西南交大陈辉：原位场辅助激光增材制造的研究进展

摘要：西南交通大学材料科学与工程学院先进焊接与再制造团队在《Optics & Laser Technology》期刊上发表了以“Research and development status of in situ field assisted laser addit

西南交通大学材料科学与工程学院先进焊接与再制造团队在《Optics & Laser Technology》期刊上发表了以“Research and development status of in situ field assisted laser additive manufacturing: A review”为题的综述论文。原位场辅助激光增材制造将成为实现材料-结构-工艺-性能一体化的重要手段，在实现高性能增材制造方面发挥关键作用。本论文综述了原位单场/多场辅助激光增材制造相关的研究进展，并对仿真、监测与控制、设备与工艺、冲击机理、新场研发等研究方向进行了展望。

论文的通讯作者为该团队的带头人陈辉教授、成员刘艳教授、成员张振林博士后，团队中与该综述相关的研究工作得到了国家自然科学基金（52205419）、国家重点研发计划（SQ2022YFB46002300）、四川省科技计划（2023ZDZX0003）的支持。

团队简介

西南交通大学先进焊接与再制造团队，2014年入选四川省青年科技创新研究团队，陈辉教授为带头人。该团队共计成员18人，其中国外导师5名。研究方向包括激光焊接、激光清洗、激光增材制造、热喷涂、智能焊接、焊接材料与结构安全可靠性，致力于高速重载铁路关键材料与先进焊接技术攻关，已经取得的主要创新成果如下：1）突破了高速列车激光-电弧复合焊接关键技术及装备的升级再创新；2）形成广域环境高速列车关键焊接接头及零部件服役性能基础数据库、高速列车结构焊接残余应力基础数据库，初步形成了全寿命周期的高速列车焊接接头评价体系；3）实现了高铁大机关键耐磨材料及零部件的国产化升级再创新。面向未来轨道交通：高速磁悬浮列车、更高速度高速列车、川藏铁路等国家重大需求、重大工程，突破其中高性能金属材料与先进焊接科技，致力推进更高可靠更长寿命更环保节能的国家轨道交通事业发展。

陈辉：西南交通大学材料科学与工程学院院长、教授、博导，省重点实验室、工程中心主任，主要研究方向为激光复合焊接、先进激光加工技术。近年来，主持国家级、省部级项目20余项，授权发明专利30余项，发表论文300余篇，撰写专著3部。主要社会兼职：国家重大科技项目技术负责人，国家级人才计划入选者，四川省学术与技术带头人，四川省有突出贡献专家，四川省科技创业领军人才，成都市高层次人才；兼任全国焊接学会副理事长/地方委员会主任，四川省焊接学会理事长，中国光学学会激光加工专委会常务理事。

研究背景

在激光增材制造过程中，材料-激光发生相互作用，材料（再）熔融、凝固过程中存在粉末颗粒运动、热量流动，这些运动的复杂性通常导致气孔、裂纹等缺陷。这些缺陷容易成为部件承载时裂纹的扩展起点，将显著降低部件的综合机械性能。此外，热量主要沿沉积的相反方向流动，导致工件内形成粗柱状晶体取向，在其宏观、微观机械性能上产生显著各向异性。针对上述问题，许多学者进行了一系列工艺参数优化、合金成分改性、后处理改性，尽管微观结构、机械性能有所改善，但强度和韧度不匹配，存在脆性夹杂物、孔隙，制造成本高。在激光增材过程中引入特殊场，在金属凝固过程中施加场能量，能有效减少工件的冶金缺陷、显著调控微观结构以改善机械性能。

原位场辅助技术可从气孔和裂纹等缺陷的源头进行抑制和优化，而无需额外的工艺来提高加工效率。在增材制造过程中引入的能量场可称为原位场，本文介绍了原位场辅助激光增材技术（如超声、磁场、脉冲电流和脉冲激光）的分类和特点，并回顾了这些技术如何改善工件缺陷、调控工件微观结构与宏观特性的研究进展，最后总结了当前的技术限制以及未来的发展趋势。

主要内容

图1 原位超声辅助激光增材制造：(a) 示意图; (b)无/有超声样品的微观结构SEM图；(c)无/有超声样品的拉伸性能、拉伸断裂形态SEM图。

原位超声辅助激光增材制造：超声波在传统减材制造工艺中能够降低工件的表面粗糙度和形状精度；在等料制造中可提高工件的表面质量、降低孔隙率，细化晶粒从而提高机械性能。图1为原位超声辅助激光增材制造的示意图、微观结构SEM图、样品的拉伸性能和断裂形态SEM图，将超声波引入增材制造的熔池中，会诱发空化、声流和热效应等非线性效应，影响熔池凝固过程中缺陷、微观组织和性能的变化。且超声波引起粉末利用率增加，主要原因可能是超声波产生的空化和机械效应的结合，提高粉末的流动性，增加粉末与激光能量的接触面积。

