在激光粉末床熔化（LPBF）技术领域，传统的高斯激光束强度分布往往导致钛合金Ti-6Al-4V（Ti64）形成以α'-马氏体为主的微观组织。虽然这种组织具有较高的强度，但其较差的延展性迫使必须通过后续热处理来分解马氏体，形成具有更佳综合性能的α+β层状结构，这一过程显著增加了生产周期和成本。为此，亟需开发一种新型激光束整形技术，能通过精确调控激光束强度分布来降低冷却速率，从而在LPBF过程中直接获得α+β双相组织，减少甚至消除后处理需求，实现对Ti64微观组织的精确控制，提升制造效率和零件性能。
基于上述研究背景，洛桑联邦理工学院的研究团队创新性地采用基于硅基液晶空间光调制器（LCoS-SLM）的激光束整形系统，对Ti-6Al-4V合金在激光粉末床熔化（LPBF）过程中的微观组织实现了精确调控。研究工作主要围绕激光束整形模块的优化设计与系统性实验验证两大核心内容展开。通过先进的LCoS-SLM技术，研究团队成功实现了多种复杂光束模式的实时调控，包括大面积均匀平顶光束、精确可控的双光束以及具有特殊能量分布的工程化定制光束，这些创新性光束模式为有效降低熔池冷却速率、抑制α'-马氏体相变提供了全新技术路径。研究团队采用对比研究方法，分别采用小尺寸高斯光束、大尺寸高斯光束和定制光束进行单道熔覆和多层堆积实验，系统研究不同光束对熔池特征、微观组织和冷却行为的影响。通过双波长红外热像仪实时监测温度场演变，并结合有限元模拟（FEM）深入分析温度分布和冷却动力学规律。在低扫描速度条件下，定制光束成功诱导了α+β板条状双相组织的形成，而大尺寸高斯光束仍主要生成α'-马氏体。电子背散射衍射（EBSD）分析表明，定制光束显著促进了前期β晶粒的粗化。力学性能测试进一步证明，虽然α+β板条状双相组织的硬度低于马氏体组织，但其延展性更优，表现出更均衡的综合力学性能。FEM模拟结合热像监测验证了在马氏体相变起始温度（Ms）下，定制光束的平均冷却速率显著降低（约为309 K/s），从而促使形成双相α+β组织。此外，模拟结果揭示冷却速率与扫描速度存在强相关性，即使采用定制光束，在高速扫描条件下冷却速率仍显著升高，限制了β→α+β相变的发生。本研究为通过激光束整形技术实现Ti64合金微观组织的精确调控提供了实验依据和理论指导，为优化增材制造工艺开辟了新途径。
相关研究成果以题为“Toward Architected Microstructures Using Advanced Laser Beam Shaping in Laser Powder Bed Fusion of Ti-6Al-4V”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
图1. 基于LCoS-SLM模块调控的光束强度分布典型示例（测试功率为112 W）。
图2. a) S1 和 b) S2 的打印示意图及距顶面不同深度（30 μm、300 μm、1000 μm）的扫描电镜（SEM）显微组织表征
图3. 电子背散射衍射（EBSD）表征：a) 定制光束作用下S1试样近表层的Y轴向反极图（IPF-Y）；b) 对应区域的物相分布图；c) 基于ARPGE软件重构的原始β相晶粒形貌；d) 残余β相晶粒的Y向反极图；e，f) 展示立方相（β）与六方相（α）之间伯格斯取向关系的极图
图4. 热成像与仿真对比分析：a) 定制光束与b) 高斯光束的红外热像仪采集的温度场分布；c) 定制光束与d) 大尺寸高斯光束的有限元模拟(FEM)与实验数据的温度曲线对比。
