利用振荡激光定向能沉积技术制造高性能钛合金

《Additive Manufacturing》：Oscillating laser directed energy deposition for manufacturing high-performance titanium alloy

　　徐翔|潘伟|王兆|蔡杰|卢海飞|雷建波|罗凯宇|陆金忠•通过高频率振荡的激光定向能量沉积技术制备出了高性能钛合金。•光束振荡显著影响了熔池的流动和温度梯度。•在同轴送粉条件下，实现了熔池的就地搅拌和微观结构的均匀化。•揭示了熔池在就地振荡作用下的温度场及微观结构演化机制。

引言
作为最具前景的增材制造技术之一，激光定向能量沉积技术已被广泛用于快速制造大型或结构复杂的金属零件[1]、[2]。在LDED工艺中，原材料如粉末或金属丝会同步送入由移动的激光束形成的熔池中。随着激光束的移动，熔池逐渐固化，从而形成新的合金层。通过逐层沉积，可以制造出具有所需性能的三维零件。LDED技术在制造复杂结构、设计功能梯度合金以及在特定位置进行沉积方面具有优势，因此被广泛应用于航空航天、能源、交通和汽车等行业。

然而，传统的LDED技术采用高斯能量分布的圆形激光斑点，存在一些固有缺陷。在制造Ti6Al4V合金时，这些缺陷尤为明显。现有研究表明，在此类钛合金的LDED加工过程中通常会出现以下三个问题：(i) 熔池的快速固化会导致沿成型方向形成粗大的柱状β晶粒，从而产生显著的机械各向异性，垂直方向的性能（如疲劳强度）往往低于水平方向[3]。(ii) 传统圆形高斯斑点产生的熔池深度与宽度比过高，会导致匙孔效应不稳定，进而引发气体滞留并形成气孔，这些气孔可能成为疲劳裂纹的起始点[4]。(iii) 较大的温度梯度和较高的冷却速率会在部件内部产生较大的残余应力，可能导致零件变形甚至开裂[5]。为了解决这些问题，振荡激光技术作为一种重要创新手段，被用来提升LDED制造零件的质量。

振荡激光技术将振镜系统集成到传统的激光光路中，使得激光束不再是一个静止的点，而是以极高的频率（通常在几百到几千赫兹之间[6]）周期性扫描，扫描模式包括圆形[7]、∞形[8]、8字形[9]和线性[10]等。这样一来，在宏观层面上就形成了一个尺寸更大、能量分布更均匀的虚拟热源。现有研究显示，振荡激光技术被广泛用于焊接以及激光-电弧混合线材基增材制造领域。在高功率激光焊接过程中，由于周期性振荡的激光束能够捕获气泡，因此可以通过光束振荡来抑制气孔的形成[11]。光束振荡已被证明是一种有效的技术，能够增强熔体流动，改善熔池内的热量和质量分布[12]。通过引发熔池对流，光束振荡可以有效提升熔体流动速度，使温度场更加均匀，从而显著减少飞溅和表面凹陷等冶金缺陷[13]。光束振荡还能显著改变熔池的形态，使其从深而窄的“钉形”变为宽而浅的“盘形”。宽而浅的熔池提供了更大的过冷区域，从而打破了柱状晶粒的外延生长条件，促进了等轴晶粒的形成。通过优化振荡参数（如振幅和频率），在铝合金中可以获得等轴微观结构[14]，从而大幅消除机械性能的各向异性。强烈的搅拌作用能够增强熔池内的对流，促进元素扩散，减少不锈钢激光-电弧混合增材制造过程中的成分偏析[15]，从而使成分分布更加均匀。因此，振荡激光技术为高效制造高性能金属部件开辟了新途径。它通过主动调控熔池，有效解决了传统LDED技术中的核心问题，如微观结构各向异性、气孔和残余应力等问题。

不幸的是，现有的研究大多将振荡激光束作为主要或辅助热源，主要与离轴送粉或送丝系统配合使用，这限制了加工效率。同轴送粉技术有望最大化利用激光能量，从而提高加工效率，并通过加工头的自由移动实现自动化[16]。因此，将这两种技术结合使用，有望在保证LDED加工效率的同时，解决上述三大难题，具有广阔的应用前景。不过，目前的相关研究仍然非常有限。一方面，传统的同轴送粉喷嘴是为静态或简单移动的激光斑点设计的。激光束的快速振荡会改变熔池的位置和形状，可能会破坏原本设计好的稳定粉末流场。因此，有必要重新优化喷嘴的内部结构，以确保在与振荡激光斑点结合使用时，粉末流仍能保持汇聚和对称性。另一方面，在激光-电弧混合增材制造等应用中，通常需要较大的振幅和极高的频率（从几百到几千赫兹不等），以实现宽而浅的熔池并实现有效的搅拌[17]。这可能会导致零件表面的粗糙度增加。光束振荡模式的引入将工艺参数空间从传统的三维扩展到了五维甚至更高维度[18]、[19]。工艺参数之间复杂的相互作用大大增加了确定最佳工艺组合的难度和成本。

