基于经验参数的改进型比能量密度模型及其在316L不锈钢定向能量沉积中的应用

《Materials & Design》：A novel energy density model based on empirically-derived laser and powder parameters for directed energy deposition of stainless steel 316?l

本研究针对传统能量密度模型在定向能量沉积(DED)过程中无法准确反映激光热相互作用和粉末有效行为的局限性，提出了一种改进型比能量密度(MSED)模型。研究人员通过实验量化激光热影响区直径和粉末空间分布，将能量与材料的空间重叠进行积分计算。结果表明MSED与几何特征(高度、宽度)和冶金质量(稀释率)呈现显著相关性，且在MSED≈150 (kJ/g)/s处出现关键转变点。建立的回归模型平均预测性能R2=0.956，证实MSED可作为DED制造中基于物理基础的优化指标。该研究为金属增材制造工艺质量预测提供了新范式。

　　

在金属增材制造技术快速发展的今天，定向能量沉积(DED)作为代表性的金属增材制造工艺，在航空航天、国防和汽车等高附加值产业中发挥着重要作用。然而，DED过程涉及激光功率、扫描速度、粉末输送速率等多个参数的复杂相互作用，这些参数的不平衡容易导致熔池不稳定、气孔、微观结构不均匀等质量问题。传统的能量密度模型，如线性能量密度(E=P/v)、面能量密度(E=P/(v·h))和体能量密度(E=P/(v·h·t))，虽然被广泛使用，但存在明显局限性：它们无法充分反映材料相关因素如粉末质量流量和传输效率，也不能准确体现由于激光功率、焦点位置和工艺环境变化引起的激光影响区的实际膨胀和变形。

更为关键的是，现有模型大多基于设备制造商提供的规格参数或理论计算值，而非实际加工环境中的测量数据。在真实的DED过程中，高能量热源的使用会导致热扩散，周围环境会引起粉末流湍流，气体流动会发生变化，这些复杂相互作用导致设备规格中定义的标称激光直径与实际热影响区(HAZ)直径之间存在显著差异。同时，仅基于针孔测量方法确定的粉末供应量也可能与实际到达基板表面并与熔池相互作用的有效粉末量不同。这种理论与实际的脱节，严重限制了现有模型在真实制造环境中解释过程变量物理影响的能力。

针对这些挑战，成均馆大学机械工程系的研究团队在《Materials》上发表了一项创新性研究，提出了改进型比能量密度(MSED)模型，通过实验量化DED过程中的热输入和材料供应行为，更好地反映了实际制造环境。

研究团队采用了几项关键技术方法：通过激光标记实验测量不同功率水平下的实际热影响区直径；利用视觉图像分析系统量化粉末流的空间分布特征；基于高斯分布和实测数据建立激光与粉末的空间重叠模型；采用全因子实验设计，在不同激光功率(200-500W)和扫描速度(300-600mm/min)条件下制备316L不锈钢试样；通过光学显微镜和图像分析技术评估沉积层的几何特征(高度、宽度)和质量指标(稀释率)；最后使用多元回归分析和四折交叉验证建立质量预测模型。

2.1 激光相关参数的量化

研究人员通过在不同Z轴位置(-6mm至+6mm)施加单激光脉冲，测量产生的热影响区直径，发现最小HAZ直径约400μm出现在焦点位置附近，与标称光斑尺寸(340μm)较为接近。随着激光功率增加，能量越来越向负Z轴方向集中，热影响区直径随离焦量增加而扩大，特别是在正Z方向移动时HAZ膨胀更为明显。这些实验结果比基于导引光束或设备规格的数值更能反映实际加工条件下的热行为。

2.2 粉末相关参数的量化

通过CCD相机采集粉末流图像，基于200张连续图像的统计处理生成代表性粉末分布。采用1/e²准则(约0.135)确定粉末流宽度，确认粉末分布符合高斯分布。这种方法能够量化粉末流的实际分散范围，为后续模型提供关键参数。

2.3 改进型比能量密度(MSED)模型

MSED模型在Webster等人理论框架基础上，整合了原位条件下量化的激光和粉末特性。模型将单位时间τ定义为激光束直径d_L与扫描速度v的比值(τ=1/(d_L/v))，有效能量项为激光功率P与材料吸收率α的乘积。引入经验有效质量项m_eff，通过积分激光-粉末相互作用区域计算有效粉末分布面积。所需能量项E_req包括材料从初始温度T₀升至熔化温度T_m的显热和相变所需的熔化潜热L_H。

3.1 MSED与质量指标的相关性分析

轨迹高度和宽度随MSED增加而增加，但在MSED≈150 (kJ/g)/s附近出现转折点，超过该值后高度和宽度开始下降。稀释率与MSED呈现最强相关性，随MSED增加而持续增加，在MSED≈150 (kJ/g)/s附近接近70%的饱和水平。这一临界转变点反映了熔池能量饱和现象，额外能量不再促进横向生长，而是向下渗透到基体中，导致表面沉积效果降低。

3.2 MSED与微观结构的相关性分析

在恒定扫描速度下，增加激光功率(从而提高MSED)会增加熔池体积和凝固时间，降低冷却速率，促进枝晶生长和粗化。低MSED条件下观察到细小均匀的枝晶特征，而高MSED条件下枝晶明显粗化。当MSED超过约150时，枝晶粗化程度趋于稳定，表明一旦熔池达到热饱和，热积累和传导损失之间的平衡阻止了冷却速率的进一步降低。

3.3 基于回归的质量预测和模型验证

使用激光功率(P)、扫描速度(V)和MSED(S)作为输入变量，建立了二阶多项式回归模型预测高度、宽度和稀释率。模型通过逐步减少p值大于0.05的项进行优化，采用四折交叉验证评估泛化性能。三个质量指标的平均预测性能R²达到0.956，稀释率的单一MSED关系预测性能R²为0.912。特别地，稀释率可使用MSED作为单一预测变量进行建模，二次回归模型表现出色。

研究结论表明，MSED作为一个基于物理的指标，能够代表DED过程中的各种质量特征，并可作为优化指标使用。该模型通过实验量化的参数有效反映了实际制造环境，克服了传统理论模型的局限性。MSED≈150 (kJ/g)/s的关键转变点为工艺优化提供了重要参考，表明更高的MSED并不一定会改善几何形状，需要根据工艺目标(优先考虑几何形成或增强冶金结合)定义最佳MSED范围。

这项研究的重要意义在于建立了一个定量因果分析系统，将工艺输入、MSED变化、形状和结合质量以及基于凝固热力学的微观结构变化联系起来。MSED模型的功能结构允许通过应用基于实验的变量替换和分布重新计算程序，在不同工艺条件下进行扩展，为各种金属材料和其他能量传输系统的质量预测提供了通用框架。这一成果为DED工艺的质量预测和最优工艺窗口设置建立了实用的设计度量系统，推动了金属增材制造从经验导向向科学导向的转变。