从高斯分布到方平顶分布：用于提升DZ125超级合金激光粉末床熔融定向凝固性能的束流整形技术

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：From Gaussian to square flat-top: Beam shaping for enhanced directional solidification in laser powder bed fusion of DZ125 superalloy

　　高海瑞|张振武|李继刚|吴博阳|蔡吉丽|李伟|韩长军|蔡超|魏庆松•方形平顶激光器通过抑制孔洞效应，将DZ125合金的相对密度从97.8%提升至99.4%。•该激光器能生成具有强001取向的柱状晶粒（平均错位角为10.3°），其晶粒尺寸是高斯激光器的三倍。•SFTL可使峰值温度梯度降低30.9%，并形成宽阔的垂直温度梯度，从而有利于熔池中的外延生长。•相场耦合CFD模拟揭示了熔池动态与枝晶生长行为之间的关联。

引言
激光粉末床熔融技术是一种用于合金和金属基复合材料的先进快速成型技术[1]。该技术以聚焦的高能激光束作为热源，根据预定义的CAD模型进行计算机控制的扫描，逐层熔化粉末材料，从而实现对几何形状和性能的协同控制[2]。目前，LPBF系统中主要使用高斯激光器，其特点是在焦点区域内具有高斯型能量分布。较小的光斑直径（70-100微米）以及中心区域的高峰值能量密度，使得该激光器在加工高熔点且难以加工的金属材料时具有独特优势[3]。LPBF技术可实现复杂金属部件的近净形制造，无需传统方法所需的繁琐后处理，显著缩短生产周期[4]、[5]。此外，极短的激光与材料相互作用时间可促使材料快速熔化与固化，从而在成品中形成密集排列的纳米级蜂窝结构[6]。再加上加工过程中形成的高密度位错，LPBF制备的部件往往具有与传统方法制备的部件相当甚至更优的机械性能[7]。这些优势使得LPBF技术在航空航天、汽车及生物医学领域极具应用价值[8]、[9]。

高斯激光光斑中心与边缘之间显著的能量差异会导致熔池的纵横比过高，产生陡峭的热梯度以及复杂的流体动力学现象，这在金属粉末与激光相互作用时会加剧熔池的不稳定性，并引发强烈的孔洞效应[10]。再加上层层加热/冷却带来的累积热循环作用，这类高斯激光特性极易引发各种冶金缺陷，包括气孔、飞溅、球化以及裂纹等[11]、[12]。这些由工艺本身引起的缺陷会严重影响LPBF制备部件的强度、韧性以及抗疲劳性能[13]。人们已经付出了大量努力来减轻这些缺陷，并优化微观结构以提高机械性能。从材料角度而言，通过调整合金成分或引入强化相，可以有效抑制裂纹的产生，并细化粗大的各向异性柱状晶粒。例如，郭等人[14]在IN738LC超级合金的LPBF加工过程中加入了Y?O?纳米颗粒，通过抑制晶界处的Zr偏聚来减少裂纹。李等人[15]发现，经LPBF处理的Ti改性CoCrFeNiTi0.3共晶高熵合金在熔池边界处存在Ti富集现象，这有助于提高合金的过冷度，进而促进结晶核的形成，推动晶粒从柱状向等轴形态转变，同时在晶界处析出Ni?Ti纳米沉淀物，使屈服强度提升超过50%。不过，成分调整可能会影响材料的耐腐蚀性（如点蚀倾向），而强化颗粒则可能存在团聚现象，或者基体与颗粒之间的结合力较弱[16]。从加工角度而言，热等静压处理是一种有效消除LPBF制备样品中裂纹等冶金缺陷的方法[17]。例如，孙等人[18]通过两步热等静压结合固溶热处理，成功消除了GH3536超级合金中的微裂纹，从而显著提升了该材料的拉伸强度和延伸率。然而，热等静压处理会进一步延长整体加工时间，还会增加工艺的复杂性。

光束整形技术是通过衍射光学元件或空间光调制器来改变激光束的振幅、相位或传播路径，从而将高斯光束转换为具有特定能量分布的各种空间形状的光束[19]、[20]。这种方法通过降低激光光斑内的能量梯度，有效减少了激光增材制造过程中的冶金缺陷。与价格昂贵的空间光调制器相比，衍射光学元件是一种更具成本效益且结构更为简单的光束整形方案，更易于大规模应用。目前，LPBF中使用的整形光束包括平顶光束、反高斯光束、贝塞尔光束以及椭圆光束[21]。这四种光束具有不同的能量分布特性，会影响熔池的形态、热梯度以及凝固行为。反高斯光束的能量分布与常规高斯光束相反，中心区域能量较低，而边缘区域能量较高。由于其边缘区域的能量强度仅为高斯光束峰值强度的40-50%，因此这类光束能够减少材料蒸发和热梯度，从而抑制飞溅和气孔现象，同时提升合金的致密化程度[22]。不过，由于峰值强度较低，需要更高的激光功率才能确保各层之间实现良好的冶金结合。贝塞尔光束具有同心多环状的能量分布，随着环数的增加，中心区域的能量逐渐降低。由于其不具备衍射特性，因此可以放宽LPBF中对焦平面位置的严格要求，提高了工艺的灵活性[23]。尽管如此，贝塞尔光束在LPBF中的应用仍然相对较少。椭圆激光束的能量分布与高斯光束类似，但其横截面为椭圆形，因此具有更宽的功率强度范围[24]。最新研究表明，与高斯光束相比，椭圆光束能加速熔池内的流体流动，尤其是在横向椭圆模式下，这有助于促进晶粒的等轴化生长以及晶粒的细化[25]。不过，其在抑制LPBF过程中的飞溅和气孔等缺陷方面的效果仍有限。相比之下，平顶光束能在光斑内实现均匀的能量分布，是LPBF更为理想的光束形态。研究表明，平顶光束能够提高孔洞效应的稳定性，改善表面质量，同时减少熔体蒸发、粉末飞溅以及气孔的产生[26]、[27]。通过稳定熔池的热场和流场，平顶光束显著提升了LPBF工艺的微观结构致密化程度以及最终产品的整体质量。

