文献来源：Procedia CIRP 2026，第14届CIRP国际光子技术会议
研发单位：丹麦技术大学、奥尔堡大学
原文 DOI：https://doi.org/10.1016/j.procir.2026.07.123
一、行业研究背景
当前激光增材制造（PBF-LB、DED）大量采用高斯、环形轴对称光束，对非对称、任意定制光场的熔池与晶粒调控机理研究匮乏；同时现有研究普遍忽略基板原始织构对熔凝微观组织的决定性影响。
本文基于CIVAN的OPA6相干合成（CBC）动态光束激光器，一次性设计 10种差异化任意光场（单点高斯、菱形、方形、螺旋、地毯均匀光斑、散斑等），分别在轧制316L基板与打印成型316L基板开展单道熔覆对照试验，结合 EBSD金相表征与Flow-3D多物理仿真，完整揭示光场能量分布、母材原始织构共同决定熔池尺寸、晶粒尺寸、晶体择优取向规律，为定向定制增材零件力学性能提供光束设计理论支撑。
二、整套试验与仿真方案
1. 两类差异化 316L 基材
a.热轧基板（HR）：晶粒取向随机，织构强度弱；
b.PBF-LB打印基板：成型自带强<100>柱状织构，是金属 3D 打印典型原始组织。
2. 相干合成激光与工艺参数
设备：14kW OPA6 相干合成动态光束激光器，1kHz切换任意光斑；
统一功率250W、扫描速度100mm/s，氩气20L/min保护；
共10种光场：高斯、菱形、三点、螺旋、8 环、16 环、方形地毯、散斑 1/2。
3. 多维度检测手段
a.光学金相：测量熔池熔深、熔宽轮廓；
b.EBSD 扫描：统计晶粒尺寸、晶体织构、晶粒取向；
c.Flow-3D 高保真多物理仿真：复现不同光束热流分布、匙孔/传导熔池形态、凝固温度梯度。
三、核心试验结果
1. 光束能量分布直接决定熔池深浅
a.集中型光场（高斯、菱形）：能量高度汇聚，热流密度大，熔深最大；
b.均匀分布式光场（地毯、散斑）：能量大面积铺展，峰值热流低，仅形成浅平传导型熔池；
c.轧制基板、打印基板均遵循同一规律，但相同光束下热轧件熔深整体更高。
2. 光场决定熔化模式：匙孔型vs传导型
a.高斯/菱形集中光斑：局部高温产生汽化反压力，熔池底部下凹，形成匙孔熔化模式，温度梯度陡峭；
b.地毯均匀光斑：无局部高温尖峰，全程热传导熔化，熔池轮廓圆润平缓。
3. 基板原始织构是晶粒生长底层决定性因素
无论采用何种光束，熔凝晶粒均以外延生长为主，继承基板晶体取向：
a.PBF打印基板（强<100>织构）
o均匀地毯光束：温度梯度与母材晶粒生长方向匹配，完整保留原有强柱状织构，无杂晶生成；
o高斯/菱形集中光束：垂直热梯度过大，与原始晶粒取向错位，熔池中心线生成大量取向紊乱异常晶粒，破坏原有织构。
b.热轧基板（弱随机织构）
o地毯均匀光束：冷却速率更高，晶粒显著细化（横向晶粒 8.2μm，纵向12.2μm）；
o菱形集中光束：冷却慢，晶粒尺寸更大（横11.5μm，纵向13.5μm）。
四、研究核心结论
1.相干合成任意动态光束是增材微观组织定向调控核心工具，仅改变激光空间能量分布，无需调整功率、速度即可自由切换深熔匙孔模式/浅平传导模式，独立控制熔池几何尺寸。
2.光束选型工程指导：
o需要保留打印件原始强织构、减少杂晶：选用地毯、散斑等均匀分布式光束；
o需要热轧基材晶粒细化：优先均匀宽幅光场；
o需要大熔深、高沉积效率：选用高斯、菱形集中光斑。
3.基板初始微观织构不可忽略：同等光束在轧制件、打印件中会产生完全不同晶粒形态与择优取向，工艺开发必须区分基材状态。
4.高保真仿真可精准复现任意光束热场与熔凝行为，大幅减少实物试验迭代成本，支撑光束正向设计。
五、产业应用价值
1.LPBF 金属打印：通过均匀光束抑制中心线异常晶粒，提升零件疲劳、拉伸性能一致性；
2.DED 定向能量沉积：集中光束实现大熔道高效增材，均匀光束用于表层细晶强化；
梯度性能构件：同一零件不同区域实时切换 CBC 光斑，分段定制晶粒尺寸与织构，一体成型差异化性能。
