激光熔丝定向能量沉积增材制造技术研究现状与发展趋势

Research advances and development trends of wire-based laser directed energy deposition additive manufacturing technology

摘要

随着航空、航天、航海等领域的发展，高端装备的服役条件愈加苛刻，对制造业的发展提出了更高的要求。增材制造技术，又称为3D打印技术，相较于传统制造技术在复杂形状结构制造方面优势显著，有望实现三维空间内特定位置的打印和独特性能的结构打印。激光熔丝定向能量沉积（wire-based laser directed energy deposition， W-LDED）技术作为增材制造技术的重要分支，具有高效率、高精度和高材料利用率等显著优势，在高端装备制造领域具有广阔的应用前景。尽管W-LDED技术具有诸多优点，但其工艺参数选择、多次热循环以及制造过程精确控制和可重复性等方面仍存在诸多挑战，沉积质量和制造稳定性受多种因素影响，如何解决这些现状难题是当前国内外的研究重点。基于此，本文从工艺参数优化、沉积质量分析和组织成分调控三个方面对W-LDED技术的研究现状进行了详细介绍，分析了不同参数对成形质量和制造稳定性的影响，提出了优化策略，进一步总结了W-LDED技术当前的应用场景，并对该项技术的未来发展趋势提出了设想，包括材料创新设计与发展多功能复合材料、成形机理研究、建立工艺-缺陷-组织性能预测模型、增/减材一体化制造新方法和大尺寸、高精度、多功能装备开发。

Abstract

With the development of fields such as aviation， aerospace， and navigation， the service conditions for high-end equipment have become increasingly stringent， placing higher demands on the manufacturing industry. Additive manufacturing technology， also known as 3D printing technology， has significant advantages over traditional manufacturing techniques in producing complex shapes and structures， and it is expected to achieve specific location printing and structural printing with unique properties in three-dimensional space. Wire-based laser directed energy deposition （W-LDED） technology， as an important branch of additive manufacturing， has notable advantages such as high efficiency， high precision， and high material utilization， making it promising for applications in the manufacturing of high-end equipment. Despite the many advantages of W-LDED technology， there are still numerous challenges regarding the selection of process parameters， multiple thermal cycles， and the precise control and repeatability of the manufacturing process. The deposition quality and manufacturing stability are influenced by various factors， and addressing these current challenges is a key focus of research both domestically and internationally. Based on this， this paper provides a detailed introduction to the current research status of W-LDED technology from three aspects： process parameter optimization， deposition quality analysis， and microstructural composition control. It analyzes the impact of different parameters on forming quality and manufacturing stability， proposes optimization strategies， summarizes the current application scenarios of W-LDED technology， and presents ideas for the future development trends of this technology，including material innovation and the development of multifuctional composites，research on forming mechanisms，establishing predictive models for process-defect-microstructure property relationships， new hybrid additive/subtractive manufacturing methods，and the development of large-scale，high-precision，and multifuctional equipment.

Graphical abstract

关键词

增材制造 / 激光熔丝定向能量沉积 / 沉积质量分析 / 组织成分调控

Key words

additive manufacturing / wire laser directed energy deposition / deposition quality analysis / regulation of organ composition

随着科学技术的快速发展，航空、航天、航海等领域高端装备的服役条件越加苛刻，例如在航空工业中要求发动机材料具备很好的高温服役性能^［1］，深海、深空探测领域则对材料低温条件下的性能提出了更高要求^［2］。因此需要通过结构设计、快速集成制造和高性能材料，以优化使用过程中的内应力分布、轻量化、整体化和服役寿命。因此，锻造、铸造等传统制造技术已难以满足新一代高端装备的结构复杂化、轻量化及整体化的发展需求。

