通过扫描轨迹优化降低双激光增材制造中的孔隙率并调控材料性能

《INTERNATIONAL JOURNAL OF PLASTICITY》：Reducing porosity and tailoring material properties in dual-laser additive manufacturing via scanning trajectory optimization

　　

摘要

多激光添加制造技术虽提升了大规模部件的制造效率，但至今仍缺乏能够精确调控材料性能的通用方法。目前，打印出的部件性能较为均匀，其实现特定区域微观结构控制的潜力尚未得到充分挖掘。本文提出一种扫描轨迹调控策略，可突破这一限制，既能减少激光重叠区域的缺陷，又能定制材料的机械性能。与激光重叠区域平行的扫描路径能有效抑制缺陷产生。此外，我们还发现通过调控局部热历史，可在三维空间内按需调整Ti-6Al-4V的机械性能，其抗拉强度的可调范围可达25%以上，延展性则可提升100%以上。不同扫描路径带来的不同热历史导致了微观结构的差异，而这些差异正是调节材料性能的基础。值得注意的是，要实现层间性能控制，关键在于确保相同的扫描轨迹打印高度超过受影响区域的高度。该扫描轨迹调控策略在三种不同的合金体系中得到了验证，且无需修改原料或进行后续热处理。我们的研究为通过扫描轨迹编程来调节整体部件的机械性能提供了理论和实验依据，这一技术有望用于制造功能梯度材料，而这类材料对于下一代航空航天和汽车应用而言至关重要。

引言

基于激光的金属粉末床熔融技术为金属部件的设计带来了极大自由度，突破了传统制造方法的几何限制（Jin等人，2024；Li等人，2025f；Zhang等人，2022）。由于该技术解决了金属导热性低和比热容低的难题，因此推动了钛合金在航空航天等领域的应用（Pribnow等人，2026）。多激光粉末床熔融技术不仅大幅提升了制造效率，还引入了多个可编程热源（Jiang等人，2025a；Jiang等人，2025b；Sing和Yeong，2020）。一方面，多激光的重叠区域容易产生气孔和残余应力；另一方面，这些区域也为调控局部热历史、微观结构演变及材料塑性响应提供了独特机会。传统上，重叠区域被视为质量控制中的难题，但从材料设计的角度来看，这些区域恰恰是可以通过多激光轨迹最容易调控热历史的部位。因此，通过合理设计多激光扫描策略，就可以调控打印出的合金的微观结构异质性及塑性响应（Rodrigues等人，2025）。最终，多激光的精准时空调控相当于实现了局部微观结构的“编程”，从而实现了结构、材料与性能的一体化设计。

在AP Ti-6Al-4V材料中实现良好的强度与延展性平衡仍然具有挑战性，因为L-PBF工艺中的快速冷却通常会导致板条状微观结构、位错密度增加、残余应力产生以及加工缺陷出现，而这些因素都会影响材料的应变集中和过早断裂。目前，有三种主要方法可用于解决高强度但低延展性材料之间的性能矛盾。第一种方法是修改原料，可通过合金设计、元素掺杂或调整成分比例来改善材料性能（Ming等人，2018；Song等人，2023；Wu等人，2026；Xiao等人，2024）。例如，可以利用第一性原理计算来设计沉淀相，从而制造出高性能合金（Li等人，2024；Zhang等人，2019）。此外，使用功能梯度材料粉末或多材料组合，可以实现软硬层的结合，通过异质变形强化来提升材料的强度与延展性协同效应（Chen等人，2025；Huang等人，2025a；Kong等人，2024；Li等人，2026；Pasiowiec等人，2025；Wang等人，2026）。第二种方法是通过外部能量场辅助制造，利用超声、磁场或热场等能量场在打印过程中调控微观结构演变，从而优化材料的机械性能（Du等人，2022；Li等人，2025d；Li等人，2025e；Tan等人，2023）。第三种策略则是采用复杂的后续热处理，通过改变沉积过程中的参数来调控位错密度分布，进而放大微观结构差异，从而实现最终的性能调控（Dunstan等人，2023；Gao等人，2023；Guo等人，2025）。虽然现有方法通过调整材料成分、利用外部能量场调控晶粒形态以及通过变能量密度打印结合热处理来控制位错密度等方式，已经实现了AP材料的强度与延展性平衡以及性能调控，但这些方法主要是改变材料的整体性能，而要在同一合金部件中实现特定的塑性响应设计仍然面临挑战。

