荷兰特温特大学：变形镜动态激光束整形调控定向能量沉积微观结构

在激光定向能量沉积（DED-L）增材制造中，沉积材料的微观结构直接决定其机械性能，而微观结构受沉积过程中的热循环影响。传统优化主要通过调节激光功率、扫描速度或粉末馈送率实现。荷兰特温特大学研究团队开发了一种基于压电变形镜的动态激光束整形系统，能够在沉积过程中实时改变激光焦斑的空间功率密度分布（PDD）。实验结果表明，通过切换不同PDD，该系统可显著改变熔池形态，并实现从中心大等轴晶+侧底柱状晶，到全轨迹小等轴晶伴强晶体学织构等多种微观结构。该方法为DED-L过程中精准调控微观结构提供了有效工具。

技术创新：变形镜实现动态束整形

研究团队在Yb:YAG盘式激光器（TruDisk 10001）光路中集成了一套自定义动态束整形光学系统。核心元件为压电变形镜（PDM30-37），配合伽利略束缩器（凹镜焦距500 mm、凸镜焦距-125 mm）和平面镜，实现激光束空间强度分布的快速重构。从一种镜面形状切换到另一种形状仅需约10 ms。

默认状态下（镜面平直），焦斑呈直径约0.8 mm的圆形均匀（top-hat）分布。变形镜激活后，可生成多种非标准PDD。实验中设计并使用了四种显著不同的高强度分布：马蹄形、三角形、双线形和单线形（垂直于加工方向）。所有PDD在垂直于扫描方向（y方向）的宽度均约为3 mm，以保持特征能量密度Ic = P/(v·w) = 40 J/mm²一致（P=600 W，v=5 mm/s，w=3 mm）。

为量化不同PDD的热输入差异，研究引入辐射暴露量He(y) = v⁻¹ ∫ I(x,y) dx。三角形和单线形PDD在轨迹中心提供最高He(y)，而马蹄形和双线形PDD则在轨迹两侧提供更高暴露量。这种横向能量分布差异直接影响熔池几何和凝固行为。

与传统静态整形（如衍射光学元件或特定光纤芯形）不同，变形镜方法允许沉积过程中连续施加功率，避免扫描式整形（如振镜高速扫描）带来的局部峰值温度波动。同时，该方法不依赖特定激光源，具有较好通用性。图1：DED-L实验装置示意图（上）及单轨迹上四段不同PDD区域（下）。粉末从偏轴喷嘴注入熔池，加工方向为+x。

图2：实测PDD（a-d）及对应辐射暴露量He(y)（e）。马蹄形与双线形在两侧能量更高，三角形与单线形在中心更高。

实验结果：熔池形态与微观结构显著差异

实验在316L不锈钢基板上沉积41C不锈钢粉末单轨迹，每轨迹长220 mm，分四段（各55 mm）分别使用上述PDD。采用同轴相机（60 fps）监测熔池热辐射，并通过平均帧处理提取熔池轮廓。

结果显示，PDD对熔池形态影响显著：

• 马蹄形PDD产生最宽熔池，平均温度最高；
• 单线形PDD产生最窄熔池，平均温度最低；
• 三角形与单线形熔池中心更长，尾部呈凸形（中心最后凝固）；
• 马蹄形与双线形熔池两侧更长，尾部呈凹形（中心先凝固）。

轨迹几何也随之变化：宽PDD产生更宽轨迹，中心长熔池产生更高轨迹，四种PDD下稀释深度相似。

EBSD分析揭示微观结构多样性：

• 马蹄形：轨迹中心出现较大等轴晶，两侧及底部为细长柱状晶；
• 双线形：类似马蹄形，但中心无特大等轴晶；
• 三角形：全轨迹小等轴晶，粒径最小，并伴随强烈(110)织构（贯穿整个轨迹高度）；
• 单线形：等轴晶为主，粒径稍大，织构强度较弱且沿高度变化。

相比团队此前top-hat PDD研究，本工作中的三角形PDD产生的晶粒更趋球状、尺寸分布更窄、最大粒径更小。🔍

图3：四种PDD对应的顶视EBSD晶粒取向图与极图。三角形PDD显示最强织构。

应用价值与学术意义

该研究证明，通过动态改变PDD，可在相同激光功率、速度和粉末馈送率条件下，实现熔池几何、轨迹形状及微观结构的针对性调控。不同应用场景下，可选择合适PDD获得期望微观特征，例如三角形PDD适合需要小等轴晶与均匀织构的场合。

变形镜动态束整形为DED-L提供了新的自由度，有助于深化对热输入分布与凝固行为关系的理解。未来工作将扩展至多轨迹沉积，进一步验证该方法在复杂构件中的适用性。研究成果强调了空间功率密度分布作为独立工艺参数的重要性，为激光增材制造微观结构精准控制提供了实验依据。

参考文献
Bremer, S. J., Luckabauer, M., Aarts, R. G., & Römer, G. W. R. (2025). Dynamic laser beam shaping by means of a deformable mirror to tailor microstructure in Directed Energy Deposition. Journal of Materials Processing Technology, 339, 118797.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2025.118797