通过使用准连续波激光的增材制造技术，提高了熔池边界稳定性及残余应力，从而实现了微观结构的精确控制

《Optics & Laser Technology》：Improved molten-pool boundary stability and residual stress for microstructure control using additive manufacturing utilizing quasi-continuous-wave laser

熔池界面稳定性调控对316L不锈钢激光增材制造中柱状晶外延生长及残余应力（最大降低40%）有显著影响，准连续波激光模式（QCW-LAM）通过高频热循环稳定熔池边界，抑制多向晶生长，优化材料力学性能。

　　在激光增材制造（LAM）过程中，树枝晶和固态纹理的形成受到熔池界面形状与稳定性的显著影响。这项研究展示了一种准连续波（QCW）激光增材制造技术，该技术能够有效提升熔池边界的稳定性，并促进柱状树枝晶的持续生长。研究重点探讨了激光模式如何影响熔池的稳定性以及最终形成的固态微观结构，特别是在316L不锈钢的增材制造中。与传统的连续波（CW）激光增材制造相比，CW模式下的熔池边界存在较大的波动，而QCW模式则通过实时高频再加热，保持熔池边界的稳定状态。这种稳定性有助于柱状结构的定向生长，从而实现持续的枝晶生长。

在激光增材制造中，熔池的热输入是影响最终材料性能的关键因素之一。当激光模式从连续波（CW）转变为准连续波（QCW）时，即使在相同的功率条件下，最大残余拉应力也显著降低。具体来说，残余拉应力从340 MPa降至205 MPa，减少了约40%。这一变化表明，通过改善熔池界面的稳定性，可以有效控制残余应力的生成，进而提升材料的机械性能。此外，由于QCW模式下熔池的热输入具有周期性，这种模式下形成的晶粒具有更高的取向度和更均匀的分布，从而表现出更高的屈服强度。

在激光增材制造过程中，残余应力和变形是影响最终零件性能的重要因素。这些应力主要来源于热历史引起的相变过程。研究表明，当熔池在激光扫描过程中经历周期性加热和冷却时，残余应力会呈现出复杂的分布模式。特别是在单层制造过程中，熔池的温度场变化对残余应力的形成和演化具有显著影响。因此，准确控制熔池的温度梯度和时间依赖性热应变，是减少残余应力的关键。这一研究为理解如何通过改善熔池界面稳定性来控制枝晶生长和材料性能提供了新的视角。

在增材制造过程中，熔池的温度场是决定材料微观结构和性能的核心因素。熔池的温度梯度不仅影响材料的凝固过程，还决定了枝晶的生长方向和形态。例如，当熔池在激光扫描过程中经历快速加热和冷却时，会形成较大的温度差异，进而导致热应力的积累。这种热应力不仅影响材料的机械性能，还可能导致结构缺陷的产生。因此，研究熔池温度场的变化规律，是优化增材制造工艺的关键。

在当前的增材制造研究中，已经开发出多种技术来监测和控制熔池的温度场。例如，使用双色测温仪可以实时测量熔池的瞬态温度，而高速摄像机则能够捕捉熔池的动态行为。这些技术为理解熔池的热输入模式和温度场变化提供了重要的数据支持。此外，通过建立有限元模型，可以模拟熔池的热传导和机械行为，从而预测残余应力和变形的分布。这些模型通常基于热传导方程、热弹性塑性模型以及热力学方程，以更全面地反映材料在增材制造过程中的行为。

为了进一步分析熔池的热输入模式，研究还引入了热弹性塑性模型。该模型能够预测材料在激光增材制造过程中由于热历史引起的残余应力和变形。研究表明，熔池的热输入模式对材料的微观结构和性能具有重要影响。例如，在连续波激光增材制造中，由于高能量输入导致熔池边界和固态参数的变化，这种变化会抑制枝晶的定向生长，进而影响材料的晶粒结构和性能。而在准连续波激光增材制造中，由于熔池的周期性加热和冷却，这种模式能够促进更稳定的枝晶生长，从而改善材料的机械性能。

在增材制造过程中，熔池的温度场和热输入模式是决定材料性能的重要因素。例如，当熔池的温度梯度较高时，会导致较大的热应力，进而影响材料的晶粒结构和取向。研究还发现，熔池的热输入模式与材料的微观结构之间存在复杂的相互作用。例如，在准连续波激光增材制造中，由于熔池的周期性加热和冷却，这种模式能够促进更均匀的晶粒分布和更稳定的枝晶生长。而在连续波激光增材制造中，由于熔池的快速变化，这种模式可能导致不均匀的晶粒结构和较大的残余应力。

为了验证这些结论，研究还采用了多种实验方法。例如，通过制造狗骨形状的试样进行拉伸测试，可以评估材料的机械性能。拉伸方向与制造方向垂直，以确保测试结果能够真实反映材料在增材制造过程中的性能。此外，通过电火花加工（EDM）去除试样，可以分析其微观结构。试样随后经过镶嵌、研磨、抛光和腐蚀处理，以准备用于电子扫描显微镜（SEM）和光学显微镜（OM）的观察。对于电子背散射衍射（EBSD）分析，试样则通过电化学抛光处理，以确保其表面的平整度和晶粒的可识别性。

