《Journal of Materials Science & Technology》：Advancements in Laser Processes for Additive Manufacturing: Techniques and Future Directions
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针对传统高斯激光在增材制造中存在热梯度过高、孔隙率高及晶粒粗大等瓶颈，研究人员系统综述了光束整形、激光振荡及多场辅助三大策略，揭示了不同技术对熔池稳定性、晶粒细化及缺陷抑制的调控机制，为高性能金属构件的精密制造提供了理论指导与工艺优化路径。
当高能激光束如同外科医生的手术刀般精准地扫描金属粉末床时，一场微观世界的"冶金革命"正在悄然发生。激光增材制造（LAM）凭借其逐层堆积的数字化优势，已成为航空航天、生物医疗等领域复杂构件快速成型的核心技术。然而，这场革命并非一帆风顺——传统高斯光束（Gaussian beam）那尖锐的能量峰值如同烈日灼烧大地，在熔池中制造出陡峭的温度悬崖，引发剧烈的马兰戈尼对流（Marangoni convection）和不可控的匙孔（keyhole）失稳。飞溅的金属液滴、残留的气孔、粗大的柱状晶粒，这些缺陷如同顽固的伤疤，制约着构件的疲劳寿命与力学性能。面对这些挑战，材料科学家们开始思考：能否打破高斯光束的"霸权"，重新设计激光与物质的对话方式？
哈尔滨工业大学的研究团队为此展开了一场系统性的技术探索。他们深入剖析了光束整形（beam shaping）、激光振荡（laser oscillation）及多场辅助（multi-field assisted）三大策略的物理本质，通过数值模拟与实验验证相结合的方法，揭示了不同激光模式对熔池流场、热历史及微观组织的调控规律。这项综述性研究不仅绘制了激光增材制造的技术演进图谱，更为未来智能化、高精度制造指明了方向。论文发表于《Journal of Materials Science 》。
研究团队采用了多尺度数值模拟与先进表征技术相结合的方法体系。在理论层面，基于流体体积法（VOF, Volume of Fluid）建立了耦合连续性方程、动量方程及能量方程的多物理场模型，特别考虑了反冲压力（recoil pressure）、表面张力及马兰戈尼力等界面效应；在热源建模方面，系统对比了高斯、椭圆形、平顶（flat-top）、环形（ring）及贝塞尔（Bessel）等五种光束模式的能量分布函数。实验表征方面，主要运用电子背散射衍射（EBSD, Electron Backscatter Diffraction）技术获取反极图（IPF, Inverse Pole Figure）和核平均取向差（KAM, Kernel Average Misorientation）数据，定量分析晶粒取向、尺寸分布及位错密度；同时结合高速摄像技术实时捕捉熔池动态行为。
光束整形：重塑能量分布的几何美学
高斯光束因其中心能量峰值过高，常导致匙孔失稳和深窄熔池。研究人员发现，通过调整入射角度可获得椭圆形光斑，当角度从90°降至70°时，柱状枝晶逐渐转变为等轴晶。横向椭圆形光束（TE）通过扩大垂直于扫描方向的光斑尺寸，降低了温度梯度与凝固速率之比（TG/SR），促进等轴晶形核，使超过60%的晶粒尺寸小于10 μm。平顶光束以其均匀的能量分布抑制了马兰戈尼对流和反冲压力，形成对称规则的熔池形貌，但需更高功率维持能量密度。环形光束呈现中心低、边缘高的"甜甜圈"式分布，产生的浅宽熔池具有更快的冷却速率，显著细化晶粒并抑制飞溅。最具创新性的是贝塞尔光束，这种无衍射光场具有自愈合（self-healing）特性，其瑞利范围（Rayleigh range）远超高斯光束，可将凝固时间延长约60%，有效抑制匙孔倾向并促进等轴晶主导的快速凝固组织。
激光振荡：动态搅拌的时空艺术
激光振荡技术通过控制光束轨迹实现熔池的周期性演化。圆形振荡在熔池内诱导水平涡旋搅拌，当振荡频率增加时，高速流场区域扩大，等轴晶比例可达52%，平均晶粒尺寸细化至约50 μm。纵向振荡虽能增强对流，但循环再热可能导致气泡膨胀和孔隙率增加。横向振荡易在轨迹转折点形成熔体堆积和咬边缺陷，等轴晶比例仅约27%且均匀性欠佳。无限符号（∞）振荡通过周期性匙孔喷发促进气泡捕获与逃逸，显著降低孔隙率，但可能伴随较多飞溅。8字形（figure-8）振荡则通过强化熔池搅拌破碎枝晶，提高冷却速率并增加大角度晶界比例，从而改善抗裂纹扩展能力。
多场辅助：物理场的协同交响
激光-电弧复合技术通过等离子体作用加速熔池流动，增加熔深并促进柱状晶向等轴晶转变。磁场辅助技术利用洛伦兹力（Lorentz force）搅拌熔池，稳定匙孔、延长凝固时间，不同波形磁场均可细化晶粒并弱化织构。多激光阵列技术通过串列或并联配置提高加工效率，优化熔体流动模式，双光束配置可使匙孔变浅、开口扩大，有利于气体逸出。超声辅助技术借助声流（acoustic flow）和空化（cavitation）效应破碎枝晶、增加形核位点，但过高频率可能抑制空化并破坏粉床稳定性。脉冲激光辅助技术如激光冲击熔池调制（LSMMP），通过等离子体冲击波重构对流模式，加速熔池流动并提高冷却速率，实现晶粒细化和溶质均匀分布。
研究结论与讨论部分强调，光束整形、激光振荡及多场辅助技术为调控激光增材制造中的熔池动力学和微观组织提供了系统化的解决方案。环形光束在降低孔隙率和表面粗糙度方面表现突出，平顶光束适合需要均匀热梯度的场景，贝塞尔光束则在高深径比构件制造中展现独特优势。圆形和无限符号振荡模式在晶粒细化和缺陷抑制方面效果显著，而多场辅助技术的协同应用有望实现更精细的组织调控。未来发展方向包括开发蓝绿激光以提高高反射金属的吸收率、利用同步辐射原位表征揭示实时物理机制，以及结合机器学习实现工艺参数的智能化优化。这些先进激光策略的深度融合，将推动增材制造技术向更高性能、更高精度的方向迈进，为关键工业领域的高端装备制造开辟新途径。