图2 原位磁场辅助激光增材制造的示意图、空间显微计算机断层扫描结果：(a) 磁场方向与增材堆叠方向平行; (b) 磁场方向垂直于增材堆叠方向; (c) 原位同步加速器X射线成像实验装置; (d) AlSi7Mg增材制件在无/有磁场辅助下的空间显微计算机断层扫描图像; (e) 静磁场（SMF）和交变磁场对熔池中柱状晶粒生长的影响（G-热流，B-磁场）。

原位磁场辅助激光增材制造：磁场对冶金的各个方面都有重要影响，包括凝固温度、晶体生长结构、溶质或夹杂物分布和熔体流速。图2为原位磁场辅助激光增材制造的示意图、空间显微计算机断层扫描结果。磁场诱导的洛伦兹力是在与磁场的熔融/固体界面附近产生的，洛伦兹力和温度梯度呈正相关，在较大的洛伦兹力下，马兰戈尼流速增加，有利于气体从熔池中逸出，并减少工件中的孔隙缺陷，此外，随着马兰戈尼流速的增加，微观结构中过冷区域的大小增加，成核速率增加，等轴晶粒的比例增加，晶粒细化显著。除了静磁场（SMF），交变磁场和脉冲磁场也可改变增材工件的晶体结构和微观结构，但它们的作用机制不同。

图3 其他原位场辅助激光增材制造示意图：(a) 原位轧制辅助; (b) 喷丸辅助; (c) 同步感应加热辅助 ; (d) 同步电磁感应辅助; (e) 同步电磁感应过程中的熔池凝固行为; (f) 电场和磁场辅助; (g) 超声和电磁场辅助。

原位激光脉冲强化辅助激光增材制造：脉冲激光诱导的等离子体冲击波导致熔池剧烈振荡，将其从静止对流状态转变为滚动状态，从而扩大熔池表面积；等离子体冲击波压力下降到熔体表面张力以下后，熔体回流到熔池中心。在液态金属的凝固过程中，固液界面受到熔池搅动的影响，破坏了优先取向晶粒的生长行为，形成细晶粒结构或等轴晶粒。且脉冲激光器直接应用于熔池，不受工件的大小、形状限制，能降低工件的整体孔隙率，随着脉冲激光能量的增加和等离子体冲击波强度的增强，较大的孔隙逐渐减少或消失。脉冲激光束（强化）与连续激光束（增材制造）同步移动，使工件显著产生有益的残余压应力，有利于提高机械性能、改善由热应力引起的变形。

其他场辅助激光增材制造：原位轧制、原位机械喷丸、原位热处理等场辅助，如图3（a-e）所示。原位轧制控制轧辊和激光束之间的距离以调节轧制温度，使材料塑性变形，诱导位错产生、晶粒细化。喷丸处理将瞬时载荷施加到增材工件表面，与轧制类似，使晶粒细化、位错积累，喷丸还可去除样品表面的氧化层，减少气孔和裂纹。原位热处理提高了工件延展性，也降低了晶粒的不均匀性，从源头释放了热应力，但牺牲了强度和硬度且无法处理大型构件。如图3（f, g）所示，许多学者采用多场耦合方法进行原位辅助激光增材制造，他们能在工艺窗口的可调范围改善工件微观组织和性能，同时也增加了工艺的复杂性和相互作用机制，对其需要更系统、深入的研究。

研究结论

目前的原位场辅助激光增材设备几乎都是由各自的研究团队根据自身需求搭建的，没有相应的技术标准以及工艺一致性，例如：磁场作用下晶粒结构的变化不一致，一些研究表明晶粒细化、而另一些研究则表明晶粒粗化，目前的超声场通常作用于基板，随着增材层高的增加，导致超声作用的强度逐渐降低等。原位场辅助应用难以推广。此外，目前的原位场辅助激光增材设备难以应用于大型、复杂的曲面部件，实现自动化工艺也是一个亟待解决的问题。

原位场辅助激光增材制造的未来研究可针对以下四个领域：1）模拟、监测和控制：有助于实现通过场操纵形成梯度微观结构和性能，此外，整合大数据、人工智能、辅助场和激光增材制造能得到最佳的工艺优化方案；2）设备和工艺：改进场辅助设备，并加强其与增材工艺的兼容性；3）机制研究：基于分子动力学理论，分析熔池中能量和动量传递、转换的机制，构建场/光子晶体相微观结构-性能的相关性模型；4）极端制造领域的开发：研究原位场辅助激光增材制造在太空或真空微重力、深海高压、极寒两极等环境中的控制机制、工艺可行性。

来自：激光增材制造先进激光增材制造

长三角G60激光联盟陈长军转载

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