通过这些实验方法，研究能够系统地分析熔池的热输入模式对材料性能的影响。例如，在准连续波激光增材制造中，熔池的周期性加热和冷却能够促进更稳定的枝晶生长，从而改善材料的机械性能。而在连续波激光增材制造中，由于熔池的快速变化，这种模式可能导致不均匀的晶粒结构和较大的残余应力。这些实验结果为理解如何通过改善熔池界面稳定性来控制枝晶生长和材料性能提供了重要的依据。

此外，研究还探讨了激光模式对熔池边界几何形状的影响。例如，在连续波激光增材制造中，熔池边界的变化可能导致不规则的晶粒结构，而准连续波激光增材制造则能够保持熔池边界的稳定性，从而促进更规则的晶粒生长。这种稳定性不仅有助于改善材料的微观结构，还能够提升其机械性能。因此，研究激光模式对熔池边界和几何形状的影响，是优化增材制造工艺的关键。

在当前的增材制造研究中，已经开发出多种技术来监测和控制熔池的热输入模式。例如，使用双色测温仪可以实时测量熔池的瞬态温度，而高速摄像机则能够捕捉熔池的动态行为。这些技术为理解熔池的热输入模式和温度场变化提供了重要的数据支持。此外，通过建立有限元模型，可以模拟熔池的热传导和机械行为，从而预测残余应力和变形的分布。这些模型通常基于热传导方程、热弹性塑性模型以及热力学方程，以更全面地反映材料在增材制造过程中的行为。

研究还发现，熔池的热输入模式对材料的微观结构和性能具有重要影响。例如，在准连续波激光增材制造中，由于熔池的周期性加热和冷却，这种模式能够促进更稳定的枝晶生长，从而改善材料的机械性能。而在连续波激光增材制造中，由于熔池的快速变化，这种模式可能导致不均匀的晶粒结构和较大的残余应力。这些实验结果为理解如何通过改善熔池界面稳定性来控制枝晶生长和材料性能提供了重要的依据。

为了进一步验证这些结论，研究还采用了多种实验方法。例如，通过制造狗骨形状的试样进行拉伸测试，可以评估材料的机械性能。拉伸方向与制造方向垂直，以确保测试结果能够真实反映材料在增材制造过程中的性能。此外，通过电火花加工（EDM）去除试样，可以分析其微观结构。试样随后经过镶嵌、研磨、抛光和腐蚀处理，以准备用于电子扫描显微镜（SEM）和光学显微镜（OM）的观察。对于电子背散射衍射（EBSD）分析，试样则通过电化学抛光处理，以确保其表面的平整度和晶粒的可识别性。

通过这些实验方法，研究能够系统地分析熔池的热输入模式对材料性能的影响。例如，在准连续波激光增材制造中，熔池的周期性加热和冷却能够促进更稳定的枝晶生长，从而改善材料的机械性能。而在连续波激光增材制造中，由于熔池的快速变化，这种模式可能导致不均匀的晶粒结构和较大的残余应力。这些实验结果为理解如何通过改善熔池界面稳定性来控制枝晶生长和材料性能提供了重要的依据。

此外，研究还探讨了激光模式对熔池边界几何形状的影响。例如，在连续波激光增材制造中，熔池边界的变化可能导致不规则的晶粒结构，而准连续波激光增材制造则能够保持熔池边界的稳定性，从而促进更规则的晶粒生长。这种稳定性不仅有助于改善材料的微观结构，还能够提升其机械性能。因此，研究激光模式对熔池边界和几何形状的影响，是优化增材制造工艺的关键。

在当前的增材制造研究中，已经开发出多种技术来监测和控制熔池的热输入模式。例如，使用双色测温仪可以实时测量熔池的瞬态温度，而高速摄像机则能够捕捉熔池的动态行为。这些技术为理解熔池的热输入模式和温度场变化提供了重要的数据支持。此外，通过建立有限元模型，可以模拟熔池的热传导和机械行为，从而预测残余应力和变形的分布。这些模型通常基于热传导方程、热弹性塑性模型以及热力学方程，以更全面地反映材料在增材制造过程中的行为。

研究还发现，熔池的热输入模式对材料的微观结构和性能具有重要影响。例如，在准连续波激光增材制造中，由于熔池的周期性加热和冷却，这种模式能够促进更稳定的枝晶生长，从而改善材料的机械性能。而在连续波激光增材制造中，由于熔池的快速变化，这种模式可能导致不均匀的晶粒结构和较大的残余应力。这些实验结果为理解如何通过改善熔池界面稳定性来控制枝晶生长和材料性能提供了重要的依据。

综上所述，激光增材制造过程中，熔池的热输入模式和界面稳定性是决定材料微观结构和性能的关键因素。通过调整激光模式，可以有效控制熔池的边界变化和温度场分布，从而优化枝晶的生长方向和形态。准连续波激光增材制造技术通过保持熔池边界的稳定性，能够促进更均匀的晶粒结构和更稳定的枝晶生长，进而改善材料的机械性能。这一研究不仅为理解激光增材制造过程中的热输入模式提供了新的视角，还为优化增材制造工艺提供了重要的理论依据和实践指导。