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Diode Area Melting of Ti6Al4V: Effects of Multi-Laser Processing on Microstructure and Residual Stress

本研究表明，与传统的激光粉末床熔融技术相比，使用多激光阵列的二极管区域熔化（DAM）显著降低了 Ti6Al4V 的冷却速率和残余拉应力，从而导致了更粗大的显微组织并改善了凝固控制。

原作者： Anqi Liang, Sarath Veetil, Kristian Groom, Kamran Mumtaz

发布于 2026-06-25

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原作者： Anqi Liang, Sarath Veetil, Kristian Groom, Kamran Mumtaz

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，你正试图建造一座完美的沙堡，但你使用的不是湿沙子，而是微小的金属粉末；代替你的手，你使用的是激光来熔化它们并将其结合在一起。这就是增材制造（金属3D打印）的基本概念。

通常，这种方式最流行的方法被称为 LPBF（激光粉末床熔融）。把 LPBF 想象成使用一个极其强大、高速的单点聚光灯（光纤激光器）来熔化一个微小的点，移动速度之快，使其几乎瞬间冻结。虽然这使得金属非常坚固，但其“热冲击”就像是将热锅直接冲入冷水。这会产生巨大的内部张力（残余应力），导致零件变形甚至开裂，而且表面通常会变得粗糙且凹凸不平。

这篇论文介绍了一种名为 二极管区域熔融（Diode Area Melting, DAM） 的新方法。与其使用一个超快速的聚光灯，不如想象使用一根低功率手电筒组成的条形阵列（二极管激光器）协同工作。

以下是研究人员在使用这种“手电筒条”熔化钛合金（Ti6Al4V，一种用于飞机和医疗植入物的金属）时的发现：

1. “手电筒条” vs. “聚光灯”

研究人员使用了一个定制的打印头，其中排列着 3、4 或 5 束小型激光。他们带着整个激光条在金属粉末上移动。

类比： 如果说 LPBF 是像外科医生使用一把精准的手术刀切出一道细线，那么 DAM 则像是使用一个宽大的热熨斗同时抚平一大片区域。
结果： 由于激光功率较低但覆盖面积更广，金属不会被加热和冷却得如此剧烈。这是一个更温和、更受控的过程。

2. 更光滑的表面（“冰场效应”）

当你只使用 3 束激光 时，熔融轨迹的重叠较少，会留下凹凸不平的表面（就像崎岖不平的路面）。但当他们使用 5 束激光 时，熔融轨迹显著重叠了。

类比： 想象你在刷墙。如果你用一把小刷子（3 束激光），你会看到每一道笔触和间隙。如果你用一个宽大的滚筒（5 束激光），油漆会相互重叠，从而抹平棱角。
结论： 5 束激光的设置产生的表面比传统方法要光滑得多。金属不会“成球”或留下粗糙的峰值；它像一层平静、平坦的冰面一样融合在一起。

3. “慢火细炖” vs. “瞬间冻结”

最重要的发现是关于冷却速度的。

LPBF（传统方法）： 冻结金属的速度极快（在眨眼之间），使得金属内部的晶体结构处于一种混乱、充满应力的状态。这就像是快速冷冻汤料；食材没有时间沉淀。
DAM（新方法）： 冷却金属的速度要慢得多（尽管按人类标准来看仍然很快）。
类比： 这是速冻牛排（会让肉质变得坚硬且充满压力）与慢烤牛排之间的区别。这种缓慢的冷却过程允许金属的内部晶体（称为“晶粒”）生长得更大且更有组织。
结论： 研究人员发现，金属晶体更加粗大，并且至关重要的一点是，部分金属保留了一种特定的相（称为 Beta 相），这种相在传统打印中通常会消失。这是因为金属有足够的“时间”在硬化之前稳定下来，形成更稳定的形状。

4. 金属中的“张力”更小（残余应力）

由于金属冷却得更加温和，它不会收缩得那么剧烈。

类比： 想象一根橡皮筋。如果你拉伸它并立即松手，它会产生巨大的回弹力（高应力）。如果你让它慢慢放松，张力就会小得多。
结论： 新方法中的内部“张力”（残余应力）比传统方法显著降低。事实上，这种应力水平非常低，以至于即使是在单层粉末的情况下，金属也没有发生变形或开裂。研究人员指出，这种应力水平远低于会导致金属断裂的临界点。

研究结果总结

论文得出结论，通过使用一组 5 束低功率激光而非单束高功率激光，他们实现了三个主要目标：

更光滑的表面： 金属看起来和摸起来都更加平整。
更好的内部结构： 金属冷却得足够慢，从而形成了更稳定、更有组织的晶体结构，并保留了一些在快速打印中通常会消失的独特相。
更少的应力： 金属内部更加放松，降低了变形或开裂的风险。

重要提示： 研究人员在本研究中仅测试了单层金属粉末。他们证明了该概念在单层上是行得通的，但目前尚未测试构建完整的、厚实的 3D 物体。他们的目标是展示这种“更温和”的加热方法如何以一种良好的方式改变金属的行为，为未来的厚件实验铺平道路。

