摘要：激光束的能量分布模式对熔池的稳定性及增材制造（AM）过程中的缺陷形成机制有着显著影响。深入理解这种影响对于提高熔池的稳定性并减少缺陷至关重要。本文提出了一种高保真模型，用于揭示在Ti-6Al-4 V激光粉末床熔融（PBF-LB）过程中，不同激光束模式下熔池内部

原创激光制造（解读）激光制造研究

2025年06月04日 00:03北京

导读

激光束的能量分布模式对熔池的稳定性及增材制造（AM）过程中的缺陷形成机制有着显著影响。深入理解这种影响对于提高熔池的稳定性并减少缺陷至关重要。本文提出了一种高保真模型，用于揭示在Ti-6Al-4 V激光粉末床熔融（PBF-LB）过程中，不同激光束模式下熔池内部的流体动力学。通过计算不同工艺参数下的熔池瞬态温度和流场，对比了高斯光束和平顶光束的效果。此外，还制造了Ti-6Al-4 V样品以验证模拟结果。研究发现，高热输入的高斯光束产生了陡峭的键槽壁，导致激光反射变得不可预测。吸收能量的变化导致作用于键槽尖端的反冲压力不稳定，增加了键槽塌陷和气孔形成的风险。与高斯模式相比，平顶束内的温度场更加均匀。均匀分布的反冲压力将熔体从中心推向边缘，形成一个小倾斜的关键孔壁，这减少了反射次数，提高了流场的稳定性。采用平顶束显著扩展了工艺窗口。当体积能量密度（VED）达到最低要求时，可以得到高密度样品。Hatch间距（HS）对样品的组成相态有影响，较大的HS会导致形成较多的β相。

主要图表

图1粉体填充及网格生成。(a)粉体填充工艺示意图；(b)网格生成策略。

图2.光线追踪过程的示意图。(a)激光束的离散化；(b)光线的初始化；(c)光线的传播与反射。

图3.测量和简化的能量分布模式。(a)高斯分布；(b)平顶分布。

图4.带平顶梁的预制样品。(a) HS= 90微米；(b) HS= 120微米。

图5.高斯光束沉积过程中的温度场。(a)-(c) P = 120 W，v= 1200 mm/s；(d)-(f) P = 160 W，v= 1200 mm/s；(g)-(i) P = 160 W，v= 500 mm/s。

图6.单轨道沉积过程中使用高斯模式光束的流场。(a) P = 120 W，v= 1200 mm/s；(b) P = 160 W，v= 1200 mm/s；(c) P = 160 W，v= 500 mm/s。

图7展示了高斯模式光束纵向截面的流量与压力场分布。(a)当功率P为120瓦、速度v为1200 mm/s时；(b)(c)当功率P为160瓦、速度v为1200 mm/s时；(d)当功率P为160瓦、速度v为500 mm/s时。

图8展示了高斯光束和平顶光束的吸收率曲线。(a)-(c)部分显示了P值分别为120瓦、1200 mm/s，以及160瓦、1200 mm/s，还有160瓦、500 mm/s的高斯光束；(d)-(f)部分则展示了P值分别为220瓦、1200 mm/s，290瓦、1200 mm/s，以及290瓦、500 mm/s的平顶光束。

图9.键孔不稳定性及气孔形成过程。(a)-(d)键孔壁上的突起及其对应的温度与流场分布；(e)-(h)气泡生成过程；(i)-(l)新生成气泡的重新捕获；(m)固化前沿固定住的气孔。

图10.平顶光束沉积过程中的温度场。(a)-(c) P = 220 W，v= 1200 mm/s；(d)-(f) P = 290 W，v= 1200 mm/s；(g)-(i) P = 290 W，v= 500 mm/s。

图11不同激光束模式下熔池的对比。(a)-(b)模拟1-高斯模式下熔池的温度与流场分布；(c)-(d)模拟4-平顶模式下熔池的温度与流场分布。

图12.不同激光功率下平顶梁的前键孔壁角及流场。(a) P = 220 W，v= 1200 mm/s；(b) P = 290 W，v= 1200 mm/s；(c) P = 290 W，v= 500 mm/s。

