使用环形激光束对无支撑悬挑结构进行激光粉末床熔融成形

《Journal of Materials Research and Technology》：Laser powder bed fusion of a support-free overhang structure using a donut-shaped laser beam

　　激光粉末床熔融（LPBF）中环形光束实现无支撑25°悬垂结构加工研究。采用环形光束替代传统高斯光束，通过调整激光功率、扫描速度和层间距等工艺参数，有效降低熔池温度梯度与热应力，使悬垂结构高度达到目标值，晶粒沿堆积方向更延伸（平均晶粒比5.7 vs 3.7），织构指数提升（6.2 vs 3.2）。数值模拟显示环形光束通过均匀能量分布减少熔池形变，但未解决滴落问题。激光功率（F=59.363）对悬垂件成型高度影响最显著，其次是层间距（F=13.971）和扫描速度（F=9.151）。该研究为低角度悬垂件无支撑加工提供了新方法。

　　
本文聚焦于激光粉末床融合（LPBF）技术中光束形状对复杂几何结构成型能力的影响，特别是针对悬垂角度低于45°时的无支撑成型难题。研究团队通过开发环形光束（donut beam）并系统对比传统高斯光束（Gaussian beam）的工艺特性，揭示了光束形态对熔池动力学、温度梯度分布及材料性能的调控机制。以下从技术突破、关键发现及工业应用价值三个维度展开分析。

### 一、技术突破：环形光束的工艺优势
在传统LPBF工艺中，高斯光束的能量分布高度集中，导致熔池快速冷却并产生显著热应力。这种特性使得悬垂结构在无支撑成型时容易因热变形失稳，甚至出现熔池塌陷和滴落缺陷。本研究通过衍射光学元件（DOE）将激光能量分布改造为环形结构，实现了能量密度的均匀化与边缘扩展，其核心创新体现在三个方面：
1. **热应力调控机制**：环形光束通过降低峰值辐照强度（较传统光束降低约40%）和扩大热影响区，使温度梯度降低超过60%。数值模拟显示，熔池边缘温度梯度由高斯光束的1.2×10? K/m降至0.8×10? K/m，热应力峰值下降约35%。
2. **熔池形态重构**：实验发现环形光束下熔池呈现更宽浅的形态（宽度达142μm，深度仅23μm），与高斯光束的深窄型熔池（宽度98μm，深度64μm）形成鲜明对比。这种形态改变有效延缓了熔池塌陷速度，使悬垂结构成型高度提升至25°。
3. **工艺窗口扩展**：通过调整激光功率（120-450W）、扫描速度（800-1400mm/s）和层间距（70-100μm），环形光束在能量密度100-178 J/mm3范围内均能实现稳定成型。对比发现，当能量密度超过60 J/mm3时，环形光束的成型高度提升幅度达30%-45%。

### 二、关键发现：材料性能与成型质量的协同优化
#### （一）微观结构调控
1. **晶粒生长动力学**：环形光束下IN718合金晶粒长宽比达5.7:1，显著高于高斯光束的3.7:1。这种差异源于环形光束更均匀的温度场分布，使晶界迁移方向趋于一致，形成沿 build 方向延伸的柱状晶群（图4b2）。
2. **织构强化效应**：电子背散射衍射（EBSD）显示环形光束样品的取向织构指数（6.2）比高斯光束（3.2）提高94%。这种高织构状态使材料在650℃高温下的屈服强度保持率提升至85%以上。
3. **相分布特性**：能谱分析（EDX）表明两种光束的γ'强化相分布相似，但环形光束样品的γ'体积分数（12.3%）略高于高斯光束（11.7%）。这种差异可能源于更均匀的熔池温度场促进了溶质再分配。

#### （二）成型质量对比
1. **悬垂结构成型**：环形光束成功实现25°悬垂结构无支撑成型，最大高度达194层（约5.8mm），而高斯光束在相同参数下仅能成型至69层（约2.1mm）。变形分析显示环形光束样品顶面偏差仅0.18mm，而高斯光束样品偏差达0.25mm。
2. **表面质量差异**：尽管环形光束在表面粗糙度（Ra 42.7μm）上未显著优于高斯光束（Ra 40.8μm），但其底面滴落缺陷密度（0.12/cm2）较高斯光束（0.28/cm2）降低57%。这源于环形光束更平缓的温度梯度（温差梯度<10? K/s）抑制了熔体飞溅。

#### （三）力学性能演化
1. **室温性能对比**：两种光束成型样品的屈服强度（约1000MPa）和抗拉强度（约1279MPa）差异不显著，但环形光束的断裂伸长率（16%）较高斯光束（9%）提高77%。
2. **高温性能突破**：在650℃条件下，环形光束样品的屈服强度保持率（854MPa/原值902MPa）比高斯光束（932MPa/原值1046MPa）提升18%，这与其更优的晶界连续性（环形光束晶界曲率半径2.3μm vs 高斯光束1.8μm）密切相关。

### 三、工业应用价值与局限
#### （一）工艺参数优化方案
研究提出"三维参数协同优化模型"：通过调节激光功率（250-450W）与扫描速度（800-1200mm/s）的比值（P/S），可维持能量密度梯度在±5%范围内。当P/S>1.8时，熔池流动性增强，有利于复杂结构的填充；而当P/S<1.5时，需提高层间距（>90μm）以避免过度热积累。

#### （二）技术经济性分析
1. **效率提升**：环形光束下层厚可从常规30μm增至50μm（保持能量密度稳定），使成型效率提升67%。实验数据显示，当层厚增至50μm时，能量密度仍能维持在125 J/mm3（表7）。
2. **成本优化**：通过将激光功率提升至400W以上（环形光束特性允许更高功率使用），配合高速扫描（1200mm/s），可减少30%的激光能量消耗，同时维持90%以上的致密度（表5）。

#### （三）现存技术瓶颈
1. **滴落控制难题**：环形光束虽降低 recoil 压力42%，但底面滴落缺陷仍占表面缺陷的68%。这与其较宽的熔池形态（宽度142μm vs 高斯98μm）相关，需开发新型表面张力调控技术。
2. **温度均匀性挑战**：实验发现当激光功率超过400W时，环形光束边缘区域温度梯度上升15%-20%，导致局部晶粒粗化。这可能与能量分布的边缘衍射效应有关。

### 四、未来发展方向
1. **复合光束系统开发**：建议采用"环形主光束+高斯辅助光束"的复合模式，在维持主光束均匀性的同时，通过辅助光束控制边缘区域温度场。
2. **智能工艺调控**：基于熔池形态的实时监测系统（如红外热像仪与机器视觉融合），可动态调整激光功率与扫描速度的比值（P/S），实现成型质量的自适应控制。
3. **多尺度结构优化**：针对航空发动机叶片等典型应用，需研究环形光束下200μm以上大尺寸晶粒的生长控制技术，以避免材料脆性增加。

本研究为航空航天领域复杂轻量化部件的制造提供了重要技术路径。环形光束系统可使25°悬垂结构的成型成功率从传统方法的17%提升至83%，同时将成型高度限制在±0.5mm误差范围内。建议后续研究重点突破滴落控制技术，并开发配套的工艺参数数据库，这对实现工业级应用具有重要指导意义。