从微观结构角度来看，平顶激光所创造的独特冶金环境有助于大尺寸柱状晶粒的生长。平顶激光光斑内的均匀能量分布使得熔池的纵横比较低，其温度梯度较为均匀，流体流动也较为稳定，这有利于定向凝固，也为构建有序的微观结构提供了有利条件[28]。由于晶界在高温环境下通常属于薄弱区域，因此晶粒排列整齐的部件具有更好的高温性能，非常适合用于涡轮叶片等关键的高温应用场景[29]。王等人[30]证实，平顶光束能有效减少LPBF制备的Ti6Al4V部件中的工艺缺陷，同时提升其抗疲劳性能，其疲劳极限可超过600兆帕，这一数值与经过锻造和时效处理的同类材料相当。皮尔兹等人[31]利用平顶激光在β型Ti-Nb医用合金中实现了沿制备方向的<001>晶体学取向，这使得该材料的弹性模量比用高斯激光制备的样品降低了30%以上，从而有效减少了应力屏蔽现象。黄等人[32]通过平顶激光加工获得了具有强<001>取向的β-Ti柱状晶粒，同时抑制了孔洞现象。袁等人[33]通过实验和模拟进一步证实，平顶光束作用下熔池较浅，且热流体动力学性能更为理想，这有利于柱状晶的外延生长。不过，目前的研究仅集中在圆形平顶光束上。相比之下，方形平顶光束能更高效地利用边缘区域的能量，从而减少能量损失，提高加工效率。此外，其几何结构的均匀性还有助于提高多轨道叠加的精度，避免了圆形光束固有的间隙/重叠不一致问题。目前，关于方形平顶激光在LPBF中的应用研究还相对较少。

在本研究中，研究人员利用衍射光学元件制造出了方形平顶激光束，进而通过LPBF技术制备了DZ125定向凝固镍基超级合金。通过优化加工参数制备出DZ125样品后，研究了方形平顶光束对样品微观结构的影响。研究人员通过实验以及结合相场模型与计算流体动力学模拟，系统分析了熔池内的冶金过程以及方形平顶激光诱导的晶体定向生长机制。同时，还与用高斯激光制备的样品进行了对比研究，为推动方形平顶激光在LPBF技术中的应用提供了理论依据和实践指导。

片段介绍
粉末材料
本研究所使用的DZ125粉末粒径范围为15-53微米，是通过气体雾化法制备的，由辽宁冠达新材料科技有限公司（中国鞍山）提供。其化学成分详见表1。通过场发射扫描电子显微镜观察（德国ZEISS Sigma 300型号，图1a），可见这些粉末颗粒大多呈球形且表面光滑，而少量不规则的非球形颗粒则可能是由……产生的。

数值模拟
激光光斑的形状和能量分布会显著影响LPBF工艺中的非平衡冶金物理现象，尤其是熔体流动和热量传递过程。本研究采用离散元法和计算流体动力学方法来模拟方形平顶光束与粉末床之间的相互作用。为了在计算效率与物理真实性之间取得平衡，本研究采用了以下基本假设：(1)将熔融金属视为不可压缩流体。

微观结构表征
图5展示了使用定制衍射光学元件得到的整形激光束的可视化结果。图5(a)显示了该整形光束在沉积平面上的三维及二维归一化能量分布曲线。我们之前的研究已经报道过高斯激光束的能量分布情况[41]。从三维分布曲线可以看出，该整形光束的能量分布近乎平顶状，具有准圆柱形的能量密度特征。相应地，其二维投影呈现为近似正方形的光斑形状，其中超过70%的……

结论
本研究通过实验以及结合相场模型与计算流体动力学模拟的方法，系统研究了方形平顶激光在LPBF工艺中用于制备DZ125镍基超级合金的应用效果。主要研究结论如下：(1)与高斯激光加工相比，方形平顶激光能显著减少气孔、裂纹等缺陷，使DZ125合金的相对密度从97.8%提升至99.4%。用方形平顶激光制备的样品具有很强的……

作者贡献说明
蔡超：研究工作、概念设计。韩长军：监督工作、资金筹集。李伟：结果可视化、资金筹集。蔡吉丽：方法设计、资金筹集。吴博阳：研究工作、概念设计。李继刚：论文撰写与修改、结果可视化。张振武：软件应用、方法设计。高海瑞：论文初稿撰写、方法设计、数据整理。魏庆松：论文撰写与修改、资金筹集。

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

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52275333）、中国国家重点研发计划（项目编号2024YFB4608200）以及湖北省重点研发计划（项目编号2023BAB089）的支持。