图13.熔池中的驱动力分布。(a)-(c)高斯束的马兰戈尼力、表面张力及反冲压力分布；(d)-(f)平顶束的马兰戈尼力、表面张力及反冲压力分布。

图14展示了熔池横截面的流速分布及整体压力-速度场。(a)-(e)当功率为120 W，流速为1200 mm/s时；功率为160 W，流速同样为1200 mm/s时，采用高斯光束；功率为220 W，流速为1200 mm/s时；功率为290 W，流速为1200 mm/s时；功率为290 W，流速为500 mm/s时，采用平顶光束；(f)当功率为290 W，流速为500 mm/s时，同样采用平顶光束。

图15.单轨道沉积熔池。(a)(c)(e) P = 120 W，v= 1200 mm/s；P = 160 W，v= 1200 mm/s；P = 160 W，v= 500 mm/s，采用高斯光束；(b) (d)(f) P = 220 W，v= 1200 mm/s；P = 290 W，v= 1200 mm/s；P = 290 W，v= 500 mm/s，采用平顶光束。

图16展示了高斯光束（HS=60微米）的样品横截面图像。(a)-(d)分别为功率P = 160瓦、速度v= 1250 mm/s；功率P = 160瓦、速度v= 1000 mm/s；功率P = 160瓦、速度v= 750 mm/s；功率P = 160瓦、速度v= 500 mm/s时的图像；(e)-(f)则为平顶光束（功率P = 250瓦、速度v= 800 mm/s；功率P = 450瓦、速度v= 800 mm/s）的图像。

图17不同形成机制下缺陷形状的对比。(a)高斯光束（功率P=160W，速度v=500 mm/s)中的气孔；(b)平顶光束（功率P=250W，速度v=1200 mm/s)中的未融合缺陷。

图18.采用高斯和平顶图案束制备的样品的XRD图谱。

图19展示了4条轨道沉积（功率P=250瓦，高度HS=1200微米）在不同高度下的温度-时间变化曲线。(a)-(b)为第一轨道中心在不同深度（高度HS=60和120微米）的采样点；(c)-(d)为第三轨道中心在不同深度（高度HS=60和120微米）的采样点。

图20展示了采用平顶图案（功率P=375瓦/电压v=1200 mm/s)光束制备的样品在不同半径尺寸下的微观结构。(a)-(b)为半径尺寸分别为60微米和120微米时的低倍率图像；(c)-(b)为半径尺寸为60微米时的高倍率图像。

主要结论

本文提出了一种高保真模型，考虑了激光反射和材料熔化/固化过程，用于模拟Ti-6AL-4 V的粉末床熔融激光烧结（PBF-LB）工艺。计算了单轨沉积过程中瞬态温度和流场的变化，分别针对高斯光束和平顶光束进行了分析。通过相应的实验验证了模拟结果。研究了热输入和能量分布模式对尺寸及熔池稳定性的影响。通过多轨模拟获得了材料的热历史数据，并用于分析相变过程。主要结论如下：

1)当采用大热输入时，高斯光束中心的集中能量密度容易形成一个高纵横比的关键孔。陡峭的关键孔壁上的突起显著改变了激光反射特性，可能导致关键孔尖端吸收的激光能量突然减少，进而导致关键孔尖端塌陷，增加形成气孔的可能性。高斯光束的工艺窗口受到限制，通过增加热输入来提高打印效率变得困难。

2)平顶光束内的材料温度更低且分布更均匀，这使得反冲压力更低且分布更加均匀，前键孔壁也更加平坦。均匀分布的反冲压力将熔融金属从中心推向两侧，形成一个宽而浅的键孔。与相同VED的高斯光束相比，熔池的长宽比更小，显示出更好的熔池稳定性。因此，可以实现更宽的工艺窗口。

3)HS对Ti-6Al-4 V样品中平面顶梁的组成相有显著影响，形成β相的比例随HS值增大而增大，而β相含量随HS值增大而降低。

主要信息

Stability of molten pool and microstructure evolution of Ti-6Al-4 V during laser powder bed fusion with a flat-top beam

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来源：江苏激光联盟