迄今为止，利用OLDED工艺生产高性能金属材料的巨大潜力尚未得到充分挖掘。Turichin等人[20]提出了一种解耦/顺序耦合模型架构，能够在计算效率与精度之间取得平衡。他们还发现，当振荡幅度达到激光束半径时，正态分布的带状热源的热流密度会迅速下降到53%[21]。激光束半径越大，振幅对熔池峰值宽度的影响就越小，这就允许使用更小的振荡幅度。不过，该模型完全忽略了熔池内的流体流动（如马朗戈尼对流），导致熔池内的热传递仅通过纯传导模型来计算，从而在预测局部温度场时出现误差。刘等人[22]研究了三种激光振荡焊接模式下钛合金的温度分布和流动行为。温度场的仿真结果显示，与非振荡模式相比，振荡模式下的峰值速度增加了约80%，并且在振荡周期接近结束时，水平截面处会形成新的涡旋。戴等人[23]研究了四种激光束振荡轨迹（线性、圆形、8字形和∞形）对通过OLDED工艺制造的Ti-6Al-4V钛合金的微观结构演变和机械性能的影响。他们的研究发现，复杂的振荡轨迹能有效抑制粗大柱状β晶粒的优先生长，从而促进柱状晶向等轴晶的转变。不过，尽管这项研究为宏观轨迹效应提供了宝贵的见解，但它并未全面探讨两个关键工艺参数（振荡频率和振幅）对熔池热输入、α/β相比例分布以及机械性能等关键冶金结果的独立和交互作用。虽然现有研究已经初步证明了激光振荡在重塑熔池动力学和改善增材制造中微观结构方面的潜力，但仍然缺乏将复杂的热力学行为与关键工艺参数，尤其是频率和振幅进行系统关联的定量分析。

本文旨在系统阐述振荡频率和振荡振幅这两个关键变量对激光束热流、成型质量、微观结构及机械性能的影响规律，并深入分析其作用机制。我们首先系统研究了振荡振幅和频率对单道沉积层成型质量和微观结构的影响规律。在此基础上，进一步评估了单层和多层试样在恒定工艺参数下的晶粒细化程度。通过理论分析和实验数据结合数值模拟，分析了振荡振幅和频率对机械性能、微观结构演变及其强化机制的影响。本研究强调了OLDED技术在制造高性能钛合金方面的优势，有望拓展振荡激光技术的应用范围。

片段摘录
采用振荡激光定向能量沉积技术制备试样
图1a展示了自主研发的振荡激光定向能量沉积系统的示意图。该系统包括波长为1064纳米、最大激光功率为2000瓦的连续光纤激光器、五轴CNC操作平台、制冷机、气动送粉装置、同轴送粉工作头以及激光加工头。所使用的商业Ti6Al4V粉末成分如下：0.1重量百分比的氧、0.03重量百分比的氮、0.01重量百分比的氢、3重量百分比的钒、6.2重量百分比的钒、0.2重量百分比的铁、0.06重量百分比的碳、0.01重量百分比的钇，其余为杂质。

不同振荡频率和振幅下激光能量密度分布的差异
图2展示了在不同振荡振幅和频率下计算得到的激光能量密度分布情况，同时还对这些因素进行了统计分析。在圆形振荡激光定向能量沉积过程中，光束的运动包括沿沉积路径的均匀直线移动以及垂直方向的振荡。这使得能量密度分布呈现峰谷交替的模式（见图2a），峰值差异十分明显，且3D形式的峰谷会相互对齐。

光束振荡对OLDED工艺中熔池演变的影响
实际上，激光斑点大小、粉末流尺寸以及粉末捕获效率之间的关系是LDED工艺中的关键因素。为了实现对光束振荡的精确控制，本研究采用了0.5毫米的斑点直径。在传统的LDED工艺中，粉末流的焦平面尺寸通常为2 - 4毫米。使用过小的静态激光斑点实际上会导致粉末利用率低下。通过引入高频光束振荡，扫描轨迹会发生变化。

结论
本研究表明，光束振荡LDED技术可用于制造高性能钛合金材料。通过实验和理论分析，重点研究了在光束振荡条件下实现柱状晶向等轴晶的转变以及提升机械性能的方法。主要结论如下：
(1) 晶枝破碎与晶粒细化：振荡光束引发的流体运动会物理上打破正在生长的晶枝。

CRediT作者贡献声明
潘伟：验证、方法学、研究。徐翔：撰写——初稿、指导、方法学、研究、数据整理。陆金忠：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、指导、概念构思。罗凯宇：撰写——审阅与编辑、验证、指导。蔡杰：验证、正式分析。王兆：方法学、研究、数据整理。雷建波：软件、资源、方法学。卢海飞：方法学、概念构思。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家关键研发计划（编号2023YFB4606000）、中国江苏省青年科学基金（编号BK20250873）、中国博士后科学基金（编号2024M751170和2025MD774119）以及中国江苏省属高校自然科学基金（编号25KLB460003）的财政支持。