相干合成动态光束整形，实现DED增材制造微观组织精准可控
文章来源：Journal of Materials Research and Technology 2026
研究单位：德国埃尔朗根 - 纽伦堡大学光子技术研究所（FAU LPT）
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2026.06.179
一、核心导读
传统激光定向能量沉积（DED-LB/M）长期依赖单一高斯光斑，熔池热场不可调，易生成粗大柱状晶、相组分不可控、力学性能波动大。
德国团队基于相干合成+光学相控阵技术，实现纳秒级任意激光能量分布调控；以超双相不锈钢1.4410为研究对象，系统验证光束空间强度分布是调控晶粒织构、相比例、致密度、硬度的核心独立工艺参数，无需更换激光器、粉末、功率等基础参数，即可定向定制零件微观组织与性能，为高性能金属增材制造开辟全新调控路径。
图1
图 1是 4种实验光束光强分布（高斯/星型/菱形/环芯），实验采用 4 类典型整形光束，从上至下为二维光斑形貌、水平中心线光强曲线；CBC 可 12.5ns 快速切换光场，最高适配数十千瓦工业激光功率。
二、研究方案简述
1. 光束方案：对比 4 种光斑
· 高斯光束（基准）：能量集中中心，窄熔池、熔深大
· 星型光束：中心峰值+十字侧向光臂
· 菱形光束：能量集中光斑边缘、中心低强度
· 环芯光束：中心高斯芯+外围环形光场
2. 实验体系：5轴DED设备、1.4410超双相不锈钢粉末；制备单熔道、多层薄壁试样；高速相机+EBSD +金相+硬度全维度表征
3. 核心机理：光束能量分布直接改变熔池温度梯度G/凝固速度R比值，全局调控凝固行为、晶粒生长、奥氏体析出规律
三、关键突破性结果（图文分块展示）
1. 成形质量：宽分布光束实现近全致密零件
图2
图 2是熔道/薄壁几何尺寸、3D轮廓扫描结果，不同光束成形件几何尺寸与表面形貌对比
· 高斯 / 星型光斑：熔道窄、熔深大，但热累积严重，薄壁表面波浪起伏，致密度 99.61%~99.78%
· 菱形 / 环芯光束：能量分散、峰值光强更低，熔池更宽，粉末捕获效率更高；相对密度高达99.93%~99.94%，气孔缺陷大幅抑制
· 短板：菱形、环芯边缘旁瓣能量易造成侧壁粉末团聚，需优化光斑窗口与熔池间距
2. 晶粒形貌与晶体织构：星型光束获得最强定向织构
图3
图 3 是多层薄壁 EBSD 反极图与晶体极图：光束直接决定晶粒择优取向
· 环芯光束：冷却速率最低，生成尺寸最大的贯穿层柱状晶
· 菱形光束：冷却最快、晶粒最细，织构均匀但强度中等，无明显晶粒倾斜
· 星型光束（核心创新点）：侧向光臂重塑全域热梯度，多层沉积后形成强约束〈100〉柱晶织构，同时限制晶粒绕成型方向的旋转自由度，实现三维晶体取向精准控制；是传统高斯光束无法达成的织构调控效果
· 高斯光束：热场梯度紊乱，晶粒取向杂乱，织构均匀性最差
3. 双相（铁素体 BCC / 奥氏体 FCC）比例精准调控
图4
图 4 是铁素体/奥氏体相含量统计柱状图，单熔道、薄壁上层/下层两相体积分数对比
· 单熔道阶段：全部光束以奥氏体（FCC）为主；环芯光束冷却慢，奥氏体占比最高
· 多层薄壁上层：转变为铁素体（BCC）占优；星型光束晶界取向差小，奥氏体析出位点最少，奥氏体含量最低
· 高斯/菱形光束晶粒细化、晶界数量多，晶界奥氏体大量析出，两相比例显著提升
· 应用价值：双相不锈钢耐蚀、强度高度依赖两相配比，通过光束整形可按需调控相分数，适配腐蚀/高强度差异化工况
4. 力学硬度：织构与相组分决定零件硬度区间
图5
图 5 是沿成型方向维氏硬度变化曲线。HV0.1 硬度沿沉积高度变化规律
· 高斯、菱形、环芯光束：硬度稳定335~360HV0.1；环芯顶层细小晶内奥氏体产生析出强化，硬度突破 360HV
· 星型光束：全域硬度显著偏低（300~325HV），源于大面积粗大奥氏体板条、晶界强化效应减弱
· 统一规律：近基板区域奥氏体多、硬度偏低；随沉积高度提升，铁素体占比上升，硬度持续升高，光束形貌决定硬度转变临界点高度
四、核心结论
1. 相干合成动态光束整形是DED增材制造微观组织定制化的高效独立调控手段，仅改变激光空间能量分布，即可同步调控熔池几何、致密度、晶粒形貌、晶体织构、双相比例与硬度，无需调整激光功率、扫描速度、送粉量等基础工艺参数。
2. 侧向多峰值光场（星型光束）可构建强、全约束晶体织构；边缘扩散型光场（菱形/环芯）获得高致密度细晶零件；集中式高斯光束适合深熔、窄熔道沉积场景，四类光斑覆盖不同性能需求。
3. 多层循环热作用不会完全抵消光束整形带来的微观组织差异，光束光场的调控效果可稳定传递至数十层厚的实体零件，具备工业批量应用可行性。
4. 工程意义：打破传统DED“一套参数对应一种组织”的局限，单台设备通过动态光束切换，同时生产高强、耐蚀、细晶、强织构等差异化性能金属构件，大幅降低模具与设备投入成本。
五、行业延伸
传统光束整形（衍射光学元件 DOE、变形镜）光斑切换速度毫秒级；而 CBC-OPA方案可纳秒级动态重构任意二维光强分布，兼容百千瓦级高功率工业激光器，在大尺寸金属构件定向能量沉积、梯度材料增材制造、特种双相/高温合金精密成形领域具备巨大产业化潜力。
