基于模型参数自适应的粉末床熔融局部瞬态热条件对熔池均质化影响研究

本研究针对粉末床激光熔融(PBF-LB/M)中扫描策略导致的局部瞬态热条件引发熔池尺寸波动达238%的问题，通过建立无量纲预测模型和基于过程监测的功率调控方法，实现熔池几何尺寸均质化（降幅达86.8%），为增材制造构件性能一致性提供创新解决方案。

　　

在金属增材制造领域，粉末床激光熔融(PBF-LB/M)技术虽能实现复杂结构一体化成型，却长期受困于扫描策略引发的局部热波动问题。当激光在相邻轨迹间快速折返时，前道熔池残留的热量会使后续熔池尺寸暴增238%，导致构件出现不均匀的机械性能和潜在缺陷。这种被称为"快速折返区效应"的现象，包含边缘效应和扫描矢量缩短两种典型模式，前者使熔池宽度和深度异常增大，后者则在短矢量加工时引发严重的热累积。

为攻克这一难题，来自[国内研究机构名称]的Jana Harbig团队在《Materials》发表创新研究。他们独辟蹊径地融合了无量纲建模和实时过程监测两种手段：一方面基于白金汉π定理构建包含冷却时间t_c等9个参数的预测模型；另一方面利用EOSTATE MeltPool(MPM)光电二极管信号反馈实现激光功率动态调节。通过设计特殊的5层交错堆叠试样，结合CNC精密切割和V2A蚀刻技术，团队成功捕获到316L不锈钢和AlSi10Mg合金的熔池边界演变规律。

在"理论模型"部分，研究突破性地将全局热参数与局部冷却时间结合，推导出预测熔池截面积A_MP的无量纲方程（相对均方根误差17.45%）。公式中创新性地引入扫描矢量长度l_v和空程时间t_SW构建的冷却时间模型（t_c=2l_v/v_S+t_SW），有效量化了热历史影响。

"实验结果"显示：在标准参数下，5mm扫描矢量的边缘效应使熔池面积扩大145%，而0.5mm短矢量更导致面积激增238%。高帧频相机(41,925fps)记录表明，熔池宽度与MPM信号强度呈现96.6%的相关性。通过100μm分区的激光功率梯度调控（最低降至参考功率78%），边缘效应影响降低86.8%，短矢量工况改善74.9%。

这项研究的突破性在于：首次实现PBF-LB/M工艺从"全局参数优化"到"局部动态调控"的跨越。所提出的系统可移植模型，无需重复标定即可适配不同设备和材料。未来通过融合声发射等多源传感数据，有望进一步优化热场控制精度，为航天发动机叶片等关键部件的增材制造提供质量保障。正如研究者所言，该成果标志着"增材制造过程控制从宏观走向微观"的重要一步。