增材制造（additive manufacturing，AM）技术是一种基于三维零件CAD设计数据的变革性技术，通过逐层累加材料实现零件制造，与传统的等材或减材制造技术相比具有设计灵活度高、材料利用率高、适合复杂形状制造以及个性化定制等优势。得益于上述优势，增材制造技术能够显著缩短加工周期，并最大限度地降低各行业的材料浪费^［3-4］（包括航空、航天^［5］、汽车^［6］和生物医学^［7］），已经彻底改变了金属零件的制造方式；因此，在航空、航天、汽车、医疗等领域具有广阔的应用前景^［8］。自20世纪80年代被提出以来，增材制造技术曾被称为增材加工、增材工艺、增材技术等，经过40年的快速发展，现已形成多种技术特征鲜明的增材制造技术体系，按原材料可分为金属增材制造和非金属增材制造；按能量源可分为激光增材制造、电子束增材制造、电弧增材制造和光固化增材制造等^［9］。根据国际标准ISO/ASTM 52900-2015的定义与分类，可以将增材制造技术分为黏合剂喷射（binder jetting）、定向能量沉积（directed energy deposition，DED）、材料挤出（material extrusion）、材料喷射（material jetting）、粉末床熔融（powder bed fusion）、薄材叠层（sheet lamination）和立体光固化（VAT photopolymerization）7个类型。

定向能量沉积技术作为金属增材制造技术的重要分支，是一种利于激光、电子束、电弧和等离子体等能量源，对同步送入能量源聚焦位置的金属丝材或粉末原料进行逐层熔化与沉积^［10-12］，以此实现金属构件的整体制造。基于热源类型，DED技术可以进一步分为电子束定向能量沉积^［13］、激光定向能量沉积（LDED）^［14］、等离子定向能量沉积^［15］和电弧定向能量沉积^［16-17］等。每种类型的DED技术都有其优势，因此能够适用于不同的应用场景需求^［18］。其中，LDED技术因其热影响区小、高能量密度与热输入的易精确控制等优点已广泛应用于不锈钢、铝合金、钛合金及高温合金等金属材料的制造，被认为是最具应用前景的增材制造技术之一。

LDED技术分为送粉式和送丝式，原材料主要为金属粉材与丝材。相较于粉材^［19-20］，使用丝材原料可以实现更大的沉积速率，同时丝材通常比粉末便宜^［21-23］，因此可以降低材料成本，解决了粉末工艺面临的主要缺点。除此之外采用金属粉末作为原料会增加工艺过程中的污染风险，甚至存在潜在的安全隐患，而在使用金属丝的情况下，可以有效避免此类问题。尤其是在微重力的应用场景下，由于丝材更易于处理，通常选用金属丝原料而非金属粉末^［24-26］。因此，激光熔丝定向能量沉积（wire-based laser directed enengy deposition，W-LDED）技术作为一种具有前景的制造技术，其优势显著，包括高材料沉积效率、高材料利用率以及更清洁的工艺环境^［27-28］。

W-LDED工艺参数多，包括激光功率、激光光斑尺寸、激光头移动速度以及送丝速度等^［29-31］。改变工艺参数能够调控成形过程的熔池形态与热历史，进而影响成形件的成形质量、微观结构、残余应力与力学性能。尽管该工艺具有众多优点，但工艺参数选择、多次热循环以及制造过程控制和可重复性等相关的工艺挑战，可能会对沉积质量和制造稳定性产生影响。近年来，国内外学者针对送粉式LDED已有较多相关的综述性论文，但缺少W-LDED工艺及其组织性能等方面较为全面的总结。基于此，本文主要综述了国内外关于W-LDED增材制造技术研究现状与发展趋势，重点概括了W-LDED工艺参数选择及其对沉积质量的影响、W-LDED沉积态显微组织特征与力学性能、W-LDED沉积态组织性能的热处理调控规律、W-LDED工艺的典型应用等，最后指出了W-LDED技术目前的主要应用场景和未来发展的主要方向。

1 工艺参数对成形质量和制造稳定性的影响

1.1 激光器参数的影响

1.1.1 激光器类型

激光器是W-LDED工艺最重要的组成部分，直接影响成形件质量。W-LDED采用的激光器主要分为连续型和脉冲型两种，在熔池形成过程中表现出不同行为特性。连续激光器产生稳定的激光束，随着激光器的移动，熔池在沉积方向上沿激光路径扩展（如图1所示），这可能导致随着时间推移产生过量的热量积累^［32-33］。与此相反，脉冲激光器发射间歇性的激光，熔池在脉冲之间冻结（如图1（b）所示），有利于减少热量的累积效应^［34］，研究表明，在固定功率密度下，较长的脉冲持续时间可以增加穿透深度，从而提高能量利用率^［35］。Ye等提出^［36］脉冲激光器相较于连续激光器的另一优点在于，脉冲激光器允许在沉积过程中通过调整脉冲持续时间来更好地控制热量输入。

