《Materials & Design》：Systematic study of the interplay between laser beam shape, energy input, and hatch spacing in PBF-LB/M of Ti-6Al-4?V: experiments and numerical modeling
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激光粉末床熔融金属（PBF-LB/M）是一项成熟的增材制造（additive manufacturing）技术，现已日益广泛用于制造复杂高性能构件，尤其适用于航空航天、生物医学和汽车领域。该工艺通过聚焦激光束选择性熔化预铺粉末层，实现近净成形（near-net
激光粉末床熔融金属（PBF-LB/M）是一项成熟的增材制造（additive manufacturing）技术，现已日益广泛用于制造复杂高性能构件，尤其适用于航空航天、生物医学和汽车领域。该工艺通过聚焦激光束选择性熔化预铺粉末层，实现近净成形（near-net-shape fabrication），并获得细小显微组织和优良性能。多数商业系统采用单模高斯（Gaussian）光束，光斑尺寸约为 ～30–120?μm，这是由于其具有较高的可聚焦性以及稳定、明确的光强分布。然而，高斯光束中心峰值辐照度显著较高，使能量集中于光斑中心并向边缘迅速衰减。由此形成的陡峭空间梯度会促进强热梯度和定向熔池流动，从而提高工艺对参数波动的敏感性。能量输入不足会导致未熔合（lack-of-fusion, LoF），而过高的峰值强度则可能诱发钥孔化（keyholing）、汽化、飞溅和球化（balling）。这些不稳定性限制了可用工艺窗口，尤其在高扫描速度或大扫描道间距条件下更为明显，因为此时更难维持轨道重叠与重熔。总体而言，工艺稳定性不仅取决于总能量输入，还取决于能量在熔池中的分布方式。因此，光束轮廓工程（beam-profile engineering）逐渐受到重视，其目标是重新分配辐照度、稳定熔池动力学，并拓展超越传统高斯光束的工艺窗口。
激光光束整形（laser beam shaping）因此成为改善PBF-LB/M熔池稳定性的潜在策略。已有多种非高斯光束轮廓（如环形/圆环形、椭圆形和平顶形）被研究，其中包括基于可选模多模光纤架构（Mode-selectable multi-Mode fiber architectures）的实现方式，通过在同心模式之间重新分配功率来调控辐照分布。与高斯光束相比，这些轮廓能够降低峰值强度、改变热梯度、拓宽熔池并提高成形道均匀性。针对AlSi10Mg、Ti-6Al-4?V和AISI 316?L的数值研究表明，环形光束可重新分配热量，并常常在一定参数条件下降低峰值温度、改变热梯度。已有研究显示，经设计的辐照分布能够调节熔池尺寸、冷却速率和凝固行为，而实验结果也表明，光束轮廓效应强烈依赖于所选能量条件。对于铜和IN718，已有工作报道环形光束可减少表面缺陷和孔隙、改善稳定性，并揭示光束形状与扫描速度共同决定未熔合孔隙和钥孔孔隙之间的转变。由于孔隙会造成应力集中并削弱拉伸与疲劳性能，传统参数优化被广泛用于抑制缺陷。除致密化外，整形光束还可通过改变熔池几何和局部热场影响显微组织。尽管已有研究报道光束形状对熔池行为、热响应和显微组织的影响及其相关比较指标，但在Ti-6Al-4?V中，其与扫描道间距相关致密化、显微组织及硬度之间的联系仍研究不足。已有研究指出，提高环形成分可使IN718熔池更浅更宽并促进垂直定向枝晶生长，同时保持相近的密度与硬度；另有研究通过空间光调制器（spatial light modulator）调控Ti-6Al-4?V中的辐照分布，表明较低冷却速率促进β向α?+?β转变，而非形成α′马氏体（martensite），说明光束形状可直接影响相变动力学。
