动态光束整形 可变形反射镜 功率密度分布 微观结构
说明：激光熔覆、定向能量沉积、直接能量沉积、直接金属沉积、激光金属沉积等术语的基本原理相近，只是在不同应用场景下表述有所区别。
应用背景#
**定向能量沉积（Directed Energy Deposition，DED）**是一类增材制造技术，使用激光作为热源时也称 DED-L。它与粉末床熔融不同：DED-L 通常使用喷嘴将金属粉末或金属丝材直接送入熔池，激光头和喷嘴一起移动，逐层堆积形成零件。
DED 的优势主要包括：
- 可以制造大型零件，理论上尺寸限制较小；
- 可以修复涡轮叶片、模具等受损的高价值零件；
- 可以直接在现有零件上进行增材制造。
不过，DED 也有一条必须面对的材料—过程耦合链：
- 零件的最终性能，包括强度、韧性和疲劳寿命，高度依赖沉积过程中形成的微观结构，例如晶粒尺寸、形状与取向；
- 微观结构又由沉积过程中的热循环决定，包括加热、熔化、冷却与再加热；
- 传统方法主要通过激光功率、扫描速度、送粉／送丝速率控制热循环，但这些参数的调整空间及其微观结构调控能力有限，往往难以精细控制特定区域。
激光束的能量分布，也就是功率密度分布（Power Density Distribution，PDD）或常说的光斑形状，是影响熔池温度梯度、冷却速度和凝固行为的关键因素。通常，DED 设备采用固定的高斯或平顶分布；如果能在加工过程中动态改变光斑形状，就有机会更灵活、更精确地控制局部热循环。
改变能量在焦平面内的空间分配。
重塑温度梯度、冷却与再加热过程。
调控晶粒尺寸、形貌、取向与织构。
光束整形#
光束整形的核心，是改变激光束在焦平面上的强度分布，使其不再局限于简单的圆形高斯或平顶分布。
静态整形
静态整形可以使用衍射光学元件（DOE）、特殊芯径光纤、自由曲面反射镜等，产生环形、方形、线形等固定的非传统光斑。文献表明，它能够改善微观结构均匀性或获得特定组织，但形状固定，无法在加工过程中改变。
动态整形
动态整形允许在加工过程中实时改变激光能量分布，主要方案包括：
- 振镜扫描（Galvanometric Scanners）： 用小光斑高速扫描出所需的大光斑形状。扫描速度不够快时，局部可能出现过高峰值温度，而且能量是离散施加的；
- 光束相干合成（Coherent Beam Combining）： 技术复杂，需要特殊光源；
- 多平面光转换（Multi-Plane Light Conversion）： 可调自由度有限；
- 可变形反射镜（Deformable Mirror，DM）： 通过精确控制镜面形状，灵活、连续地改变反射光束的波前，进而在焦平面形成复杂 PDD。它响应快，达到毫秒级，灵活性高；激光能量又连续施加于整个整形光斑区域，可避免扫描方法可能带来的局部过热。
实验装置与方法#
激光与光路（Laser & Optics）
激光器： 10 kW Yb:YAG 碟片激光器 TruDisk 10001，实验只使用了 100 µm 芯径的光纤输出。
标准 DED 聚焦头： 包括焦距 \(f=150\ \mathrm{mm}\) 的准直镜和焦距 \(f=300\ \mathrm{mm}\) 的聚焦镜。
核心部件是动态光束整形系统。 系统位于准直镜和二向色镜之间，控制的是准直后的平行光束：先改变平行光的波前，再由聚焦镜在焦点处形成目标 PDD。系统包含：
- 压电式可变形反射镜 PDM30-37（Flexible Optical B.V.）。这是实现动态整形的关键。向镜面下方的多个促动器施加电压，可精确改变镜面形状和反射光的波前相位；
- 伽利略缩束器。 由凹面镜和凸面镜组成，用于调整光束尺寸，使其与 DM 及后续聚焦镜匹配；
- 两个平面反射镜。 用于折转光路。
DM 切换形状约需 10 ms，因此可以在加工过程中动态改变。DM 不驱动、处于平面状态时，焦点处为直径约 0.8 mm 的圆形平顶（Top-hat）光斑。
材料与工艺参数（Materials & Process Parameters）
250 × 100 × 10 mm³
Oerlikon Metco 41C
氩气保护
送粉速率 7.0 g/min
实验设计： 制备 3 道长度为 220 mm 的单道熔覆层。每道分成 a、b、c、d 四个区段，每段长 55 mm，分别使用一种特定的功率密度分布；整套实验重复 3 次，以验证结果的一致性。
光束形状
实验设计了四种 PDD：马蹄形（Horseshoe）、三角形（Triangle）、双线形（Double line）和单线形（Line）。选择这四种形状的主要目的，是产生显著不同的能量分布，从而诱导不同的熔池行为和微观结构。
