《Journal of Materials Processing Technology》：A review on field assisted laser processing of difficult-to-process metals
编辑推荐：
场辅助激光加工（F-LP）通过叠加超声、磁、电、流体等外部场改善难加工金属的加工质量，减少重熔层、孔隙、微裂纹等缺陷，提升表面完整性和力学性能。本文系统分析各场的作用机制及适用性，指出复合场可突破单一场限制，并总结未来发展趋势。
Fuyao He | Miao Zhang | Shujiang Li | Jiawang Xie | Xiaoling Cheng | Xin Wei | Jun Wang | Chengyong Wang | Lijuan Zheng
广东工业大学机电工程学院，广州，510006，中国
摘要
作为航空航天、发电和精密制造中的关键结构材料，难以加工的金属（包括钛合金、镍基超级合金以及工具和模具钢）被广泛用于关键部件中，其加工质量直接影响性能和可靠性。与传统机械加工相比，激光加工（LP，包括机械加工、连接和表面工程）由于其非接触、无磨损、高度灵活和精确的核心优势，正在逐步补充或替代传统方法。然而，其实际应用常常受到等离子体屏蔽、激光-材料耦合变化、由陡峭温度梯度引起的熔池不稳定性以及由此产生的质量问题的限制，这些问题表现为重铸层、孔隙率、微裂纹、集中残余应力以及粗糙或异质微观结构。场辅助激光加工（F-LP）是一种通过施加可控的外部物理场（如单一场或混合场，例如超声波、磁场等）来主动调节激光-材料相互作用的技术，从而弥补传统LP的不足。本文全面综述了F-LP的最新进展，系统分析了超声波、磁场、电场、流体场和混合场的工作原理，阐明了它们对熔池动力学、等离子体羽流以及热和质量传递过程等基本物理现象的影响。在典型应用场景中，研究结果通常不仅限于微小的改进，当辅助措施与目标瓶颈相匹配时，缺陷负担可减少数十个百分点，几何一致性或机械性能也能得到显著提升。然而，每种方法的有效性受到配置和材料依赖的操作窗口的限制，这决定了它们的实际适用性。最后，本文总结了近期研究进展，并对F-LP领域的未来发展趋势和挑战进行了展望。
引言
随着高端制造业的不断发展，由难以加工的金属制成的高性能关键部件已成为工业发展的核心焦点。典型例子包括超级合金、钛合金、不锈钢和高强度钢。激光加工（LP）作为一种尖端制造技术，因其非接触特性、高能量密度、小的热影响区（HAZ）、高加工灵活性以及对多种材料的广泛适应性而在高端制造业中得到广泛应用[1]。与传统机械加工相比，LP在精密制造和功能性器件制造中表现出更高的精度和灵活性，在复杂结构和高性能组件的加工方面具有独特的技术潜力。根据发射持续时间，LP可以分为连续波激光、毫秒级和微秒级激光（准连续波），以及脉冲模式激光（包括短脉冲和超短脉冲激光）。
目前，针对难以加工金属的激光加工技术被分为四大功能类别：连接、机械加工、成形和表面工程。为了从机制角度进行讨论，这些工艺可以根据特征形成主要受熔池形成还是材料去除控制分为两大类：熔池中介导的工艺（如焊接和堆焊）和去除中介导的工艺（如切割和钻孔）。由于现有文献已经对激光增材制造进行了系统的综述和深入讨论，因此本文将重点关注其他代表性的LP技术，如图1所示。尽管激光技术在难以加工金属的应用方面取得了显著进展，但仍面临一些不可避免的挑战。例如，在加工镍基合金时，常常会形成含有Nb偏析和Laves相的重铸层，这会降低疲劳性能和屈服性能[2]；钛合金由于导热性低和反应性强，在加工过程中容易产生HAZ、重铸层以及氧化和氮化引起的脆化问题[3]；激光改性铝合金表面常见的缺陷包括孔隙率、裂纹、涂层剥落和脆性相的形成，这主要是由于它们的低吸收率、高化学反应性和快速凝固特性[4]。因此，这些材料的特定缺陷和局限性使得LP难以完全满足高端制造业对精度、性能和可靠性的严格要求。