尽管相关研究不断增加，辐照分布、扫描道间距（轨道重叠）和能量输入之间的耦合关系仍缺乏充分理解，尤其缺少实验—数值一体化视角。这种耦合关系至关重要，因为光束形状会改变熔池宽度和熔深，使得相同标称能量输入可能导致不同的道间重熔、缺陷状态和显微组织。多数研究主要通过结果变量（如孔隙率、熔池形状）比较高斯与环形光束，而较少利用与道间结合直接相关的几何重叠指标进行量化。虽然体积能量密度和其他绝对指标应用广泛，但其无法显式表征有效光斑尺寸、辐照扩展或熔池几何差异，因而限制了在标称相同参数下比较不同光束轮廓的解释力。归一化描述符，如面能量密度AEDh=P/(vh)（J/mm2）、归一化扫描道间距h/d（其中d为有效光束直径）以及重叠比W/h（其中W为熔池宽度），提供了更具物理意义的描述，因为它们可将能量输入与熔池几何及道间重熔联系起来。然而，采用这些描述符开展的系统实验研究仍较少。对于Ti-6Al-4?V而言，这一空缺尤为明显，因为相关整形光束研究仍有限，且鲜有工作在能量归一化条件下分离扫描道间距与能量输入的联合作用。
不同于以固定光束轮廓下激光功率、扫描速度和扫描道间距适配为主的传统PBF-LB/M参数优化研究，本研究考察了激光能量空间分布如何改变这些参数的解释方式。本研究的核心贡献在于：针对Ti-6Al-4?V建立了一个依赖光束形状的工艺设计框架，在该框架中联合采用AEDh、归一化扫描道间距h/d和熔池重叠比W/h，在考虑几何特征的基础上比较不同辐照轮廓。据作者所知，这种将单道实验、立方体致密化映射、显微组织表征和经验证的三维多物理场模拟相结合的方法，尚未在Ti-6Al-4?V PBF-LB/M的环形光束轮廓中得到系统应用。这使得高致密工艺极限可以从光束尺寸、熔池几何、道间重熔以及未熔合敏感性等角度进行解释，而不仅仅依赖能量输入。
具体而言，本研究考察了在Ti-6Al-4?V PBF-LB/M过程中，从相对中心加权到强环形主导的一系列环形光束轮廓，对扫描道间距和能量输入变化的响应。通过单道实验量化熔池几何与稳定性从碎裂/缩颈（necking）向稳定成形道转变的过程；通过立方体试样将相对密度表示为AEDh及与扫描道相关比值的函数。显微组织表征和显微硬度测试用于评估不同光束轮廓与能量水平下的材料响应，从而阐明光束轮廓与扫描道间距如何共同影响致密化。经验证的三维瞬态多物理场模型用于模拟熔池演化及道间相互作用。由此提取的热场、凝固参数G和R以及重叠几何，为辐照轮廓、致密化极限和显微组织特征之间建立了机理联系。
本文发表于《Materials》，围绕Ti-6Al-4?V激光粉末床熔融（PBF-LB/M）中光束形状、能量输入与扫描道间距三者的耦合关系展开，目标并非仅给出一组最优参数，而是建立一套可跨不同环形光束模式比较的工艺设计框架。研究背景在于，传统PBF-LB/M通常采用高斯型或近高斯型光束，其中心峰值辐照度高、空间梯度陡，容易导致热梯度集中、熔池流动敏感，并在能量不足时产生未熔合（lack-of-fusion, LoF），在能量过高时诱发汽化、飞溅、球化甚至钥孔化。尤其当扫描速度提高或扫描道间距增大时，相邻熔道重叠与重熔更难维持，工艺窗口随之收窄。近年来，光束整形（beam shaping）因可通过调控辐照分布降低峰值强度、重构热场和拓宽熔池而受到关注，但针对Ti-6Al-4?V，光束形状与扫描道间距、能量输入如何共同决定致密化、显微组织和硬度，尚缺乏系统性的实验—数值联合研究。为解决这一问题，研究人员选取三种环形主导程度不同的AFX光束模式（Mode 4、Mode 5、Mode 6），从单道熔道稳定性、立方体致密化行为、显微组织演化、显微硬度响应以及三维多物理场模拟多个层面，系统揭示了光束空间能量分布如何通过改变熔池宽深比、道间重熔能力与局部凝固条件，进而重塑Ti-6Al-4?V的工艺窗口。
在研究问题层面，论文指出既有研究多以孔隙率或熔池形貌作为终态比较指标，却较少采用与道间搭接直接相关的几何参数进行统一分析。体积能量密度等绝对指标虽然常用，但无法显式反映有效光斑尺度、辐照展宽和熔池几何的差异，导致不同光束模式即使在标称相同能量条件下，其成形行为也难以物理一致地解释。因此，本研究引入面能量密度AEDh=P/(vh)、归一化扫描道间距h/d以及熔池宽度与扫描道间距之比W/h，构建几何感知（geometry-aware）的评价框架，以实现不同光束轮廓在能量归一化条件下的可比性。研究最终表明，在所考察的传导模式/未熔合主导参数区间内，光束模式对致密化的影响主要体现在低能量、低重叠区域；相对中心加权的Mode 4更容易在较低AEDh下实现高密度，而强环形主导的Mode 6则因熔深不足需要更高能量输入和更严格的重叠条件来抑制LoF。与此同时，所有模式下的凝固机制均以柱状生长为主，光束整形并未改变基本凝固类型，但会通过调节热梯度G与凝固速率R的组合，影响先前β柱状特征的连续性以及α′板条（lath）细化程度。