扫描策略的独特优势在于它可作为独立的加工变量。只需调整激光轨迹，无需改变粉末、设备或工艺参数，就能调控打印部件的局部热历史。这样就可以在目标层间及层内区域形成可设计的微观结构差异以及特定的强度与延展性响应。不过，长期以来，扫描策略一直被用于影响热量积累、熔池形态、残余应力、组织结构以及缺陷的形成（Dar等人，2025；Ravichander等人，2022；Zhai等人，2025）。例如，过短的扫描路径会加剧内部热量积累，从而导致严重的变形甚至开裂（Liu等人，2022b）。目前，有少量研究试图将扫描策略用于机械性能设计，主要是通过该策略来减轻AP材料的各向异性问题（Dar等人，2025；Li等人，2025c）。此外，研究结果表明，仅改变扫描策略对AP状态Ti-6Al-4V材料的机械性能并无显著影响（Liu等人，2022a）。ML-PBF工艺更容易出现由轨迹导致的温度不均匀现象。激光交叉点、重熔顺序、激光开关时的瞬态现象以及表面台阶的积累等因素都会影响气孔的形成和层间重新加热，但这些因素之间的协同作用机制尚未被深入研究。目前关于多激光加工的研究主要集中在宏观残余应力的优化以及致密性的提升上（He等人，2023；Liu等人，2023b）。重叠区域复杂的温度历史使得这些区域容易产生缺陷。正如我们之前的研究所示，67°旋转策略也无法避免重叠区域的气孔问题（Li等人，2025a；Li等人，2025b）。气孔的随机分布和不规则形态不仅是导致材料疲劳性能波动的原因（Akgun等人，2022；Bonneric等人，2025；Sun等人，2024；Tiwari等人，2025；Zhang等人，2025a），也是制约多激光技术广泛应用的关键瓶颈。因此，一个核心问题就是：在ML-PBF工艺中，不同的扫描轨迹组合是否能够同时减少重叠区域产生的缺陷，并为调整材料的机械性能提供足够的微观结构差异。

本文提出了一种扫描轨迹优化方法，该方法通过减少熔池重叠和振动有效避免了气孔的产生，实现了近乎无气孔的添加制造。此外，通过利用扫描路径差异带来的微观结构差异，实现了AP状态Ti-6Al-4V整体部件的性能梯度定制。这种基于微观结构的方法无需改变原料成分或进行后续热处理，且在多种合金体系中都具有适用性。总体而言，这种能够实现特定区域性能调控的能力为满足航空航天和汽车领域中重要部件的特定性能要求提供了有效的加工方案，这类部件包括车身框架、涡轮叶片以及起落架等。

章节节选

样品制备

本研究使用了江苏威洛瑞先进材料科技有限公司生产的商业级Ti-6Al-4V合金粉末，通过DiMetal 450E双激光粉末床熔融设备进行打印，该设备的工作原理如图1a所示。中间位置的样品是由左右两束激光共同制造的（标记为D），而两侧的样品则分别由单束激光制造（标记为S）。先前的研究表明，由两侧激光共同制造的样品

通过扫描轨迹优化消除重叠区域的气孔

熔池不稳定是影响L-PBF工艺中微小气孔形成的关键因素（Wang等人，2022）。与单激光工艺相比，多激光工艺存在熔池重叠或重熔现象，这会使部件更容易出现缺陷。为了将气孔形成与不同的扫描策略分开，并通过独特的激光扫描轨迹减少重叠区域的气孔，我们需要研究熔池轨迹对DL-PBF工艺中内部缺陷形成的影响

结论与展望

本研究提出了通过调整扫描轨迹来减少重叠区域的气孔，并调控DL-PBF工艺中AP Ti-6Al-4V材料的拉伸性能。通过优化双激光的扫描路径，我们揭示了激光重叠区域气孔形成的机制，从而实现了近乎净成形状态的制造。基于不同扫描策略带来的微观结构差异以及由此产生的性能差异，我们设计了层间和层内的联合扫描方案

作者贡献说明

Guotai Li：概念设计、研究实施、方法设计、数据整理、可视化分析、结果验证、论文初稿撰写。Yuzhan Fan：研究实施、数据整理。Han Wu：方法设计、论文审阅与编辑。Tianyu Yu：概念设计、资金获取、资源协调、项目监督、论文审阅与编辑。Zhaoyang Yuan：研究实施、数据整理。Daijun Hu：论文审阅与编辑。Peichen Hu：研究实施。Mei Li：研究实施。Jian Cheng：资源协调。Mingjun Chen：

数据可用性

所有数据均可在正文或补充材料中找到。

CRediT作者贡献说明

Guotai Li：论文初稿撰写、可视化分析、结果验证、方法设计、研究实施、数据整理、概念设计。Yuzhan Fan：研究实施、数据整理。Han Wu：论文审阅与编辑、方法设计。Tianyu Yu：论文审阅与编辑、项目监督、资源协调、资金获取、概念设计。Zhaoyang Yuan：研究实施、数据整理。Daijun Hu：论文审阅与编辑。Peichen Hu：研究实施。Mei Li：研究实施。Jian Cheng：资源协调。Mingjun Chen：

Guotai Li|Yuzhan Fan|Han Wu|Tianyu Yu|Zhaoyang Yuan|Daijun Hu|Peichen Hu|Mei Li|Jian Cheng|Mingjun Chen|Wentao Yan

中国黑龙江省哈尔滨市哈尔滨工业大学机器人与系统国家重点实验室，邮编150001