技术摘要：Ti6Al4V 的二极管区域熔融——多激光处理对显微组织与残余应力的影响

问题陈述
激光粉末床熔融（LPBF）是金属增材制造领域的主导技术，但其受到快速热循环的限制，这些循环会产生剧烈的温度梯度和高残余应力。这些条件往往导致 Ti6Al4V 等部件出现翘曲、开裂和尺寸不稳定。虽然 LPBF 能产生有利于强度的细小显微组织，但相关的热历史限制了对凝固行为的控制。二极管区域熔融（DAM）已成为一种新型替代方案，它利用阵列式的低功率二极管激光器（808 nm），而非由振镜系统驱动的单束高功率光纤激光器。尽管先前的研究已证明 DAM 在各种金属中的可行性及其降低冷却速率的潜力，但关于多激光相互作用如何具体影响 Ti6Al4V 的热渗透、凝固行为和残余应力发展的理解仍然有限。

实验方法
本研究使用了一套由谢菲尔德大学开发的定制 DAM 系统，该系统配备了一个能够集成多达 100 束低功率二极管激光器的廊架式光学头。在本研究中，使用 3、4 和 5 束对齐的二极管激光器（808 nm 波长，每束 5 W）制备了单层 Ti6Al4V 样品。实验设计通过系统地改变激活激光器的数量和扫描速度（100、150、200 和 250 mm/min），同时保持 200 µm 的恒定扫掠间距和 1 mm 的粉末床厚度。

表征方法包括：

表面分析： 使用 3D 轮廓仪测量表面粗糙度（ $R_a$ ）。
显微组织分析： 利用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）进行熔池几何形状分析；利用电子背散射衍射（EBSD）进行晶粒结构、物相识别和 $\alpha$ -片层间距分析；以及利用 X 射线衍射（XRD）进行物相组成分析。
残余应力分析： 使用 XRD $\sin^2\psi$ 法测量扫描方向（ $\sigma_{xx}$ ）和垂直方向（ $\sigma_{yy}$ ）的近表面残余应力。
模拟： 使用 FLOW-3D™ 软件进行计算流体力学（CFD）模拟，以估算特定工艺条件下的冷却速率。

关键结果

表面形貌： 与典型的典型构建态 LPBF Ti6Al4V（其 $R_a$ 通常为 10–15 µm）相比，DAM 工艺产生的表面显著更光滑。5 激光配置产生了最光滑的表面（ $R_a$ = 1.2–1.3 µm），这归功于相邻熔道之间较高的重叠率（约 45.9%），促进了部分再熔融并抑制了球化现象。相比之下，3 激光配置由于较低的重叠度和热不连续性，导致了较粗糙的表面（ $R_a$ = 5.4–6.6 µm）。
熔池与热渗透： 增加激光器数量会增加熔池深度和热影响区（HAZ）深度。在 100 mm/min 速度下，5 激光配置实现的熔池深度约为 108 µm，HAZ 深度约为 475 µm。较高的扫描速度会降低热渗透，导致熔池变浅且稳定性增加。
显微组织与物相： DAM 工艺导致了较粗的 $\alpha$ -片层结构（0.8–1.3 µm），而 LPBF 的结构通常小于 0.5 µm。这种粗化与 DAM 中观察到的显著较低的冷却速率有关。至关重要的是，在 4 激光和 5 激光试样中观察到了可检测到的 $\beta$ 相保留，尤其是在较低的扫描速度下。这与 LPBF 不同，LPBF 的快速冷却通常抑制 $\beta$ 相保留，转而形成马氏体 $\alpha'$ 相。 $\beta$ 相的存在归因于较慢的冷却速率允许扩散控制转化。
冷却速率： 模拟的冷却速率范围为 2,211 K/s 至 8,400 K/s，这明显低于 LPBF 典型的 $10^4$ – $10^7$ K/s。冷却速率随激光器数量的增加而降低（由于热积累），并随扫描速度的增加而增加。
残余应力： DAM 样品中的残余拉应力明显低于 LPBF 报道的数值。测得的最大拉应力为 138.2 MPa（在 3 激光、250 mm/min 条件下），而 LPBF 的值可能超过 688 MPa。应力水平随激光器数量的增加而降低（5 激光样品显示出最低应力），并随扫描速度的增加而增加。应力各向异性遵循 LPBF 的趋势，即 $\sigma_{xx}$ （扫描方向）始终高于 $\sigma_{yy}$ 。

意义与主张
作者声称 DAM 工艺提供了对 Ti6Al4V 部件凝固行为和应力演变的改进控制。通过采用多束低功率二极管激光器，DAM 实现了显著降低的冷却速率，这有助于形成较粗的 $\alpha$ -片层并促进 $\beta$ 相的保留，从而偏离了 LPBF 典型的马氏体结构。

研究认为，较低的冷却速率是实现残余拉应力大幅降低的主要机制。较慢的热循环允许通过高温下的塑性变形实现应力松弛，从而减轻了常导致 LPBF 部件翘曲和开裂的高残余应力。此外，改进的表面质量和降低的应力水平表明，DAM 具有通过抑制疲劳裂纹萌生来延长部件使用寿命的潜力。

作者保持了审慎的范围界定，指出目前的发现仅限于单层试样，其中来自层间热循环的应力累积被降至最低。他们总结道，虽然该工艺在可靠制造方面展现出前景，但未来的工作必须扩展到多层试样，以全面理解体材料生产中的累积热效应。

1. “手电筒条” vs. “聚光灯”

2. 更光滑的表面（“冰场效应”）

3. “慢火细炖” vs. “瞬间冻结”

4. 金属中的“张力”更小（残余应力）

研究结果总结

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