近日，我校机械工程学院罗开玉教授团队在增材制造领域顶刊《增材制造》（Additive Manufacturing）和机械制造领域顶刊《国际机械科学杂志》（International Journal of Mechanical Sciences）上分别发表了题为“In-situ thermal control-assisted laser directed energy deposition ofcurved-surface thin-walled parts”和“Melt pool control-assisted additive manufacturing of thin-walled parts”的研究论文。该研究成果提出了一种熔池原位控制辅助激光定向能量沉积工艺（ISTC-LDED），推导了以经典热传导理论为基础的平面和曲面薄壁件热效应模型，该技术阐明了层间柱状晶和等轴晶的连续演化机制并实现了构件厚度一致性。同时，ISTC-LDED技术诱导的316L不锈钢孪晶塑性变形效应可以显著提升强韧性。博士生苏尤宇为第一作者，鲁金忠教授和罗开玉教授为通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104061

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109519

本研究基于ISTC-LDED工艺，制备了不同曲率和不同功率的316L不锈钢平面、曲面薄壁零件，建立了热控制对熔池宽度影响的数学模型，系统分析了ISTC-LDED对薄壁件尺寸精度、显微组织和拉伸性能的影响，得出了如下重要结论:

（1）熔池原位控制技术基于同轴CCD摄像机监测和提取熔池宽度，红外热成像仪监控熔池温度，并设置合适的PID参数调节激光功率来获得稳定的熔池宽度。控制后熔池宽度的稳定性提高了17.4%，冷却速率提高180.6%。

（2）熔池宽度控制技术通过提高冷却速度抑制了初生枝晶臂间距和大枝晶的外延生长，柱状和层间等轴晶体的不断演化进一步提高了薄壁件的厚度均匀性，尺寸精度最高提升60.2%。

（3）熔池原位控制工艺增大了熔池的温度梯度，激活了熔池内部的马兰戈尼流产生了平滑效应，使得构件表面粗糙度减小了56.2%；加快了沉积过程中熔池内气泡的逃逸速度，使得平面薄壁件内部孔隙减少了82.7%，气孔总数减少两个数量级。

（4）熔池原位控制通过降低热积累效应降低了位错密度和层错能，进一步促进了变形孪晶的产生和孪晶诱导塑性变形(TWIP)效应，试样的延伸率最多提高了35.7%。ISTC-LDED工艺有助于解决热积累效应问题，提高薄壁件的成形质量和整体性能，为该领域其他金属材料和不同尺寸构件的增材制造提供了新的参考。

ISTC-LDED技术针对薄壁件沉积制造中的热累积，改进了自适应积分分离式PID算法，解决了沉积薄壁件边缘塌陷和表面粗糙度高的问题，为激光定向能量沉积薄壁件工艺窗口建立和性能参数优化提供硬件和软件基础。该技术还进一步推导了激光定向能量沉积薄壁件的热效应模型，建立了激光功率与熔池宽度的数学关系。通过分析熔池热历史对构件表面质量和成形质量评价指标的影响规律，获得了激光沉积薄壁件成形工艺与质量的匹配关系，揭示了熔池联合控制下构件诱导孪晶塑性变形导致的塑性提升机制，为实现金属薄壁件高质高效激光定向能量沉积提供新途径。

本研究获得了江苏省重点研发计划（产业前瞻与关键核心技术）《材料-结构一体化金属构件激光复合增材制造工艺调控关键技术研发》（BE2022069-4）等资助。