近年来，为了在不改变原始光束路径或能量约束的情况下提高加工质量和性能，人们将各种外部物理场（如超声波、磁场和电场）与激光加工结合使用。这些方法统称为场辅助激光加工（F-LP），其发展历程如图2所示。图3总结了F-LP在难以加工金属中的应用。关键技术包括：(i) 超声场：将高频机械振动引入相互作用区域，增强熔池的搅拌和传输，从而提高工艺稳定性和结构均匀性；(ii) 磁场：磁场作用于导电熔融区域，重塑对流并抑制不稳定性；在某些配置中也可以间接影响羽流或能量耦合行为；(iii) 电场：外部电场或电流注入可以改变电荷传输和界面响应，进而影响热和质量传递以及凝固行为；(iv) 流体（气体/液体）：辅助流体提供清洗、冷却和屏蔽控制，有助于去除碎屑和熔融物，并调节局部热环境和羽流状态。根据施加的物理场数量，F-LP可以分为单一场辅助和混合场辅助。与单一场相比，新兴的混合场辅助技术可以利用场之间的协同效应，有效弥补单一场作用的局限性，进一步突破LP精细控制能力的上限。各种物理场通过施加机械、热、电磁或流体扰动来调节激光与材料之间的能量传递过程，从而改变熔池动力学、能量耦合效率、材料去除机制和微观结构的演变路径。
本文旨在综述难以加工金属的F-LP研究进展，涵盖机械加工、连接和表面工程方面。本文阐明了各种物理场和新兴混合场的工作原理，以及它们与材料的相互作用机制，探讨了它们对不同LP技术、材料、加工结构和性能的影响。最后，讨论了现有技术的局限性及未来发展趋势，旨在为相关领域的研究人员提供参考，并推动LP技术的进步。
章节摘录
超声波辅助激光加工难以加工的金属
超声波是一种频率超过20 kHz的机械波，具有高频和集中能量的特点，已被广泛应用于精密加工。作为一种不涉及宏观尺度上固体工具与工件直接机械接触的外部场，超声波可以在加工区域内引起强烈的局部振动。超声波辅助激光加工（UFLP）为一系列难以加工的金属提供了显著的优势
磁场辅助激光加工难以加工的金属
为了解决难以加工金属的高精度加工问题，外部磁场（MF）作为一种非接触、高效且环保的物理场辅助技术，在加工富含自由电子的金属等离子体时特别有效。因此，各种类型的MF（如静态MF和动态MF）已被应用于难以加工金属的LP中。现有研究表明，MF辅助的机制主要涉及两个方面：
电场辅助激光加工难以加工的金属
作为常见的物理场之一，电场（EF）是一个相对专业但成熟的分支，已在多个领域得到应用。首先，在加工系统中施加外部电压或电流源相对容易实现，且电流幅度、波形和频率等参数可以精确控制。同时，脉冲电流在传导过程中不可避免地会产生自感MF，形成电磁耦合系统
流体辅助激光加工难以加工的金属
流体辅助技术可以分为液体辅助和气体辅助方法。本文主要综述了流体辅助的基本机制，系统讨论了其在微观结构控制、几何特征成形和表面性能提升等方面的影响和原理。本节回顾了几种流体辅助LP技术，包括气体辅助激光加工（GLP）、水/化学液体辅助LP等
单一场辅助的比较性能和适用性
F-LP的比较性能本质上取决于具体应用场景。更合理的比较方法是针对瓶颈问题进行的，即评估每个场的主要影响机制、它最直接调控的工艺变量，以及这些变化在微观结构、表面完整性和机械性能方面的可重复改进程度。表5通过将每个场与相应的效果关联起来，总结了单一场辅助的比较有效性和工艺适应性
结论与展望
本文全面综述了用于辅助难以加工金属激光加工的各种物理场，包括主流的超声波、磁场和电场，以及新兴的高频（HF）技术，如图29所示。表8直接比较了不同物理场在典型难以加工金属中的适用性和优化优先级，旨在为研究人员提供参考和趋势总结
资助
本研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金（52122510）的支持。
CRediT作者贡献声明
WEI XIN：撰写 – 审稿与编辑，监督。
CHENG XIAOLING：撰写 – 审稿与编辑，监督。
WANG JUN：监督，资源协调。
ZHENG LIJUAN：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。
WANG CHENGYONG：监督，资源协调。
XIE JIAWANG：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。
LI SHUJIANG：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。
ZHANG MIAO：撰写 – 审稿与编辑，可视化处理。
HE FUYAO：撰写 – 初稿撰写，可视化处理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢所有帮助我们完成手稿撰写和实验的人。此外，本研究还得到了国家自然科学基金一般项目（项目编号52375415和U24A20121）、国家自然科学基金优秀青年科学基金（项目编号52122510）以及国家重点研发计划（2025YFF0522300）的支持。