然而不同材料适用的激光器类型与其材料特性有着密切的联系，例如铝适用于二极管激光器^［37］，铜适用于蓝激光激光器^［38］。因此针对特定材料选择激光器类型，能够显著提升加工效率和稳定性，并带来经济效益。

1.1.2 激光能量输入参数

在W-LDED工艺中，充分的能量输入可以确保金属丝材完全熔化并与基材结合，实现高质量沉积^［39-40］。在W-LDED工艺中，激光器是主要的能量源，因此，选择适当的激光功率以及扫描速度（TS）和送丝速度（WFS）至关重要，将影响丝材的熔化、热循环以及最终构件的质量。图2展示了不同激光能量输入参数对单道的几何参数的影响。随着激光功率和单位长度内激光能量密度的增加，可以观察到单道的宽度增加，高度降低（如图2（a）），原因是激光功率增加，熔池温度升高，基材发生重熔，形成了更大的熔池，同时熔池凝固速率降低，导致熔融金属在冷却前向外流动^{［31，41-43］}。图2（b）展示了随着扫描速度的增加，输入熔池的能量密度降低，熔池体积减小，单位时间内熔化的丝材变少 ^［31］，因此单道的高度和宽度均降低^［43］，且由于激光束尺寸固定，因此单道的宽度减小低于高度的减小^［44］。正如Akbari等^［41］研究中观察到，随着送丝速度的增加，单道的高度降低，宽度略有减少，Huang等^［31］的研究也证实了这一观点。然而送丝速度增加，单位时间内熔化的丝材质量增加，单道的高度和宽度应当增加，出现这一偏差的主要原因可能是输入的激光能量恒定，随着WFS的增加，用于熔化丝材的能量增加，相应的用于熔化基板的能量减少，导致单道的高度和宽度均降低^{［43，45］}（如图2（c））所示。

1.1.3 激光光束轮廓

常见的激光光束的轮廓有高斯光束（Gaussian beam），环形光束（annular beam）和平顶光束（flat beam）。高斯光束的强度分布遵循高斯分布，激光束的中心强度最高，向外衰减，光束横截面呈一个钟形曲线，具有很好的聚焦性能，有利于形成更高温度的熔池^［46］，常用于激光切割和焊接的工艺中；平顶光束在中央区域内具有均匀的强度分布，边缘强度迅速下降，能够更好地加热衬底，以更小的激光功率实现高温^［47-48］；环形光束在中心区域的强度接近于零，周围则有一个强度更高的环，与高斯分布相比，其熔化相同质量的丝材所需的激光功率更低，且能量分布更均匀，形成的熔池热梯度较小^［49-50］。

1.1.4 激光焦距

在W-LDED工艺中，在保持其他参数恒定的同时，维持标称焦距可以确保工艺的稳定性。实验结果表明，焦点位置对工艺稳定性的影响显著：在低于焦点位置的情况下，激光束在基板上的聚焦尺寸过大，单位面积内激光能量不足，导致丝材与基板接触时无法获得足够的能量进行均匀的熔化。相反，在高于焦点位置，当激光束能量过高时，丝材会在接触到成形基板之前发生熔化，出现滴落的现象^［51-53］。

图3为激光光斑在三种不同偏焦尺寸位置演变示意图，展示了激光光斑图案随散焦偏移的增加而演变的情况。当激光光束完全重叠时（如3（a）所示），能量密度达到最高。然而，随着散焦距离的增加，光束的重叠程度降低，从而减少激光器的峰值能量，当光束既不相互重叠也不与金属丝重叠时（如图3（d）所示），能量将不足以熔化金属丝。