四种光束在 \(y\) 方向的宽度 \(w\) 均约为 3 mm，但在 \(x\) 方向的长度和能量集中区域不同；其中，单线形 PDD 长度最短，约 0.7 mm。
能量表征：面能量密度
对于非圆形或非均匀光斑，简单使用 \(P/(vd)\) 或 \(P/(vw)\) 描述能量密度并不充分，其中 \(d\) 是直径、\(w\) 是宽度。这类表达忽略了能量的空间分布。
文中引入面能量密度：
\[ H_e(y)=\frac{\int I(x,y)\,\mathrm{d}x}{v} \]这个量表示在垂直于扫描方向的某个 \(y\) 位置，单位面积接收到的总能量。它通过对 PDD 沿扫描方向 \(x\) 积分得到，更能反映不同 \(y\) 位置的累积能量输入强度。
\(H_e(y)\) 的分布直接关系到熔池宽度轮廓和横截面温度分布，进而影响凝固：中心能量较高的 PDD 预计会产生中心更深的熔池；两侧能量较高的 PDD 则可能形成更宽、中心相对较浅的熔池。
结果与讨论#
熔池形貌（Melt Pool Morphology）
熔池尺寸与形状随 PDD 发生了明显变化：
- 马蹄形 PDD： 熔池最宽，与其 \(H_e(y)\) 在两侧较高一致；
- 马蹄形和双线形 PDD： 熔池拖尾呈凹形，即中心部分先凝固、两侧后凝固；
- 三角形和单线形 PDD： 熔池相对较窄，拖尾呈凸形，即两侧先凝固、中心后凝固。
熔池拖尾形状可以直接反映凝固前沿形态和主要散热方向，对晶粒生长方向有决定性影响。凹形拖尾有利于柱状晶从两侧向中心生长；凸形拖尾则有利于晶粒从基底向上生长，或从两侧向中心汇聚。
显微组织（Microstructure）
研究主要使用电子背散射衍射（EBSD）表征显微组织。
俯视图#
- 马蹄形 PDD： 中心区域有较大的等轴晶，两侧为沿轨道方向伸长的柱状晶，中间过渡区有较小的等轴晶；极图显示其织构不强；
- 三角形 PDD： 主要为细小等轴晶，关键是极图显示出非常强的织构，即明显的择优取向；
- 双线形 PDD： 与马蹄形类似，但中心的大等轴晶不明显，主要由两侧柱状晶和中部等轴晶组成，织构也不强；
- 单线形 PDD： 主要为等轴晶，织构强度介于三角形和马蹄形／双线形之间。
一般而言，等轴晶通常对应较为各向同性的力学性能，细小等轴晶往往具有更好的强韧性组合；强织构则会带来显著的力学性能各向异性。实验说明，能够通过 PDD 调控织构强度。
横截面#
- 马蹄形 PDD： 底部有从基板外延生长的柱状晶，熔覆层中心和顶部存在较大的等轴晶；
- 三角形 PDD： 从底部到顶部，晶粒形态变化不大，主要是等轴晶或轻微拉长的晶粒。关键点是极图再次表明截面存在清晰的（110）织构；
- 双线形 PDD： 底部有柱状晶，上部主要是尺寸相对较大的等轴晶；
- 单线形 PDD： 与三角形类似，底部有外延生长，上部主要是等轴晶。
横截面揭示了晶粒从凝固开始（底部）到结束（顶部）的演变过程。柱状晶通常沿最大温度梯度方向生长，大致垂直于熔池边界；等轴晶通常在凝固前沿前方、具有足够过冷度的位置形核，或在温度梯度较低的熔池中心形成。
调控链路
重分配焦平面能量。
改变宽度与拖尾形状。
改变热梯度和凝固速率。
\(G/R\) 影响柱状／等轴晶转变，\(G\cdot R\) 影响晶粒尺寸。
换句话说，完整的调控过程是：
PDD（功率密度分布）→ 熔池 → 微观结构。
PDD 显著影响熔池宽度和拖尾形状，继而改变凝固过程中的温度梯度 \(G\) 与凝固速率 \(R\)，最终决定晶粒形态、晶粒尺寸和织构。
工程应用思考#
- 如何反推 PDD？ 怎样从目标微观结构出发，精确反推具体的功率密度分布形状，仍是控制方法落地的核心问题；
- 成本与集成。 高性能 DM 及其控制系统成本较高，集成到现有 DED 设备也较困难，需要解决光路匹配和控制系统兼容等问题；
- 从单道走向多道多层。 文中主要分析单道熔覆。推广至多道、乃至多层沉积时，还需要考虑道间与层间的热相互作用。
以上。
引用#
- Bremer, S. J. L., Luckabauer, M., Aarts, R. G. K. M., et al. “Dynamic laser beam shaping by means of a deformable mirror to tailor microstructure in Directed Energy Deposition.” Journal of Materials Processing Technology, 339 (2025), 118797. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2025.118797.
原文发布于“激光之研”，2025 年 5 月 5 日 22:20，重庆。查看原文