本研究主要采用以下关键技术方法：研究人员以H?gan?s Germany GmbH提供的气雾化Ti-6Al-4?V Grade 5粉末（15–53?μm）为原料，在EOS M290平台及nLIGHT AFX可编程光纤激光系统上开展单道和立方体成形实验，选取Mode 4–6三种光束模式，系统改变激光功率、扫描速度与扫描道间距；通过光学显微镜、激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和维氏显微硬度（HV0.2）表征密度、熔池几何、显微组织和硬度；并基于COMSOL Multiphysics?建立经实验校准与验证的三维瞬态多物理场有限元模型（FEM），耦合传热、流体流动与温度相关材料参数，用于分析熔池演化、道间重熔及凝固参数G、R。
以下结合原文“Results and Discussion”各小标题，对论文主体内容进行解读。
3.1. Single tracks analysis
研究人员首先通过单道实验分析不同光束模式下空间能量再分配对熔池形成与稳定性的影响。结果显示，在0.35–1.2?J/mm的线能量密度（LED）范围内，单道形貌可分为三类典型稳定性区间：碎裂区、缩颈过渡区和稳定传导区。低能量输入下，由于熔化不足与润湿不完全，熔道表现为周期性珠化和断裂，具有明显未熔合倾向；随着能量提高，润湿改善，连续成形道逐渐建立。不同光束模式的稳定阈值存在差异：Mode 4在≥0.58?J/mm时即可形成稳定熔道，而Mode 5与Mode 6需达到≥0.80?J/mm。截面分析进一步表明，在相同LED下，Mode 4倾向形成更深的熔池，深宽比D/W更高；Mode 6则形成更宽、更浅、更平坦的熔池，Mode 5介于两者之间。热影响区（HAZ）深度约为34–38?μm，在不同模式间无明显系统变化。研究人员据此指出，单道几何差异并非由LED本身造成，而是由相同标称能量在不同光束足迹和径向辐照分布中的重新分配所致，这为后续解释致密化与重叠敏感性奠定了几何基础。
3.2. Effect of beam profiles on the relative density of cubes
在立方体致密化分析中，研究人员强调高密度不仅取决于能量输入总量，更取决于相邻熔道之间的重叠和结合质量。代表性截面显微照片显示，在较高AEDh（3.1–4.55?J/mm
2）下，三种模式均可实现超过99.95%的近无孔结构，说明熔池具有足够的熔深和道间重熔能力。随着AEDh降低，先出现孤立孔洞，进一步降低时则演变为沿扫描方向延伸的典型LoF缺陷。模式敏感性上，Mode 4维持高密度的能量区间最宽，Mode 5次之，Mode 6最早出现致密度恶化。这一排序与单道实验中的熔深能力一致。定量结果显示，相对密度随AEDh在低能区快速上升，并在约2.8–3.0?J/mm
2以上接近99.9%平台，说明LoF是低能区主导缺陷机制。当采用扫描道间距h分析时，随着h增大，相邻熔道横向重熔逐渐不足，密度下降；Mode 4容许的间距最大，Mode 5居中，Mode 6最敏感。进一步以归一化间距h/d表示后，三种模式出现共同阈值：当h/d约≤1时，均可维持高密度；一旦超过该值，密度迅速下降。采用重叠比W/h分析时，研究人员发现当W/h≤约1.1时，三种模式均因道间重熔不足而出现密度降低；在W/h≈1.15–1.25附近出现明显“拐点”，之后密度进入平台。低LED下，Mode 4达到≥99.7%密度所需W/h最低，Mode 6最高；高LED下，三者差异缩小并在W/h≈1.15–1.25附近趋于收敛。研究据此给出具有实用价值的几何设计规则：在本研究范围内，保持h/d≤约1以及W/h≥约1.2通常可实现稳定致密化，而Mode 6在低能条件下可能需要W/h≈1.25–1.30。
3.3. Microstructure
显微组织分析表明，光束模式与AEDh共同影响熔池形貌及先前β特征和α′板条组织的连续性与细化程度。在低AEDh（≤2.6?J/mm
