贵州大学吴家柱副教授团队：常规与高速激光定向能量沉积的热流体学-冶金特性研究 | AMF论文推荐

引用论文

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.

文章链接：

1研究背景及目的

高速激光定向能量沉积（HL-DED）可以显著降低单位热输入和提高冷却速率，促进柱状晶向等轴晶转变，同时细化晶粒，有利于改善制件的强度、塑性、抗疲劳和抗裂纹性能。然而，有关HL-DED的热-流-冶金映射机制尚需阐明，以便为定制晶粒结构、力学性能和服役性能的工艺优化提供理论指导。

2论文亮点

(1) 建立了L-DED热-流-冶金一体化模型。

(2) 研究了两种L-DED策略下的热输运与流体流动行为。

(3) 揭示了两种L-DED策略下的凝固参数与柱轴转变（CET）行为。

3试验方法

L-DED增材制造系统由IPG YLS-10000激光器、六轴机器人、同轴四路送粉系统和高速回转工作台组成，其中，高速回转工作台用于实现激光高速回转扫描。试验基板为120 mm×120 mm×8 mm的热轧316L不锈钢，粉末为53~105μm粒径的近球形316L不锈钢。首先，通过L-DED增材制造系统开展CL-DED和HL-DED实验，制备圆形熔道样件。然后，依次通过电切割、砂纸打磨、研磨膏抛光、王水腐蚀等流程制备金相试样。最后，分别使用XD30M光学显微镜和SEM对熔道的形貌和微观组织进行表征。

图1常规/高速激光定向能量沉积熔池热流行为与凝固组织

4结果

（1）相较于CL-DED策略，HL-DED策略下熔池的Marangoni效应更弱，以致熔池的最高流速是前者的33%。

（2）与CL-DED策略相比，HL-DED策略构建的熔道的高、深和宽分别减小58%、60%和14%；而且，HL-DED策略以低11倍的时间使熔池快速地达到准稳态峰值温度。

（3）在给定的两个熔道纵截面上，HL-DED策略下凝固界面的平均生长方向较CL-DED策略低33%以上，平均凝固速率和平均冷却速率分别是CL-DED策略的7.6倍和6.6倍以上，平均形态因子是CL-DED策略的17%。

5结论

(1) 两种L-DED下的熔池被负的Marangoni效应主导，形成向外流动的涡流模式。

(2) HL-DED下熔池后方固相区的温度梯度更小，有利于减小残余应力和变形。

(3) 在HL-DED工艺下，熔道的顶部形成全等轴晶，中部形成混合的柱状/等轴晶，底部形成全柱状晶，而且晶粒明显更细；在CL-DED工艺下，熔道的顶部和中部形成混合的柱状/等轴晶，底部形成全柱状晶。

6前景与应用

高速激光定向能量沉积（HL-DED）技术凭借其高扫描速度、低热输入和快速冷却的特点，可以改善零件的强度、塑性、力学各向同性、抗疲劳和抗裂纹性能，特别适合用于航空航天、能源装备、汽车等领域的承力构件制造。

关于团队

作者介绍

吴家柱（通讯作者），工学博士，贵州大学机械工程学院副教授（一流学科岗位特聘教授），硕士研究生导师，主要从事激光增材制造领域的多物理场建模仿真、过程监测与控制、形性一体化耦合调控的研究。承担国家级、省级重点等项目4项，在Additive Manufacturing、Virtual and Physical Prototyping、《金属学报》等期刊发表SCI论文20多篇，申请或授权发明专利7件，兼任中国有色金属学会增材制造技术专业委员会委员、《材料工程》期刊第三届青年编委。

近年团队发表文章

[1].Ruan Y, Yin C, Liu X, et al., A cobalt-free dual-phase FeCrNiMoSi high-entropy alloy coating with high wear and corrosion resistance compared with FeCoCrNi, Journal of Alloys and Compounds 1024 (2025). https://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180183.

[2].Yu C, Zhang D, Liu Z, et al., Study on nitrogen pores, microstructure, and mechanical properties of nickel-free high-nitrogen stainless steel fabricated via LDED regulated by heat input, Virtual and Physical Prototyping 20(1) (2025). https://dx.doi.org/10.1080/17452759.2024.2445711.

[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, 吴家柱, 张屹, 张大斌, 曹阳, 尹存宏. 激光束空域形态对激光定向能量沉积316L不锈钢热输运影响的数值模拟 [J]. 金属学报, 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

[6].Zheng W, Zhang D, Wu D, et al., Microstructural evolution and strengthening mechanism of TC4/ZTA composites fabricated by laser-directed energy deposition, Journal of Alloys and Compounds 1008 (2024). https://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.176565.

责任编辑：李 娜

责任校对： 金 程

审 核： 张 彤

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