激光粉末床熔融中外部电场对熔池多尺度结构的调控机制与协同效应研究

《Advanced Science》：Multi-Scale Structural Effects of External Electrical Fields of Melt Tracks in Laser Powder Bed Fusion

本文系统研究了非接触式外部电场（EF）在激光粉末床熔融（LPBF）过程中对金属熔池多尺度结构的调控作用。研究发现，直流（DC）与交流（AC）电场能显著提升熔道连续性、表面光滑度（微纳尺度），并促进体相中等轴晶形成与晶粒细化。电场效应与光束整形策略（如双模激光处理，BLP）协同作用，可实现更优的微观结构控制。该工作为下一代增材制造系统提供了新的自适应调控维度。

　　

1 引言

熔池动力学对激光粉末床熔融（LPBF）及相关3D打印应用中金属再凝固的结构与性能具有关键影响。尽管外部电场（EF）在常温条件下对流体表面和体相性质的影响已有充分记载，但其对LPBF特有的瞬态高温熔池的作用仍鲜有探索，且其在多尺度下的普适性尚不明确。与热学方法不同，电场通过表面张力驱动行为（如电润湿、流体位移和毛细管调制）影响结构。然而，传统接触式电场配置与典型LPBF系统不兼容，而非接触式电场的研究此前仅限于粉末床的局部单点熔化（0D系统）。因此，在激光扫描（更高维度体系）下研究电场效应至关重要。本文揭示了外部非接触电场在多个长度尺度上对激光扫描金属熔道结构特征的影响，为未来多维增材制造系统中的动态自适应控制奠定了基础。

2 结果与讨论

2.1 常规激光扫描中电场对结构的影响

采用单模高斯激光束（单模激光处理，ULP）扫描粉末床形成单道熔痕。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，未加电场时熔道局部连续，仅存在轻微颈缩或球化，无明显形态不连续性。共聚焦图像显示沿熔道存在轻微长程高度波动和瑞利不稳定性引起的起伏。截面分析表明，ULP处理的SS316L以柱状晶为主，这是高热梯度与高热量输入导致的典型结果，但此类晶粒因力学性能差和易开裂而不理想。

施加平行于扫描方向的静态（400 V DC）或交变（400 V AC，6 kHz）电场后，熔道在宏观上保持连续稳定，与无电场情况相似。定量高度评估参数（如最小与最大高度比H_min/H_max、平均与最大高度比H_avg/H_max）显示连续性无显著差异，但局部稳定性参数（标准差和变异系数）表明电场引入了微小表面起伏。微观结构分析则揭示明显变化：无电场时以柱状晶为主；施加DC或AC电场后，等轴晶比例增加，表明电场能主动影响凝固路径。尽管柱状区仍存在，但等轴结构的出现证实电场的作用机制超越了单纯的热控制。

2.2 电场与先进光束整形的相互作用

除ULP外，研究还考察了电场与光束整形策略的结合。通过空间偏移叠加两束激光实现双模激光处理（BLP），包括仅沿扫描方向偏移的x-BLP、仅垂直方向偏移的y-BLP以及双向偏移的xy-BLP。无电场时，x-BLP和y-BLP熔道连续但存在起伏；xy-BLP则因熔池合并现象出现严重不连续性和周期性失稳。微观结构上，BLP本身已能促进等轴晶形成（xy-BLP效果最显著），而电场的引入进一步增强了这一趋势。

施加平行电场（DC或AC）后，x-BLP和y-BLP的宏观连续性稳定性得以保持；原本不连续的xy-BLP熔道变得连续稳定。垂直电场的影响则因电场方向、光束几何形状与扫描路径的耦合关系而异：x-BLP受垂直电场影响较小；y-BLP和xy-BLP则出现更明显起伏，因电场方向与偏移轴一致导致耦合效应。微观结构方面，平行电场下x-BLP和y-BLP的等轴晶比例进一步提高；xy-BLP在平行电场下等轴晶分布最广，AC电场产生的等轴晶更细小均匀。垂直电场亦能促进等轴晶形成，但平行电场效果更优。

