《Optics & Laser Technology》：A numerical study on the effect of laser beam shaping on surface roughness and texture in laser powder bed fusion
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**中文翻译：摘要**
研究人员研究了空间激光光束整形对316L不锈钢激光粉末床熔融（PBF-LB）表面粗糙度的影响。基于FLOW-3D开发的高保真计算流体动力学（CFD）模型模拟了高斯光束轮廓（GBP）和环形光斑光束轮廓（RSBP），解析了激光吸收、自由
**中文翻译：摘要**
研究人员研究了空间激光光束整形对316L不锈钢激光粉末床熔融（PBF-LB）表面粗糙度的影响。基于FLOW-3D开发的高保真计算流体动力学（CFD）模型模拟了高斯光束轮廓（GBP）和环形光斑光束轮廓（RSBP），解析了激光吸收、自由表面演化、反冲压力和Marangoni流动。解析热源依据实测光束轮廓进行标定，预测结果与单道熔池横截面及单层表面形貌的验证结果相吻合。在基准条件下，与GBP相比，RSBP产生了更宽更浅的熔池，抑制了尾部隆起并降低了表面粗糙度，模拟结果显示Sa降低约10.2%，Sq降低约36.2%，Sz降低约44.9%。RSBP下的织构更加各向同性，Str指数从0.0714增加到0.1429。尽管在基准功率下RSBP表面出现开放孔隙，但将激光功率提高至300 W可消除这些缺陷，同时保持优于GBP的表面质量。Abbott–Firestone分析显示RSBP具有较低的Smr1值，表明高峰峰数量更少且功能芯部高度更窄。模拟结果再现了这些实验趋势，从而在光束轮廓、熔池形态与由此产生的表面粗糙度和织构之间建立了预测性联系。
**论文解读文章**
**研究背景与意义**
激光粉末床熔融（PBF-LB）作为一种主流的金属增材制造技术，能够直接制造具有复杂几何形状的高性能零部件。尽管该工艺已日趋成熟，但如何在提升生产效率的同时保证工艺稳定性与表面质量仍是重大挑战。表面粗糙度直接影响零部件的生产效率、工艺稳定性、成形质量以及力学性能。商用PBF-LB系统通常默认采用高斯光束轮廓（GBP），其中心高能量密度会导致深蒸气压坑，进而加剧粉末剥蚀与飞溅、降低能量效率、削弱工艺稳定性，制约了高效生产。空间激光光束整形技术（如环形光斑RSBP）通过重新分配激光能量分布，可实现更均匀的能量输入和更优的熔池控制，从而在提升生产率的同时改善表面质量。尽管已有研究表明光束整形能够减少飞溅、改善表面粗糙度、提高工艺效率并细化微观组织，但对于空间光束整形具体如何影响表面粗糙度的内在机制，学术界尚未形成统一认识。本研究正是基于这一关键问题展开，旨在通过高保真数值模拟与实验验证相结合，建立光束轮廓与熔池形态及最终表面质量之间的定量预测关系，为表面质量的优化提供一条减少实验筛选的高效路径。论文发表于《Optics》期刊。
**研究内容与主要技术方法**
研究人员基于FLOW-3D软件建立了高保真多物理场CFD模型，系统研究了GBP与RSBP两种光束轮廓下316L不锈钢PBF-LB的熔池动力学与表面粗糙度形成机制。模型解析了激光吸收、自由表面演化、反冲压力、Marangoni流动及粉末-熔体相互作用。关键技术方法包括：其一，采用解析热源模型并通过实验光束轮廓测量数据进行标定，确保模拟中激光强度空间分布的真实性；其二，利用流体体积法（VOF）追踪熔池自由表面演化，结合焓法处理相变过程；其三，采用光线追踪多反射方法描述激光在熔池内部的能量沉积；其四，通过DEM方法生成符合实验粒度分布的50 μm粉末层并进行单向耦合；最后，基于ISO 25178-2标准，利用自编Python程序计算表面粗糙度参数（Sa、Sq、Sz）及织构参数（Str、纹理方向）。实验验证部分采用配备了AFX1000激光器（nLight，美国）的商业SLM 280HL（Nikon SLM Solutions，德国）PBF-LB系统，在316L不锈钢基板上开展单道（250 W和500 W）及单层（150 W）实验，使用激光共聚焦显微镜（LEXT OLS4000）测量表面形貌。样本粉末为H?gan?s（瑞典）316L不锈钢粉末（D10=15 μm，D90=45 μm）。