1.1.5 激光光束照度及焦点尺寸

光束照度指单位面积上接收到的激光功率密度，焦点尺寸则是激光光束在聚焦点处的光斑面积，因此焦点尺寸越小，在焦点处的光束照度越高。有研究表明 ^［54］，在高光束照度和小焦点尺寸的条件下，由于较高的熔池温度和热积累，会影响成形的表面质量，相反通过减小光束照度和增大焦点尺寸的方式可以降低成形过程中的温度梯度，实现更稳定的工艺过程和更高的表面质量。Goffin等^［47-48］指出，较大的焦点尺寸有利于温度梯度的均匀分布，可以更好地加热基底，进而影响表面张力和黏度。

1.2 进料（送丝）参数的影响

1.2.1 丝材直径和送丝速度

在W-LDED工艺中丝材通常以1.5~48 cm³/min的速率高速沉积^{［11，29］}，根据沉积速率的定义式（m=（WFS）πr²ρ），沉积速率m取决于送丝速度（WFS）、丝材直径（r）和丝材密度（ρ），从定义式中可以看出采用较粗的丝材直径和较快的进料速度可以提高沉积速率。

W-LDED工艺通常采用的金属丝直径为0.1~1.2 mm不等^{［29，32，44］}，较细的丝材直径有利于提高尺寸精度和成形小结构特征能力，但是由于单位时间内送丝量较少导致工艺时间延长^［41］。目前研究中常用的丝材直径在1 mm左右^［55-56］。

同理，提高WFS可以增加单位时间内熔化的丝材量，进而提高沉积速率。现有研究中常用WFS和TS的比值来评估沉积过程中的稳定性，例如Wang等^［57］注意到当激光能量输入保持不变时，孔隙率与速度比成反比。

1.2.2 送丝方式

在沉积过程中，送丝方式会影响熔池扩展方向和沉积质量，常见的送丝方式包括旁轴送丝^［29］（如图4（a）所示）和同轴送丝^［58］（如图4（b）所示）。旁轴送丝是将焊丝送入熔池的方向与激光束呈现一定角度，通常情况下，旁轴送丝会在激光束平行或倾斜的方向上进行送丝；同轴送丝方式是将送丝装置与激光束置于同一轴线上，焊丝在激光束的中心轴线上被送入熔池，这样可以确保焊丝在接触熔池时具有较高的能量密度，从而提升熔化效率和焊缝质量。同轴送丝由于较高的激光能量输入使丝材快速融化，易于形成稳定的熔池，旁轴送丝在丝材到达熔池之前能量集中较低，可能导致融化效率较低。同轴送丝常用于需要高精度和低热影响的场景中，而旁轴送丝则提供更多的灵活性，适用于多种焊接环境和要求。

1.2.2.1 旁轴送丝

旁轴送丝（图4（a））是W-LDED中常用的一种进料方式，送丝设备相对于衬底以锐角向激光束横向送料，导致工艺具有较强的方向依赖性，不利于成型复杂构件。在旁轴送丝技术中，丝材可以以相对于沉积方向不同的取向被送入熔池中，送丝方向对沉积的质量和精度有显著影响，前端进料、后端进料和侧向进料是当前研究中常见的三种送丝方式^［59］。其中前端进料由于产生高温熔池提高了熔融金属的流动性而表现出高沉积速率和光滑的沉积表面，被认为是最优的进料方式^{［31，60］}；侧向进料由于丝材与一侧的熔池发生反应，会产生不均匀的边缘^［61］，导致该侧的沉积不均匀；后端进料在回料过程中的能量来源是金属蒸气和熔池辐射，可能导致熔化不完全，丝材连续进给到基材^［31］，易发生碰撞，最终导致低的沉积速率和尺寸精度。

1.2.2.2 同轴送丝

同轴送丝（图4（b））是对现有旁轴送丝工艺的一种改进，提供了一种高沉积速率、高精度进料方式。与旁轴送丝最大的区别在于丝材进料方向与激光头同轴，因此在工作过程中工作台和沉积头不需要旋转，使得可以在各个方向实现沉积，为工艺提供了更多选择^［62-64］。然而，同轴送丝工艺同样面临挑战，Garmendia等^［65］指出在光路转换期间激光束会在激光头内发生分割和重新聚焦，影响不同工作距离下的激光光斑形状，这种复杂性导致激光头对高度的敏感性增加。同时与旁轴送丝相比，在同轴送丝中，光束的正向散焦可能导致焊丝在基材上方熔化，无法获得稳定的工艺过程。

