熔技术，提出了有效的气孔消除策略。这些策略不仅有助于提升NAB沉积层的质量，也为后续的工艺优化提供了理论依据和实验支持。未来的研究应进一步探讨激光重熔对NAB材料性能的具体影响，尤其是在不同应用场景下的适用性。此外，结合其他后处理技术，如热等静压（HIP）或表面处理，可能会进一步提升NAB材料的综合性能。