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国际制造领域TOP期刊《JMPT》发表我院增材制造闭环控制形性协同提升新进展

来源：增材制造耐蚀材料开发与制备课题组时间：2025-11-12

近日，我院韩恩厚院士与孙桂芳教授团队合作，在高性能复杂构件的定向能量沉积（DED）增材制造领域取得重要进展。针对采用DED技术配合高致密Z字形扫描策略制造复杂几何体时热量管理困难的根本性挑战，研究团队创新性地提出了一种基于熔池宽度实时监测的功率闭环控制（PCLC）策略，以实现主动热管理。研究揭示了该技术通过精确抑制Z字形扫描路径上的局部过热，实现了形貌、精度和微观结构的协同优化，并显著提升了力学性能。相关研究成果已于近日发表在国际制造领域TOP期刊《Journal of Materials Processing Technology》。东南大学机械工程学院硕士研究生叶志宇为论文第一作者，孙桂芳教授为论文的通讯作者。研究成果受到了国家自然科学基金及江苏省重点研发计划的支持。

论文题目《Heat input regulation for geometric and property control in directed energy deposition with dense scan path strategy》

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使用定向能量沉积（DED）技术与热等静压（HIP）结合，是制造航空发动机整体叶盘等高性能构件的有效路径。然而，在加工复杂几何体时采用的高致密度Z字形（zigzag）扫描策略，面临一项根本性挑战：热积累。本研究揭示了传统恒定功率策略的内在矛盾：高功率会激化扫描转折点处的局部熔池失稳；而低功率却因沉积层数增加，引发了更严重的全域热积累并牺牲成形精度。同时，过高热输入还会导致界面热影响区（HAZ）的脆化与软化风险。

为此，研究团队提出了一种基于熔池宽度实时监测的功率闭环控制（PCLC）策略，以实现主动热管理。通过对比高功率（H-H）、低功率（L-L）和L-L-PCLC三种策略，研究发现：PCLC技术能精准抑制Z字形扫描路径转折点处的局部过热，彻底消除了表面波浪起伏。三维扫描抄数分析证实，PCLC还解决了L-L策略因层数过多导致的全局热积累和过沉积问题，实现了形貌与精度的协同控制。更重要的是，PCLC的功率振荡引入了周期性热扰动，有效打断了柱状晶的连续外延生长，使沉积区平均晶粒尺寸锐减78.2%（相较于B1）。同时，PCLC策略抑制了界面D-HAZ区域的脆性碳化物析出，解决了高热输入下的界面脆化问题。

本研究证实，PCLC技术通过精确的热输入调控，成功将力学薄弱环节从脆性的界面区（BZ）转移至高韧性的沉积区（DZ）。最终，PCLC策略实现了形貌、精度、组织与性能的四重协同优化，获得了优异的强塑性组合（延伸率达21.15%，抗拉强度达1189MPa）。本研究为航空发动机整体叶盘等高性能构件的增材制造提供了关键的理论指导与技术支撑。