2.3 强度重分布与电场在多尺度上的协同结构效应

针对微观结构最优但宏观不稳定的xy-BLP，重点分析电场辅助下的多尺度效应。宏观定量分析表明，平行DC电场在300–400 V时熔道连续性最佳，电压继续升高则出现失稳；平行AC电场在极低频率（<100 Hz）或高频（>5 kHz）时稳定性高，中频（100 Hz–5 kHz）则诱发显著起伏，这与熔池振荡特征频率相关。垂直电场则导致连续但不稳定的熔道，因熔体前沿倾向沿电场方向移动，与扫描方向垂直，但受扫描方向强流动约束而未发生大幅偏移。

表面粗糙度分析显示：无电场时，ULP样品微尺度粗糙度（Sa）最高（～1.29 μm），xy-BLP次之（～0.972 μm）；xy-BLP加DC电场后Sa略降（～0.970 μm），加AC电场后显著改善（～0.444 μm）。纳米尺度原子力显微镜（AFM）测量表明，ULP的R_a为～147 nm，xy-BLP无电场时升至～174 nm（合并现象导致）；加DC和AC电场后分别降至～55.5 nm和35.5 nm。拉曼和X射线光电子能谱（XPS）分析证实电场未显著改变化学成分。

体相微观结构定量分析表明：无电场时，ULP和xy-BLP的平均晶粒面积分别为24.806 μm²和8.970 μm²，标准偏差大；平行电场下两者晶粒进一步细化，xy-BLP加AC电场后平均晶粒面积降至～3 μm²（偏差2.9 μm²）。晶粒纵横比（AR）分析显示，ULP无电场时AR最高（11.919），xy-BLP加平行AC电场后降至2.689，表明等轴晶比例显著提高。有限元分析估计ULP的热梯度略高于BLP，但差值小，说明BLP的等轴晶形成源于热梯度降低与熔池几何形状改变的共同作用。电场可能通过影响固液界面温度梯度、熔池流动、表面能及诱导磁场等机制进一步促进晶粒细化，具体机制需进一步研究。

3 结论

本研究证实外部电场在激光扫描粉末金属过程中具有多尺度调控能力：电场可改善熔道连续性与稳定性，尤其对易出现不连续的xy-BLP光束形状有显着稳定作用；平行电场增强稳定性，垂直电场则可能因场方向与扫描路径关系而诱发失稳；DC电场始终稳定熔道，AC电场仅在极低或极高频率下有效；AC电场结合xy-BLP能在微纳尺度降低表面粗糙度；BLP本身已改善微观结构，但电场进一步促进等轴晶细化，AC电场效果优于DC；粉末颗粒几何形状与氧化层导致场分布不均，增加物理复杂性。这些发现首次系统展示了电场辅助光束整形在粉末金属激光加工中的潜力，为增材制造提供了新的自适应控制轴。未来工作应聚焦场-熔体相互作用物理机制，并拓展至多场或实时自适应控制。

4 实验方法

实验采用SS316L粉末（平均粒径～40 μm）在SS316L基底上铺粉（层厚～400 μm），基底置于聚乳酸基座上绝缘。非接触电场通过一对铜电极（间距～20 mm）施加，电场强度E = V/d（V为施加电压）。激光系统采用两台1064 nm连续Nd:YAG激光器（各100 W），光斑尺寸～220 μm。ULP使用单激光，BLP通过空间偏移叠加双光束（x偏移～220 μm，y偏移～110 μm）。扫描速度固定为40 mm/s，总功率200 W。电场由高压直流运算放大器产生，DC电压通过电源调节，AC电压由函数发生器控制（振幅～100 V，频率可变）。电场方向分为平行（同向或反向）与垂直扫描方向。表征手段包括SEM观察熔道与微观结构、共聚焦显微镜获取高度轮廓（评估参数H_min/H_max、H_avg/H_max、标准差、变异系数）、AFM测纳米粗糙度、拉曼与XPS分析化学成分。微观结构图像通过ImageJ软件按ASTM E1382标准定量分析晶粒面积与纵横比。