利用短波长二极管点熔技术进行316L不锈钢的粉末床熔融增材制造

《Journal of Materials Research and Technology》：Powder-Bed Fusion Additive Manufacturing of 316L Stainless Steel Using Short-Wavelength Diode Point Melting

Diode Point Melting（DPM）采用8个450nm激光二极管聚焦于100×150μm spot，成功制备316L不锈钢件，相对密度达98.1%。DPM冷却速率（≈6.66×10? K/s）较LPBF（≈10? K/s）低，导致晶粒粗化（17.6μm）和亚晶结构增大（1.97μm）。机械测试显示硬度（204.3-229.3 HV）和弹性模量（169.49-194.37 GPa）接近LPBF水平，但冷却速率控制与参数优化仍是提升性能的关键。DPM因低成本设备潜力成为LPBF替代方案。

　　
该研究探讨了通过低功率短波长激光二极管阵列实现的不连续激光熔覆（Diode Point Melting, DPM）技术在316L不锈钢增材制造中的应用潜力。研究采用8组450nm激光二极管（总功率35W）聚焦于100×150μm2的单点，通过xy平动平台实现选择性熔融。实验表明，在扫描速度1500mm/min、搭接间距100μm的条件下，可获得98.1%的相对密度，这一密度指标与激光粉末床熔融（LPBF）工艺相当，但冷却速率（约6.66×10? K/s）显著低于LPBF的10? K/s，导致晶粒粗化至18μm，亚晶结构尺寸达2μm，较LPBF工艺分别增大5倍和2倍。

微观结构分析显示，DPM工艺形成的柱状晶沿沉积方向生长，形成明显的熔池边界。电子背散射衍射（EBSD）检测到71.2%的低角度晶界（LAGBs），表明亚晶结构对材料强韧性具有贡献。X射线衍射（XRD）证实所有样品均保持奥氏体单相结构，未出现δ-铁素体相变。能谱分析（EDS）显示熔池边界富集铬（Cr）和锰（Mn），但未检测到硅（Si）或钼（Mo）的异常偏聚。

力学性能测试表明，DPM样品的维氏硬度（204.3-229.3 HV）和纳米硬度（3.68-5.03 GPa）较传统LPBF工艺略低，但弹性模量（169.49-194.37 GPa）与文献报道的LPBF样品（162.5-230 GPa）处于同一量级。研究指出，晶粒粗化与孔隙率增加是硬度降低的主要原因，但材料仍保持优于传统铸造和锻造工艺的性能水平。特别值得注意的是，通过调整扫描速度可在不同层厚方向实现亚晶结构的梯度控制，例如1500mm/min扫描速度对应的亚晶尺寸为1.1μm，而降低至750mm/min时增大至1.39μm。

工艺对比分析显示，DPM的归一化能量密度（NED）达到33.96，显著高于LPBF的3.6-14.3范围，这与其低功率激光阵列的集成方式相关。尽管冷却速率较低，但通过优化激光功率（35W）和层厚（30μm），仍能实现接近理论密度的加工效果。研究团队通过纳米压痕测试发现，DPM样品的硬度波动主要源于晶界与亚晶界分布不均，而非材料本身的性能差异。

热处理实验表明，二次熔融（remelting）可将熔池边界由曲线形态调整为直线状，但未显著提升相对密度。该现象与激光吸收特性相关，当激光功率提升至35W时，熔池深度增加导致孔隙率上升。研究建议未来可通过引入多层熔池覆盖技术或优化激光参数分布来改善这一状况。

该成果为低成本激光增材制造提供了新思路，特别在处理高热导率材料时展现出独特优势。虽然DPM工艺存在晶粒粗化等局限性，但其可控性强、设备成本低的特点，结合对亚晶结构的精准调控能力，为航空航天领域的大尺寸构件制造提供了可行性验证。后续研究可重点关注激光能量分布优化、多层熔池协同作用机制以及残余应力调控技术。