长三角G60激光联盟导读

各位激光领域的同仁、高校及企业研发人员：今天为大家带来一篇发表于国际期刊《Journal of Materials Engineering and Performance》（2026 年第 35 卷第 1 期）的重磅综述论文。该研究聚焦激光定向能量沉积（L-DED） 这一关键增材制造技术，针对其在材料强韧性提升与工艺效率优化中面临的核心挑战，提出了 “材料 - 工艺 - 结构 - 技术（MPST）” 整合框架，系统梳理了材料选择、工艺控制、辅助技术及后处理的创新策略，对航空航天、汽车、生物医学等领域的高 - performance 构件制造具有重要指导意义。无论是从事 L-DED 基础研究的学者，还是致力于技术产业化的工程师，都能从本文中获取前沿思路与实用方案，建议收藏研读！

01

文章导读

摘要

激光定向能量沉积（L-DED）是一种关键增材制造技术，因其可制造复杂几何构件及修复高价值零件的能力，在航空航天、汽车和生物医学领域应用广泛。然而，由于微观结构各向异性、残余应力及缺陷形成等问题，优化材料强度、韧性与工艺效率仍是核心挑战。

本文提出了一套全面的多维度优化策略，通过整合材料选择、工艺控制、结构优化及先进制造技术，提升 L-DED 制备材料的性能：

评估了常用材料的力学性能，分析激光功率、扫描策略、送粉速率对熔池行为、晶粒形态及缺陷的影响；探索了用于改善微观结构均匀性、降低孔隙率的新型结构与技术进展；引入整合式优化框架，融合 AI 驱动工艺控制、实时监测与可持续制造技术。

该研究为开发高强度、无缺陷且具备工业应用价值的 L-DED 技术提供了支撑，助力其在高性能工程领域的更广泛应用。

02

部分图文

主要亮点内容1. 突破传统碎片化研究，提出 “MPST 整合框架”

现有 L-DED 研究多聚焦单一维度（如仅优化工艺参数或仅设计材料成分），存在 “孤立优化范式”“尺度脱节”“技术碎片化” 三大痛点（表 1）。本文首次提出材料 - 工艺 - 结构 - 技术（MPST）框架，将四者协同整合，解决 “材料性能与动态工艺控制脱节”“原子级界面行为与宏观力学性能无关联”“新型技术（如数字孪生、原位光谱监测）缺乏系统集成” 等问题。

2. 常用材料优化策略：针对性解决各材料痛点

L-DED 常用钛合金、铝合金、镍基合金的优化方案及核心数据如下：

钛合金（如 Ti-6Al-4V）痛点：氧氮反应导致孔隙、快速冷却引发裂纹、粗大柱状 β 晶粒导致各向异性。优化：添加 Mo、Cr、Ni（Ni 含量≤3wt.%，避免生成脆性 Ti₂Ni 相）可细化晶粒达 40%；基板预热至 400℃可降低热梯度，减少残余应力（图 1）。铝合金（如 AlSi10Mg、Al-Mg-Si）痛点：高导热性导致凝固裂纹、气体滞留引发孔隙。优化：添加 TiC 纳米颗粒形成复合材料，屈服强度（YS）接近 1000MPa、塑性超 10%（图 2）；振荡激光扫描可减少 35% 粗大柱状晶粒，降低热裂纹（图 3）。镍基合金（如 Inconel 625、718）痛点：粗大枝晶结构、偏析与裂纹敏感。优化：添加 Nb、Ti、W 可抑制枝晶生长，W 含量增加使 Inconel 718 平均晶粒直径降至原来的 1/3（图 4）；固溶 + 时效热处理可将粗大枝晶转化为细等轴晶，延伸率保持 73%（图 5）。3. 多材料与功能梯度材料（FGM）：拓展 L-DED 应用边界多材料沉积实现 “局部强化 + 整体韧性” 协同，如在钛合金基板上沉积 WC-Co 耐磨层（表面硬度提升）+316L 不锈钢缓冲层（抗冲击），界面无分层（图 7）；在 5083 铝合金表面制备 Cu-Ni 中间层 + 镍基复合涂层，耐腐蚀性显著提升（极化曲线显示腐蚀电流密度大幅降低）。功能梯度材料（FGM）通过成分渐变消除材料界面突变，如 TiC/Ti-6Al-4V FGM（TiC 含量沿构建方向渐变），缓解热膨胀系数差异引发的残余应力，避免界面开裂（图 7）；Al₂O₃-ZrO₂梯度陶瓷通过成分渐变，消除直接过渡导致的纵向裂纹（图 7）。4. 工艺与辅助技术创新：从 “参数优化” 到 “智能调控”工艺参数优化（表 2）：激光功率 650W（最优）→细等轴晶、孔隙率低，抗拉强度（UTS）提升 10-15%；扫描速度 1000mm/min（最优）→晶粒均匀，残余应力降低；送粉速率 10g/min（最优）→显微结构均匀，耐磨性提升。扫描策略对比（图 6d）：振荡激光扫描＞螺旋扫描＞交叉扫描＞单向扫描，其中振荡激光可获得最细晶粒、最低缺陷率，疲劳性能最优。辅助技术突破振荡激光：扫描速度 2000mm/s 时，Inconel 625 层间平均晶粒尺寸仅 40.95μm，高角度晶界（HAGB）增加，抗裂性提升（图 9）；超声辅助沉积：使 Inconel 625 晶粒取向随机化，低角度晶界（LAGB）增加，UTS 沿扫描方向提升 10%（图 10a-f）；磁场辅助沉积：0.2T 静态磁场使 Inconel 718 延伸率从 23% 增至 27%，0.5T 磁场抑制 TC11 合金柱状晶生长，降低各向异性（图 10g-h）。5. 后处理技术：进一步提升构件性能热处理Ti-6Al-4V 退火可改善疲劳性能；Inconel 738 固溶 + 时效处理后，横向 / 纵向拉伸延伸率达 26%/17.4%；表面处理激光重熔使 316L YS 提升 1.2 倍、UTS 提升 1.1 倍；混合激光抛光使 Inconel 718 表面粗糙度降低 97.4%，高温抗拉强度提升 14.97%。6. 未来研究方向（表 3）智能工艺控制：AI 闭环控制 + 多物理场模拟，实现缺陷实时预测与自修正；先进材料：开发高熵合金（HEA）、氧化物弥散强化（ODS）合金等 L-DED 专用材料；混合制造与可持续：整合 L-DED 与 CNC 加工，实现粉末回收与低能耗沉积。