2）下，模式间差异最为显著。Mode 4由于中心辐照度较高、熔池较深，可形成更连续、更沿构建方向伸长的先前β柱状特征，且α′板条分布较均匀；Mode 5则出现一定程度分段；Mode 6在LoF影响下表现出更明显的边界中断和柱状特征破坏。随着AEDh提高至3.1–3.5?J/mm
2，三种模式的组织逐渐均匀，Mode 4最快转变为均匀柱状组织，Mode 5亦明显稳定，Mode 6虽改善但连续性恢复较慢。在更高AEDh（约3.6–4.5?J/mm
2）下，三种模式均表现为高致密、以柱状先前β特征和均匀α′/α层片为主的组织。高倍SEM结果显示，各条件下未见平衡α?+?β群落、保留β板条或明显晶界α膜，说明快速冷却后样品均以α′马氏体为主。模式间主要差别体现在α′板条形貌：Mode 4的α′板条更发育、更长，Mode 5以短而致密的细化板条为主，Mode 6则呈现最均匀细化、方向性较弱的马氏体组织。这说明光束功率分配虽未改变相组成，但可通过热历史差异调节板条长度、细化程度及柱状组织连续性。
3.4. Numerical results and Discussion
3.4.1. Melt pool evolution and thermal fields
数值模拟结果显示，在相同激光功率下，不同光束模式会产生显著不同的峰值温度与冷却轨迹。Mode 4在700?W、1350或1500?mm/s下均表现出更高峰值温度，甚至超过蒸发温度阈值；Mode 6峰值温度明显较低，更接近液相线；Mode 5居中。扫描速度由1500?mm/s降至1350?mm/s后，三种模式的作用时间均增加，峰值温度提高、热停留时间延长。三维熔池形貌与此一致：Mode 4形成更长、更深的熔池，体现出更强的能量局部化与穿透能力；Mode 6则形成更宽但更浅的熔池，熔池长度和熔深均减小。研究人员指出，Mode 4较高峰值温度意味着其更接近蒸发或钥孔转变敏感区，而Mode 6则提供了更“温和”的热加工状态。
3.4.2. Hatch spacing and track overlap
多道模拟进一步用于揭示扫描道间距与重叠对LoF形成的作用机制。研究人员对三条连续扫描轨迹进行模拟，并将第二道作为定量分析对象。在W/h≈1.2这一实验转折区域，模拟虽不直接预测孔隙，但成功捕捉到模式排序及间距敏感性。Mode 4显示出较深的熔池穿透和一定程度的相邻道重熔，但在道间边界仍可见局部重熔不足区域，这对应实验中随着h由172?μm增至222?μm，密度由99.90%降至99.09%。Mode 5的熔池几何更均衡，横向铺展较大，但穿透深度低于Mode 4，导致融合区更窄，实验密度也由99.97%降至99.05%。Mode 6的道间重熔最弱，虽具有较大熔池宽度且横向上W/h>1，但由于界面区域穿透不足、下部重熔深度有限，LoF仍然存在，实验密度从99.96%降至98.32%。当扫描速度提高至1500?mm/s时，这种趋势进一步加剧，特别是Mode 6在大间距下密度低于98.1%。因此，论文明确指出，W/h虽然是有用的重叠指标，但不能作为独立的道间距选择准则，必须同时考虑熔深与道间重熔能力；高中心能量模式对大扫描道间距具有更高容忍度，而环形主导模式则需更紧密的道间距补偿其熔深不足。
3.4.3. Solidification conditions and microstructure control
为解释显微组织差异，研究人员从模拟中提取固液界面附近糊状区（mushy zone）的热梯度G和凝固速率R，并将其映射到Ti-6Al-4?V凝固图上。无论在高LED还是低LED条件下，三种模式的数据均集中在高热梯度G～10
3–10
4 K/mm、适中凝固速率R～10
1–10
2 mm/s区域，对应冷却速率G·R约10
5–10
6 K/s，全部落在柱状生长区内，预测柱状比例约95%–99%，与实验中未见完全等轴晶区相一致。尽管凝固机制总体一致，但Mode 4具有更高的G/R，更有利于定向外延生长；Mode 6则热梯度较低、冷却条件分布更宽，尤其在熔池边缘更明显，这与实验中其柱状特征连续性较弱、α′更细化相一致。纵向提取结果还表明，从熔池底部到尾部表面，R逐渐增大而G逐渐减小，反映了凝固前沿的空间演化。论文由此得出结论：光束整形并未改变Ti-6Al-4?V在本工艺窗口中的基本柱状凝固机制，而是通过调节柱状区内部的局部热梯度与冷却速率来影响组织细节。
