中法联合顶刊丨WC/NiCu复合材料的圆振荡激光定向能量沉积增材制造

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文章摘要

在激光定向能量沉积（L-DED）技术中，传统的高斯激光器因其在整个制造过程中产生较大的温度梯度和残余应力而存在局限性。为了解决这些问题，天津工业大学物理科学与技术学院的雷剑波教授团队与合作伙伴进行了创新研究，提出使用圆形振荡激光器代替传统的高斯激光器。

该研究比较了高斯激光器和圆形振荡激光器制造的NiCu合金和16wt%WC/NiCu复合材料。结果显示，圆形振荡激光器通过搅拌熔池，阻碍了柱状枝晶的形成，促进了等轴枝晶的生长，有效降低了熔池温度梯度和提高了冷却速率，从而细化了晶粒。使用圆形振荡激光器制造的NiCu合金晶粒尺寸比使用高斯激光器的小19.5%。

此外，研究还发现，未熔化的WC颗粒均匀分散在复合材料中，阻碍了枝晶生长并进一步细化了晶粒。圆形振荡激光制造的复合材料在显微硬度和耐磨性方面均有显著提升，但耐腐蚀性相对较差。这项研究的亮点在于通过使用圆形振荡激光器，最大限度地减少了温度梯度和残余应力，显著细化了晶粒尺寸，并提高了材料的硬度和耐磨性。

正文

在激光定向能量沉积（L-DED）领域，标准程序通常使用高斯激光器作为主要能源。然而，这种成熟的技术也有局限性，因为它在整个制造过程中产生相当大的温度梯度和残余应力，导致显着的变形和开裂。为了克服这些限制，天津工业大学物理科学与技术学院的雷剑波教授团队与河北瑞兆激光再制造技术股份有限公司、法国萨瓦勃朗峰大学合作，在《Materials Characterization》上发表最新研究成果 “Gaussian and circular oscillating laser directed energy deposition of WC/NiCu composites “，主张用圆形振荡激光器代替高斯激光器，雷剑波教授及Ruifeng Di为共同通讯作者。

Graphical abstract

该研究使用高斯激光器和圆形振荡激光沉积设备分别制造NiCu合金和16wt%WC/NiCu复合材料。研究结果表明，圆形振荡激光方法对熔池产生明显的搅拌作用，从而阻碍了柱状枝晶的形成，并促进了更多等轴枝晶生长的成核位点的出现。该方法通过降低熔池温度梯度、提高冷却速率，有效细化晶粒。使用圆形振荡激光器制造的NiCu合金的平均晶粒尺寸比使用高斯激光器制造的NiCu合金平均晶粒尺寸减小了19.5%。激光和熔池产生的高温导致WC部分分解成W和C，导致枝晶之间形成W2C硬质相。

此外，未熔化的WC颗粒均匀地分散在整个复合材料中，阻碍了柱状枝晶的生长并细化了晶粒。与使用高斯激光制造的复合材料相比，使用圆形振荡激光制造的复合材料的平均显微硬度分别提高了15%和11.1%，磨损率分别降低了76.5%和22.2%。使用高斯激光制造的含有16wt%WC的复合材料表现出最佳的耐腐蚀性。