图 1 L-DED 镍改性 Ti-6Al-4V 合金（Ref 44）

图 2 L-DED 铝合金相关表征（Ref 47,48）

图 3 L-DED AlSi10Mg 合金的表征（Ref 52）

图 4 L-DED Inconel 718 合金（不同 W 添加量）（Ref 55）

图 5 L-DED Inconel 625 合金（Ref 58）

图 6 关键性能与影响因素对比（Ref 18,20,48,52,36,39,55,56,32,60-62,23,26,59,63）

图 7 多材料与 FGM 的 L-DED 制备（Ref 60,65,32,67）

图 8 L-DED 工艺关键参数（Ref 63）表 2 工艺参数对 L-DED 微观结构与力学性能的影响

参数

变化范围

对微观结构的影响

对力学性能的影响

参考文献

激光功率（W）

500

熔化不完全，形成孔隙

密度↓、强度↓、韧性↓

(Ref 19,82,83)

650（最优）

细等轴晶，孔隙率降低

UTS↑10-15%、疲劳抗性↑20%

800

晶粒粗大，残余应力累积

硬度↑、塑性↓、开裂风险↑

扫描速度（mm/min）

500

粗大柱状晶，能量输入过高

韧性↓、脆性↑

(Ref 19,84,85)

1000（最优）

细晶粒结构，分布均匀

强度↑、疲劳寿命↑、残余应力↓

1500

快速冷却，未熔合缺陷

密度↓、强度↓、各向异性↑

送粉速率（g/min）

5

沉积速率低，结合性差

密度↓、屈服强度↓

(Ref 19,86,87)

10（最优）

显微结构均匀，结合性好

强度↑、硬度↑、耐磨性↑

15

材料堆积过量，熔池不规则

缺陷↑、表面质量↓

图 9 振荡激光技术对 Inconel 625 层间区域的影响（Ref 26）

图 10 超声辅助与磁场辅助沉积对 Inconel 625 的影响（Ref 94,95）

03

结论/展望

本文系统梳理了通过材料创新、工艺优化、结构设计、后处理技术提升 L-DED 构件强韧性的策略，明确各维度的核心痛点与解决方案；L-DED 技术虽在高性能制造中潜力显著，但仍面临 “多材料界面结合弱”“复杂几何构件残余应力难控制” 等挑战；未来研究需聚焦三大方向：AI 驱动工艺控制与缺陷实时抑制；多材料与 FGM 的精准制备（如梯度合金化、陶瓷 - 金属复合）；混合制造（如 L-DED+CNC 加工）与可持续工艺（如粉末回收、低能耗沉积）。

该综述为 L-DED 技术的工业化应用与性能突破提供了理论与实践支撑，推动其在航空航天、生物医学等高端领域的进一步普及。

长三角G60激光联盟陈长军转载

热忱欢迎参加我们在2026年4月15-17日在苏州举办的第八届涡轮技术大会暨民用航空发动机和燃气轮机展以及激光在民用航空发动机和燃气轮机中的应用大会（4月16日）