**研究结果**
**4.1 熔池几何形状验证**
单道模拟与实验对比显示，在250 W条件下，GBP产生稳定的热传导模式熔池，而RSBP由于中心能量密度降低，形成的熔池更浅、体积更小。在500 W条件下，GBP诱发深熔焊（keyhole）模式，熔池深而窄，具有高深宽比；RSBP则因中心能量不足以维持强烈汽化，仍未形成keyhole，而是产生更宽更深的半球形熔池。四种工况下模拟的熔池宽度与深度均落在实验95%置信区间内，宽度RMSE约为7.1%，深度RMSE约为18.7%，绝对偏差仅为数个网格尺寸，验证了模型对熔池形态的精确捕捉能力。
**4.2 表面粗糙度和织构验证**
多层多道模拟结果表明，在基准功率150 W下，RSBP较GBP显著降低了表面粗糙度，模拟的Sa降低约10.2%，Sq降低约36.2%，Sz降低约44.9%。RSBP的纹理各向同性增强，织构纵横比Str从GBP的0.0714提高到0.1429。Abbott–Firestone曲线分析显示，GBP表面具有更宽的功能芯部高度和更高的Smr1值（约35%），反映出更多高峰峰和更粗糙的表面形貌；RSBP的Smr1较低，表明高峰峰更少、表面更平滑。模拟和实验在纹理主导方向（约135°）上高度一致，但RSBP的纹理强度和角向展宽较弱，表明各向异性降低。GBP表面存在未熔化粉末和隆起（humping）现象，而RSBP表面虽有少量开放孔隙，但总体表面形貌更平坦均匀。
**4.3 提高激光功率对表面质量和织构的影响**
为消除RSBP在基准条件下出现的开放孔隙并实现公平对比，研究人员将激光功率提高至300 W。结果表明，GBP表面的隆起与末端蒸气压坑现象加剧，导致Sa增加49.75%、Sq增加34.30%；RSBP则因更均匀的能量分布和更大的熔池体积，Sa降低19.37%、Sq降低4.64%，开放孔隙完全消除。在织构方面，RSBP的Str保持稳定（0.1463），表面仍呈弱方向性；GBP的Str上升至0.2381，但由于持续隆起和蒸气压坑，表面仍保持较强的方向性。300 W下的流场分析揭示，RSBP形成中央与外层环状双蒸气压坑，产生类似双喷嘴的阶段性加速效应，形成沿扫描方向约40°的鱼鳞状织构，同时其约52%的轨道搭接率有效防止了相邻轨道间冷边的形成。
**讨论与结论**
讨论部分指出，表面形态由五个关键特征控制：鱼鳞状图案、隆起、轨道末端凹陷、烧结粉末以及相邻轨道之间的边缘。光束形状通过调控熔池流动和能量分布直接影响这些特征的严重程度。RSBP通过抑制尾部隆起、稳定凝固尾迹和改善轨道重叠，从根本上降低了表面粗糙度和各向异性。虽然RSBP在降低粗糙度方面具有显著优势，但表面连通的未熔合孔隙作为疲劳裂纹萌生和局部腐蚀的关键缺陷仍需关注；提高激光功率可有效消除这类缺陷。研究结论表明，经过实验验证的CFD框架（覆盖激光强度分布、熔池几何形状和表面指标）为评估空间光束整形下的表面质量趋势提供了有效的预测工具。该模型可减少早期实验筛选，使实验工作聚焦于少量验证测试和参数选择。未来工作应进一步拓展包括RSBP在内的新型光束形状的工艺窗口，通过优化搭接间距和粉末层厚度最大化生产率，同时保持或改善光束整形带来的表面质量优势。此外，提高提取数值表面的空间分辨率、扩大多道模拟域以更贴近实验扫描面积，以及加强与粉末铺展和飞溅模型的耦合，将进一步提升对精细尺度织构和承载面积特征的预测能力。