3.5. Microhardness
显微硬度结果表明，所有样品HV0.2均位于约360–400范围内，处于马氏体型LPBF Ti-6Al-4?V的典型区间。随着AEDh增加，硬度略有上升：低能区（约2.1–2.4?J/mm
2）硬度约为355–375 HV0.2，而高能区（约4.5?J/mm
2）趋于390–395 HV0.2。研究人员将这一变化归因于致密化水平提升：低AEDh下局部LoF和不完全重熔会在压痕区域引入非均匀性，使硬度略低且离散性更大；当AEDh提高并实现约99.9%致密度后，硬度趋于稳定且波动减小。模式差异主要限于低能区，Mode 6通常硬度最低且离散最大，符合其更高LoF敏感性；在中高AEDh下三种模式硬度曲线在误差范围内收敛，说明一旦获得近全致密、以α′为主的组织，光束形状对硬度的影响相对次要。
综合讨论部分，论文以实验和模拟相互印证的方式，建立了“光束形状—熔池几何—道间重熔—缺陷形成—显微组织响应”之间的因果链条。研究显示，光束整形对Ti-6Al-4?V PBF-LB/M的影响并非简单表现为“更宽”或“更稳”的熔池，而是通过改变中心与边缘辐照比例，重构熔池深宽关系与道间边界处的局部重熔能力。相对中心加权的模式能够在低能区提供更深熔池、更强界面重熔和更宽容的工艺窗口；环形主导模式虽可降低峰值温度并形成更宽平熔池，但其熔深与边界重熔不足会放大对扫描道间距和能量输入的敏感性。因此，比较不同光束模式时，仅使用传统体积能量密度并不足够，必须引入AEDh、h/d和W/h等几何归一化指标。论文的重要意义在于提出了一套适用于Ti-6Al-4?V环形光束PBF-LB/M的工艺设计方法，使致密化极限不再仅由经验参数给出，而是能够由熔池几何和重叠行为进行物理解释，这对于先进扫描策略与可编程光束模式的工艺优化具有直接指导价值。
研究结论部分可译为：在所研究的立方体几何与工艺范围内，本研究对激光光束形状、扫描道间距和能量输入如何共同决定Ti-6Al-4?V激光粉末床熔融（PBF-LB/M）中的致密化、显微组织和硬度进行了统一评估。本研究并非仅提供优化参数组合，而是建立了一个与光束形状相关的工艺设计框架，将空间辐照分布与重叠需求、道间重熔、致密化和显微组织响应联系起来。通过在能量归一化条件下评估从相对中心加权到环形主导的环形光束，研究表明，辐照度的空间分布不仅控制熔池几何，还控制道间结合机制，从而决定未熔合缺陷的产生与抑制。采用AEDh、归一化扫描道间距h/d和重叠比W/h等具有物理意义的指标后，研究建立了清晰的、可解释不同光束模式工艺稳定性的分析框架。主要结论如下：在所研究的传导模式/未熔合主导参数范围内，光束模式对致密化的影响在低能量/低重叠区域最为显著；相对中心加权的Mode 4可在更低AEDh下获得高密度，而环形主导的Mode 6需要更高能量输入以抑制未熔合。模拟表明，这种敏感性源于道间边界重熔深度不足和尖 cusp 形成，即使存在横向重叠亦然。无量纲重叠描述符为不同光束模式下扫描道间距选择提供了统一依据：当归一化间距保持在h/d≤约1且W/h≥约1.2时可实现稳定致密化，而Mode 6在低能条件下需要W/h≈1.25–1.30。实验上，所有光束模式均形成以α′马氏体和柱状先前β特征为主的组织，说明所研究窗口内凝固以柱状生长为主；数值提取的G和R支持这一判断。光束整形主要通过调节局部凝固条件影响组织细节：中心加权的Mode 4具有更高G/R，对应更强定向性和更连续的柱状特征，而环形主导的Mode 6热梯度较低，对应低能条件下更细化的α′板条和较弱连续性的柱状特征。显微硬度处于马氏体型PBF-LB/M Ti-6Al-4?V的典型范围，并随AEDh略有提高，在达到近全致密后趋于收敛；硬度差异的主要驱动因素是低能区是否存在未熔合缺陷，而非光束模式引起的细微组织差别。总体而言，研究表明光束整形可通过改善熔池稳定性拓宽Ti-6Al-4?V的可用工艺窗口，但环形主导光束的应用需要通过更谨慎的参数设计补偿其熔深不足。经多物理场建模验证的能量—几何指标，为所研究工艺窗口内优化此类先进扫描策略提供了可靠依据。
