北理工&清华联合顶刊丨金属增材制造过程原位主动调控技术研究进展

增材制造可实现零部件一体化成型，具备材料利用率高、设计自由度高等优势，但生产效率偏低、成型质量稳定性差、缺陷难以管控等难题制约其大规模工业化落地。金属增材制造原位主动调控技术可在成型全过程对工件动态调控，无需额外后加工工序即可大幅提升零件综合性能；该技术在缺陷萌芽阶段直接干预，相比打印完成后再修复效率更高，同时规避后处理带来的材料性能劣化风险。本文根据调控直接作用的核心要素，将原位主动调控分为三大类：

1. 工艺与路径参数优化：直接调控成型工艺规则，操作最简单、应用最广泛，重点综述其对金属微观组织与力学性能的调控规律；
2. 激光束整形：改变激光能量载体形貌，解决能量分布不均引发的边缘过熔、局部能量缺失等成型缺陷；
3. 附加物理场调控：叠加机械、脉冲激光、热、磁、超声等外部物理场，当参数优化、光束整形仍无法获得理想组织性能时作为进阶调控手段。本文系统总结各类附加物理场对不同金属基材力学性能的作用规律，同时展望金属增材制造原位主动调控技术未来发展方向。

               

（一）核心结论

1. 工艺参数、激光束整形、外加物理场是金属增材三大核心原位主动调控手段，均可干预熔池行为、凝固过程、应力演化与晶粒生长，实现缺陷抑制、晶粒细化、应力调控，全方位提升成型质量。
2. 工艺与路径参数优化是基础调控手段：激光功率、扫描速度可通过体能量密度统一量化调控成型能力；层间停留时间调控冷热循环，实现强塑性协同提升；扫描间距改变熔池冷却速率消除孔隙；扫描策略优化热累积，减少变形开裂。但当前研究多聚焦单参数作用，多参数耦合机理缺少系统分析。
3. 激光束整形可突破传统高斯光束成型短板：平顶光束抑制匙孔孔隙、降低飞溅；逆高斯光束拓宽熔道、消除匙孔缺陷；贝塞尔光束适配曲面、抑制匙孔模式；椭圆光束调控晶粒形态，实现柱状晶向等轴晶转变，多元化整形光束拓展激光增材工艺窗口。
4. 各类辅助物理场具备差异化调控机理：
   机械场（锤 / 轧）：通过塑性变形破碎粗晶，依靠细晶强化 + 加工硬化提升性能；                  
   原位激光冲击：产生冲击波细化晶粒，将有害拉应力转化为表层压应力，同步改善强度与塑性；                  
   热场（预热）：降低熔池温度梯度，减缓冷却速率，抑制裂纹与偏析；                  
   磁场：洛伦兹力搅动熔体，破碎枝晶、细化晶粒、弱化各向异性；                  
   超声场：空化与声流效应搅拌熔池，促进柱状晶 - 等轴晶转变，降低孔隙、优化残余应力。                  

（二）未来发展展望

1. 构建物理模型 + 数据驱动智能闭环调控体系

   融合多尺度仿真（CFD、元胞自动机、相场）、数字孪生与机器学习，搭建 “仿真 - 优化 - 试验验证” 闭环，实现熔池、缺陷、性能提前 预测；依托多传感器在线感知，建立实时自适应调控系统。                  

2. 多模态在线监测与闭环控制产业化落地

   突破单一传感器局限，发展多源异构感知系统，解决监测滞后、非线性控制难题，实现 “实时感知 - 智能分析 - 动态调参” 一体化质量管控。                  

3. 智能可切换激光光束系统开发

   基于空间光调制器实现光束模式毫秒级切换，建立材料 - 光束 - 工艺数据库，针对不同合金匹配最优能量分布方案。                  

4. 多物理场耦合协同调控理论

   理清工艺参数、光束形态、外部物理场之间强非线性耦合关系，量化多场协同作用阈值，开发跨尺度建模理论。                  

5. 多学科交叉融合，打通理论到工程应用

   融合激光物理、材料、力学、控制工程，统一多尺度模型验证标准，简化多场辅助设备集成难度，降低装备与原材料成本，推动原位调控大规模工业化应用。