基于激光模式调控的高强铝合金定向能量沉积成形工艺优化

作     者：史东来 贾车旺 孙刘铄 赵宇凡 杨海欧 林鑫 SHI Donglai;JIA Chewang;SUN Liushuo;ZHAO Yufan;YANG Haiou;LIN Xin

作者机构：西北工业大学凝固技术国家重点实验室西安710072 西北工业大学金属高性能增材制造与创新设计工业和信息化部重点实验室西安710072 

出 版 物：《材料工程》 (Journal of Materials Engineering)

年 卷 期：2024年第52卷第7期

页      面：44-56页

核心收录：

学科分类：1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 0817[工学-化学工程与技术] 0806[工学-冶金工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0803[工学-光学工程] 

基　　金：陕西省自然科学基础研究计划青年项目(2022JQ-479) 

主　　题：定向能量沉积 高强铝合金 光场模式调控 成形质量 微观组织 

摘      要：由于7075铝合金主要组成元素的沸点较低、熔体的表面张力梯度较大,加之定向能量沉积(DED)工艺中常用的圆形高斯分布(CG)激光束斑能量分布的不均匀性,导致7075铝合金DED试样的成形质量普遍不佳,这极大限制了7075铝合金DED的进一步应用。通过激光光场模式调控,可以有效改变熔池的温度场、流场及其相应的凝固条件,从而提升激光增材制造试件的成形质量和微观组织的主动控制能力。采用离轴抛物积分镜将CG光场模式匀化为圆形平顶分布(CF)光场模式,并进一步将CF光场模式倾斜以获得横向椭圆平顶分布(TE)光场模式。利用这三种不同的光场模式激光分别制备了7075铝合金DED的单道熔覆、单壁墙及块体试样。结合数值模拟,揭示光场模式对成形质量及凝固组织的影响规律及其内在机理。模拟结果显示,将激光束斑从传统的CG光场模式调制为CF与TE光场模式后,激光在熔覆层表面的热通量均匀性得到显著改善,进而减小了熔体温度梯度,提高了凝固速率。与CG光场模式相比,成形质量方面,CF与TE光场模式下单壁墙和块体试样的表面成形质量得到显著提升,其中单壁墙的宽度变化大幅降低,块体试样水平方向的尺寸精度提高,此外块体试样的致密度分别从95.8%提升至97.2%与97.7%;凝固组织方面,织构得到显著弱化,并且晶粒尺寸减小约50%,同时晶粒内纳米析出相η相的数量也有所增加。