综上所述，同轴送丝具有高熔化效率、高沉积质量和广泛的材料适用性的特点，常用于航空航天、汽车制造等对沉积质量和沉积稳定性有严格要求的领域，成为许多高端装备制造领域的首选；旁轴送丝则因为设备简单、灵活性高和适用范围广的特点，常用于需要控制成本和设备易维护的场景中。未来，随着技术的不断进步，可能会出现更多的创新型送丝方法，从而进一步提升W-LDED技术的应用范围及沉积质量。

2 沉积质量分析

W-LDED工艺中存在的缺陷可分为表面外部缺陷和内部缺陷，表面缺陷主要包括金属丝熔化过程中的滴落、堵塞，外部缺陷影响整体工艺的稳定性并且阻碍进一步沉积。在实现稳定沉积后，沉积质量主要取决于内部缺陷如气孔、裂纹等。

2.1 表面缺陷

能量输入对W-LDED技术至关重要，不足或过多的能量输入都会导致外部缺陷。W-LDED制备的过程中，外部缺陷通常是由于金属丝熔化时滴落和堵塞现象造成的。使用高速摄像机捕捉到的缺陷形成过程如图5（a），（b）所示^［51］。

堵塞现象是由于金属丝熔化过程中热量输入不足，导致金属丝在未获得足够激光能量的情况下撞击基材表面时，未熔化的金属丝碎片可能会附着在沉积轨迹上（见图5（d）^［43］）。导致堵塞现象出现的主要原因包括低激光功率、高WFS、高TS和低焦偏移，因此通过增加激光功率、降低TS和调整焦距等方式可以有效避免堵塞。

滴落现象则是由于金属丝熔化过程中热量输入过高，导致金属丝在到达熔池之前已经发生熔化，在丝材的尖端产生液滴并在重力和表面张力的作用下不断长大，直至液滴本身重力大于其与焊丝之间的表面张力，最终滴落在基板上，形成不稳定沉积。图5（a），（c）^{［43，51］}分别展示了滴落缺陷的形成过程和最终沉积轨迹。在高激光功率、低WFS、低TS和高焦偏移的情况下会发生滴落，因此，可以通过降低激光功率，将WFS和TS增加到最佳值，直到有足够的材料沉积并实现平滑沉积。

Abranovic等^［66］引入了另一种类型的表面缺陷，即熔池振荡（如图5（e）所示），熔池振荡是指熔池的大小有规律地波动的一种现象，导致沉积轨迹粗糙且表现为波纹状。这种现象的发生是由于当暴露在高功率激光束下时，熔融金属表面的物质会迅速蒸发，沉积轨道上形成的纹波增加，进而导致表面粗糙度增加。与其他外部缺陷相比，纹波形成对制造过程的危害较小，然而，在熔池振荡严重的情况下，沉积轨道过于粗糙，后续的层将无法继续沉积。

2.2 内部缺陷

与其他AM工艺类似，W-LDED工艺中存在的内部缺陷主要包括孔隙和裂纹两种^［57］。

其中孔隙类型主要有三种：气孔、熔化不足缺陷与匙孔孔隙。气孔通常呈球形，形成原因主要包括溶解度差异、水汽反应和凝固过程中的氢析出，同时水蒸气、保护气体未及时逸出和原料、基材被污染也会导致气孔的形成。熔化不足缺陷指的是接头或沉积层之间存在未熔合的区域，通常出现在相邻沉积轨道的重叠区域^［67］，能量输入不足、沉积速率过高、不当的气体保护、基材表面被污染等原因都可能导致熔化不足缺陷，因此可以通过提高激光功率、降低WFS和TS的方式改善熔化不足缺陷。匙孔孔隙通常是由于关键孔效应，即在高功率激光的作用下，熔池内会形成一个深而狭窄的孔激光光束会穿透这个孔，导致大量热量集中在其周围，进一步加热和熔化周围材料，产生形状不规则的大孔^［68］。由于丝材原材料相比粉末能更大限度减少气孔的形成，同时采用的激光光束由于线径范围而具有相对较大的光斑尺寸，限制匙孔孔隙的产生，综上，W-LDED工艺更常见的孔隙缺陷类型是熔化不足缺陷，可以通过选择合适的激光功率调控。

