导读

本研究提出了一种新型的线激光定向能量沉积（DED）技术，称为振荡光束线激光DED。在此技术中，激光束以8字形或无限模式周期性振荡，以控制沉积层的形成质量和几何形状。其新颖之处在于探讨了激光振荡模式、频率和幅度如何影响形成质量和沉积层尺寸。研究调查了熔池的动态行为及各种形成缺陷的生成机制。与非振荡线激光DED相比，研究了薄壁部件的形成质量。结果表明，当振荡幅度增加时，8字形振荡样品的层宽会增大。然而，无限振荡样品的行为则相反。沉积层的宽高比通过改变激光振荡模式和振幅，在2.04到5.18之间变化。与非振荡线激光DED相比，通过光束振荡线激光DED沉积的壁面质量和结构密度显著提高。采用8形振荡时，壁面材料利用率提高了22.2 %。本研究展示了光束振荡线激光DED在控制沉积层尺寸和提高成型质量方面的能力，同时不牺牲沉积效率。

主要图表

图1.振荡光束线激光DED系统的示意图。

图2.不同激光振荡模式下光束运动轨迹示意图。(a)8形振荡。(b)无限振荡。

图3.不同激光振荡模式下的沉积层外观和能量密度分布。(a)非振荡。(b)8形振荡。(c)无限振荡。

图4.不同激光振荡模式下的熔池图像。(a)非振荡。(b)8形振荡。(c)无限振荡。

图5.不同激光振荡模式下熔池内流体流动示意图。(a)非振荡。(b)8形振荡。(c)无限振荡。

图6.不同激光振荡模式下各种缺陷及稳定沉积条件的过程可行性图(a)8形振荡(b)无限振荡。

图7.在频率为2 Hz，振幅为6 mm的不同振荡模式下熔池图像、激光能量分布和层状外观。(a)8形振荡。(b)无限振荡。

图8.熔池图像，一个振荡周期的激光能量分布，以及在50 Hz频率和6 mm振幅下不同振荡模式下的层状外观。(a)8形振荡。(b)无限振荡。

图9.在10 Hz振荡频率下，不同激光振荡模式沉积的单个珠子的横截面。(a)层几何结构示意图。(b)非振荡。(c)8形振荡。(d)无限振荡。

图10.在10赫兹振荡频率下，不同振荡幅度下单个珠子的几何形状。(a)8形振荡模式下的层宽和层高。(b)无限振荡模式下的层宽和层高。(c)层稀释率。(d)层长宽比。

图11.不同光束振荡模式下，横截面内振荡激光的能量密度分布。(a)8形振荡。(b)无限振荡。

图12.不同激光振荡模式下20层薄壁零件的成型特征。(a)非振荡。(b)无限振荡。(c)8形振荡。

图13.在不同激光振荡模式下制造的薄壁部件中部截面。(a)非振荡。(b)无限振荡。(c)8形振荡。(d)薄壁部件材料利用率示意图。(e)8形振荡壁的侧壁形态和轮廓线。

图14.不同激光振荡模式下薄壁零件中间区域的显微组织和硬度分布轮廓。(a)和(b)非振荡。(c)和(d)无限振荡。(e)和(f)8形振荡。(g)显微组织和硬度分析区域示意图。

图15.不同激光振荡模式下制造的壁的X射线NDT结果。(a)非振荡。(b)8形振荡。(c)无限振荡。

主要结论

本研究探讨了在梁振荡线激光直接电熔沉积过程中熔池的行为和形成特性，其中激光束基于8形或无限图案振荡。详细讨论了激光束振荡模式、频率和幅度对工艺动态的影响。揭示了梁振荡线激光直接电熔沉积的工艺可行性窗口。此外，还探索了梁振荡线激光直接电熔沉积中的形成缺陷类型及其相应的生成机制。本研究的主要结论如下。

(1)当振荡幅度超过3毫米时，8形振荡激光可以通过驱动熔池扩展来增加沉积层宽度。然而，无限振荡激光通过促进熔池收缩来减少沉积层宽度。在稳定的沉积条件下，随着振荡幅度从0增加到6毫米，8形振荡样品的长宽比从3.17增加到5.18，而无限振荡样品的长宽比则从3.17减少到2.04。

(2)在束振荡线激光DED沉积过程中，会出现三种成形缺陷，包括波状外观、下切和润湿不良。波状外观缺陷出现在低振荡频率和高振荡幅度的8型和无限振荡样品中。当振荡频率和幅度均较高时，下切和润湿不良缺陷分别出现在8型和无限振荡样品中。

(3)熔池的动态行为被用来详细解释成型缺陷的形成过程。熔池轮廓的周期性变化是产生波状外观缺陷的主要原因。当振荡频率和幅度增加时，激光能量密度显著下降，激光束无法促进熔池扩展，导致下切和润湿不良缺陷。

(4)与非振荡线激光DED相比，束振荡线激光DED沉积壁的表面质量和结构密度显著提高。此外，8形振荡壁的材料利用率比非振荡壁高出22.2%。另外，振荡激光可以有效降低束振荡线激光DED沉积壁的孔隙率。无论是非振荡壁还是束振荡壁，在微观结构上均未观察到显著差异。由于晶粒更细，束振荡线激光DED沉积壁的硬度略高。

主要信息

Molten pool behaviors and forming characteristics in wire-laser directed energy deposition with beam oscillation

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118326