激光定向能量沉积（L-DED）技术在金属零件修复和再制造领域具有巨大的应用潜力，尤其适用于蒙皮、齿轮箱等大型部件的损伤修复。修复零件的质量受激光、粉末与熔池之间瞬态相互作用的制约。粉末颗粒的入射和熔化行为，直接影响熔池的稳定性、缺陷类型及修复性能。这种多参数耦合下的高时空分辨率演化过程通过传统的离位表征手段难以精准捕捉，从而制约了成形机理的揭示与高质量修复的稳定实现。
上海交通大学材料科学与工程学院特种材料研究所团队，利用同步辐射X射线原位成像技术，首次系统揭示了激光定向能量沉积修复AlSi7Mg 过程中三种粉末行为模式及其对缺陷形成和力学性能的影响机制。
相关研究以“Powder mode in laser direct energy deposition repair of AlSi7Mg revealed by in-situ X‑ray imaging”为题发表于《Materials & Design》。第一作者为上海交通大学博士生张晓林，王洪泽长聘副教授和吴一副研究员为共同通讯作者，共同作者包括上海交通大学唐梓珏助理研究员、王安博士、万乐博士后、王浩伟讲席教授，以及葡萄牙里斯本新大学João Pedro Oliveira教授。
论文链接：
10.1016/j.matdes.2026.116506
三种粉末行为模式
激光定向能量沉积过程中粉末与熔池的瞬态演化行为通过X射线成像实时监测。研究发现了三种粉末行为模式。（I）液滴模式（视频1）：在低激光能量与高送粉速率的条件下，入射粉末未及时熔化，在熔池前沿大量堆积并聚合成大尺寸液滴。（II）自由入射模式（视频2）：在高激光能量与低送粉速率的条件下，大量激光能量被基板吸收，粉末在进入熔池前已发生部分熔化甚至气化。粉末高速入射熔池并迅速熔化。（III）短链模式（视频3）：介于上述两种模式之间的过渡状态。粉末在熔池前沿短暂聚合成短链状结构，持续数毫秒后即崩溃。在此模式下，熔池波动幅度最小，沉积过程最为稳定。
粉末行为对熔池振荡的影响
粉末行为对熔池液面稳定性的影响如图1所示。在液滴模式下，大量高速粉末持续冲击熔池表面，向下压缩熔池与粉末之间的气体薄膜后引发液面剧烈反弹，振荡幅度可达正常波动的10倍以上。大幅振荡不仅造成沉积过程失稳、沉积层表面粗糙度急剧增加，还大量卷气入射熔池，为后续孔隙生成埋下隐患。相比之下，自由入射模式下部分粉末在飞行过程中即发生气化，产生的蒸汽压梯度驱动粉末以极高的速度射入熔池，同样会导致液面凹陷与反弹，振荡幅度为正常波动的数倍。短链模式下的熔池液面最为平稳，为高质量稳定沉积提供了理想的熔池条件。
图1 粉末行为对熔池液面波动的影响
基于粉末行为的孔隙形成机制
基于X射线成像，研究团队系统揭示了孔隙的形成机制。未熔合缺陷主要源于低能量下沉积层内被捕获的未熔化粉末。此外，粉末堆积体与熔池表面之间的气体薄膜在新入射粉末冲击下形成气泡核，气泡在持续冲击下不断产生（图2a-d，多发生于液滴模式）。圆形气孔主要来源于三个方面：（1）铝合金的吸湿性和表面氧化层在高温下分解释放气体（图2e-h中P2）；（2）雾化粉末中包裹的微小氩气泡在熔化过程中释放（图2e-h中P3）；（3）高速湍流粉末卷入周围的气体（图2i-l）。
图2 粉末诱导生成的气泡。(a)-(d) 气膜气泡（液滴模式），(e)-(h)粉末熔化释放气泡，(i)-(l) 粉末裹挟湍流气体引发气泡
基于无量纲数建立的
参数-粉末行为-孔隙类型-修复性能
映射关系
为量化激光能量在粉末与基体之间的分配关系，研究团队综合考虑了激光功率P、扫描速度V和送粉速率F的耦合效应，提出了无量纲数ΠLPS。ΠLPS值反映了基体与粉末之间吸收激光能量的比值。随着ΠLPS 增大，粉末行为从液滴模式逐渐过渡到自由入射模式。无量纲数不仅划分了三种粉末行为模式的边界，还量化了参数对气孔类型的影响，如图3所示。未熔合缺陷随无量纲数的增大而迅速减少。在低无量纲数区间（液滴模式），大量未熔粉末堆积导致未熔合缺陷率显著偏高。圆形气孔比例则随ΠLPS 升高而呈上升趋势。整体孔隙率随ΠLPS 先急剧下降后小幅回升，在中等ΠLPS 区间（对应短链模式）达到最低值。
图3 无量纲数量化粉末行为对不同孔隙类型的影响。
基于ΠLPS的指导，快速筛选出最优工艺参数窗口，并开展了铝合金多层多道修复实验。在中等ΠLPS（对应短链模式）对应的加工参数下。修复件的强度与塑性均达到与基体相当的水平，如图4a绿色应力-应变曲线所示。原位拉伸CT扫描进一步揭示了损伤演化规律（图4b）。裂纹优先在液滴模式产生的未熔合缺陷（区域1）处萌生。随着加载过程进行，密集分布的小尺寸气孔（区域2、3）逐渐连通产生新裂纹。这表明不规则未熔合缺陷对性能的危害最为严重，而密集分布的圆形气孔的影响次之。
图4 原位拉伸试验揭示损伤演化规律
本研究通过同步辐射X射线原位成像技术，首次建立了激光-粉末-基体相互作用、粉末行为模式、孔隙形成机制与力学性能之间的全链条映射关系，为激光定向能量沉积工艺的快速优化提供了理论指导，有望推动铝合金增材修复技术在航空航天、轨道交通等领域的工程应用。
本论文得到科技部重点研发计划国际合作项目、国家自然科学基金等经费的资助，感谢上海同步辐射光源BL13HB线站（https://cstr.cn/31124.02.SSRF.BL13HB）和BL16U2线站（https://cstr.cn/31124.02.SSRF.BL16U2）在缺陷表征与原位监测方面提供的技术支持。
课题组介绍
上海交通大学材料学院特种材料研究所是金属基复合材料国家重点实验室的重要组成部分，由王浩伟讲席教授任负责人，与国际著名大学和大型企业建立多个联合实验室。研究所主要从事新型特种材料的设计、制备及其成形技术研究，支撑了多项国家重大工程需求，在航空航天和汽车轨交等多领域获得广泛应用。多年来承担重点研发计划、民机预研、民用航天预研、国家自然科学基金及国际合作项目等五十余项。在国内外学术刊物上发表学术研究论文近300篇，获授权中国国家发明专利100余项。先后获得教育部技术发明一等奖、上海市技术发明一等奖及中国有色金属工业技术发明一等奖。研究所秉承“创新创造、科研报国”的精神，胸怀祖国、服务社会，面向世界科技前沿、面向国家重大需求，砥砺前行、勇攀高峰。
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