开裂是W-LDED过程中的一个常见问题，包括在熔化不足时引发的凝固裂纹和由再加热和先前固化层的应力引起的液化裂纹^［69］。在激光加工过程中使用高能量密度导致温度梯度升高，由于残余应力增加而加剧了生产零件中的裂纹形成。Madarieta-Churruca等^［63］对316L不锈钢的研究和Wang等^［57］对铝合金的研究支持了这一点。在高TS下使用高激光功率时，观察到由于高热应力而形成裂纹。

2.3 沉积质量改善策略

2.3.1 保护气体

使用惰性保护气体能够有效减少在W-LDED打印过程中的氧化问题，保护气体通常包括氩气、氦气等惰性气体，其主要目的在于形成一个保护性环境，使熔融金属不与空气中的氧、氮等气体发生反应。具体来说，保护气体的引入可以通过以下三个方面改善沉积质量：

（1）防止氧化与污染：在高温条件下，金属表面与空气接触时，容易发生氧化反应，尤其是铝、镁等金属材质，氧化物的生成会影响焊接的致密性和结合强度。通过引入保护气体，可以形成一个气体屏障，有效隔绝空气，从而有效防止熔融金属的氧化和杂质的侵入^［70-71］。

（2）提升热传导效率：保护气体能够在激光焊接过程中改善热场分布，合理控制熔池的温度分布和凝固速度，进而影响沉积层的微观组织。合理选择保护气体种类与流量，有助于优化熔池冷却速率，减少应力集中和裂纹的产生^［72］。

（3）改善沉积层的微观结构：保护气体的使用不仅影响沉积层的化学成分，也关系到微观组织的形成。气体的流动作用能够提高熔融金属的分散性与均匀性，促进沉积层的晶粒细化与合金均匀化，相比于未使用保护气体的沉积层，采用保护气体后细化的微观结构有助于提高材料的力学性能^［70-71］。

在W-LDED技术中，常用的保护气体包括氩气、二氧化碳及氦气等，其中氩气由于其优良的惰性与较低的成本，成为最为广泛使用的保护气体。氦气虽具有较强的热传导性，但因其成本相对较高，适用范围较为有限。进一步的研究指出，混合气体的使用在一定情况下可以取得更好的效果，例如Li等^［71］提出在Ti-6Al-4V的W-LDED应用中，通过调整氩气和二氧化碳的混合比例，得到了理想的沉积质量和优良的力学性能，显著提升了产品的耐腐蚀性和强度。此外，研究人员还发现，适当增加保护气体的流速，有助于减少沉积表面的氧化物数量，进一步增强了结合强度^［72］。

2.3.2 基板预热

在W-LDED过程中，基板的温度对材料的沉积质量具有显著的影响，当基板温度较低时，由于快速冷却第一层沉积质量可能受到影响，造成后续的孔隙、开裂等缺陷^［41］。加热基板可以通过以下几方面改善沉积质量：

（1）降低热梯度和应力：在沉积过程中，基板的低温场合会导致熔池冷却速度较快，从而在结构中产生较大的热梯度。这种热梯度容易导致材料变形、裂纹等问题。通过预热基板，能够降低温度梯度，减少冷却过程中产生的热应力，从而提高沉积层的致密性和延展性^［32］。

（2）改善熔池流动性：基板的温度升高可以有效提高熔池的流动性，使其在沉积过程中能够更好地融合与扩展。这有助于填充基板表面的微观缺陷，提高接触质量，增强沉积层与基板之间的结合强度^［73］。

（3）促进合金化反应：在某些复杂的合金沉积中，基板的温度对合金元素的均匀分布至关重要。适宜的基板预热能够促进各元素的扩散和反应，从而形成理想的微观组织，提高材料的力学性能。

