貴州大學吳家柱副教授團隊：常規與高速激光定向能量沉積的熱流體學-冶金特性研究 | AMF論文推薦

引用論文

Gui Wang, Chaojiao Lei, Zhenggang Chen, Cunhong Yin, Yang Cao, Dabing Zhang, Jiazhu Wu. Understanding Thermofluidic-Metallurgical Characteristics of Conventional and High-Speed Laser-Directed Energy Deposition. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 4, Issue 4, 2025, 200235.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200235.

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1研究背景及目的

高速激光定向能量沉積（HL-DED）可以顯著降低單位熱輸入和提高冷卻速率，促進柱狀晶向等軸晶轉變，同時細化晶粒，有利于改善制件的強度、塑性、抗疲勞和抗裂紋性能。然而，有關HL-DED的熱-流-冶金映射機制尚需闡明，以便為定制晶粒結構、力學性能和服役性能的工藝優化提供理論指導。

2論文亮點

(1) 建立了L-DED熱-流-冶金一體化模型。

(2) 研究了兩種L-DED策略下的熱輸運與流體流動行為。

(3) 揭示了兩種L-DED策略下的凝固參數與柱軸轉變（CET）行為。

3試驗方法

L-DED增材制造系統由IPG YLS-10000激光器、六軸機器人、同軸四路送粉系統和高速回轉工作臺組成，其中，高速回轉工作臺用于實現激光高速回轉掃描。試驗基板為120 mm×120 mm×8 mm的熱軋316L不銹鋼，粉末為53~105μm粒徑的近球形316L不銹鋼。首先，通過L-DED增材制造系統開展CL-DED和HL-DED實驗，制備圓形熔道樣件。然后，依次通過電切割、砂紙打磨、研磨膏拋光、王水腐蝕等流程制備金相試樣。最后，分別使用XD30M光學顯微鏡和SEM對熔道的形貌和微觀組織進行表征。

圖1常規/高速激光定向能量沉積熔池熱流行為與凝固組織

4結果

（1）相較于CL-DED策略，HL-DED策略下熔池的Marangoni效應更弱，以致熔池的最高流速是前者的33%。

（2）與CL-DED策略相比，HL-DED策略構建的熔道的高、深和寬分別減小58%、60%和14%；而且，HL-DED策略以低11倍的時間使熔池快速地達到準穩態峰值溫度。

（3）在給定的兩個熔道縱截面上，HL-DED策略下凝固界面的平均生長方向較CL-DED策略低33%以上，平均凝固速率和平均冷卻速率分別是CL-DED策略的7.6倍和6.6倍以上，平均形態因子是CL-DED策略的17%。

5結論

(1) 兩種L-DED下的熔池被負的Marangoni效應主導，形成向外流動的渦流模式。

(2) HL-DED下熔池后方固相區的溫度梯度更小，有利于減小殘余應力和變形。

(3) 在HL-DED工藝下，熔道的頂部形成全等軸晶，中部形成混合的柱狀/等軸晶，底部形成全柱狀晶，而且晶粒明顯更細；在CL-DED工藝下，熔道的頂部和中部形成混合的柱狀/等軸晶，底部形成全柱狀晶。

6前景與應用

高速激光定向能量沉積（HL-DED）技術憑借其高掃描速度、低熱輸入和快速冷卻的特點，可以改善零件的強度、塑性、力學各向同性、抗疲勞和抗裂紋性能，特別適合用于航空航天、能源裝備、汽車等領域的承力構件制造。

關于團隊

作者介紹

吳家柱（通訊作者），工學博士，貴州大學機械工程學院副教授（一流學科崗位特聘教授），碩士研究生導師，主要從事激光增材制造領域的多物理場建模仿真、過程監測與控制、形性一體化耦合調控的研究。承擔國家級、省級重點等項目4項，在Additive Manufacturing、Virtual and Physical Prototyping、《金屬學報》等期刊發表SCI論文20多篇，申請或授權發明專利7件，兼任中國有色金屬學會增材制造技術專業委員會委員、《材料工程》期刊第三屆青年編委。

近年團隊發表文章

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[3].Lei C, Ren S, Yin C, et al., Manipulating melt pool thermofluidic transport in directed energy deposition driven by a laser intensity spatial shaping strategy, Virtual and Physical Prototyping 19(1) (2024). https://dx.doi.org/10.1080/17452759.2024.2308513.

[4].任松, 吳家柱, 張屹, 張大斌, 曹陽, 尹存宏. 激光束空域形態對激光定向能量沉積316L不銹鋼熱輸運影響的數值模擬 [J]. 金屬學報, 2024, 60(12): 1678-1690. https://dx.doi.org/10.11900/0412.1961.2022.00509.

[5].Hu Z, Zhang D, Wu D, et al., Enhanced mechanical properties of Fe-based hardfacing alloy with Al additions fabricated by laser cladding, Surface and Coatings Technology 478 (2024). https://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.130447

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責任編輯：李 娜

責任校對： 金 程

審 核： 張 彤

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