（4）改善沉积层的微观组织结构：基板的适度加热有助于控制沉积过程中的冷却速率，进而影响沉积层的晶粒结构。通过预热基板，可以在合适的温度下实现晶粒的细化，使得沉积层的力学性能得到改善^［74］。

综上，对基板进行预热可以减缓冷却速度，降低热梯度，使得气体有足够时间从熔池中逸出，促进形成更致密的熔道，提高沉积层的表面质量和黏合能力。然而，在没有预热的情况下，降低TS或WFS等参数同样有可能实现无缺陷沉积，这与W-LDED技术快速制造的目的相悖，因此可以采用感应加热等技术来获得最佳沉积质量所需的基板温度。

2.3.3 扫描策略优化

扫描策略是决定部件沉积质量的另一个重要因素。Kelbassa等^［75］比较了基于两种不同扫描策略的制造工艺。图6（a），（b）分别为单向策略和曲折策略的示意图。单向策略的特点是每层有几个起点和终点（每条轨道有一个起点和一个终点），而曲折策略的特点是每层只有一个起点和一个终点。因此，单向策略导致材料在终点处过度堆积，这不利于实现高沉积质量。Nickel等^［76］指出单向沉积会导致变形，而曲折策略通过更均匀的加热而使变形最小化。如图6（d），（e）所示，使用曲折策略成功制造了Inconel 718和Ti-6Al-4V的长方体^［75］。Gao等^［77］提出了一种蠕动扫描策略（图6（c）），该策略在扫描过程中每隔几毫米旋转90°以平衡扫描方向和横向的沉积。这种方法确保了横向沉积位移略短于熔池宽度，有利于形成更稳定的熔池，实现更高的沉积层表面质量和均匀性。

2.3.4 丝材预热

温度是影响丝材熔化效率的关键因素之一。在W-LDED过程中，丝材被激光束打击后，其温度迅速升高至熔点，当丝材的初始温度较高时，激光的能量能够更有效地熔化丝材，提高熔化速度，减少过多的激光功率消耗。相反，若丝材温度较低，则熔化所需的激光功率增加，可能导致能量的不均衡分布，最终影响沉积质量。因此在丝材暴露于激光之前，通过电流预热到略低于其熔点的温度，可以促进填充材料的黏合，降低能量输入，从而实现更高的TS和沉积速率，最终降低整体设备成本。

Liu等^［78］比较了热丝和冷丝的穿透能力，如图6（f）所示，可以观察到随着激光能量的增加，两种丝的渗透深度均增加，但热丝表现出更强的穿透能力，说明预热丝材可以增加丝材和基板之间的黏合能力，否则需要降低TS以获得更深的熔池。选择合适的丝材预热温度同样影响着沉积质量，若丝材尖端温度低于熔化温度时，丝材无法熔化，粘在基板表面，影响沉积质量及后续沉积；相反，若丝材尖端在接触基板之前达到熔点，则会发生熔断和飞溅^［42］。图6（g）展示了三种预热温度下的沉积轨迹。

3 组织成分调控

3.1 钛合金组织成份调控

钛合金由于其优异的强度/质量比、耐腐蚀耐高温性能和疲劳强度已经成为航空航天领域不可或缺的重要材料，广泛应用于飞机结构、发动机部件、航天器和卫星等关键部件，有助于提升航空航天工程的性能和安全性。其中Ti-6Al-4V作为航空航天领域应用最广泛的钛合金，本节以Ti-6Al-4V为例，从沉积后未经任何处理的沉积态状态和经过热处理后的状态两个方面分析W-LDED技术中的组织成分调控。

3.1.1 沉积态微观组织结构

目前关于W-LDED工艺制备的Ti-6Al-4V的组织研究主要集中在三个方面：平行带状组织、优先β相组织和α相组织。采用W-LDED技术制备的Ti-6Al-4V的显微组织通常由明显的平行层带和贯穿多个沉积层的外延生长的柱状晶组成，在纵截面上可以观察到多个明显的平行层带，这一现象与其他AM技术制备的Ti-6Al-4V相同^［79-80］，平行层带形成的原因主要是由于当前沉积层和后续沉积层引起的循环热效应导致的α-β相转变。

Mok等^［61］对W-LDED技术制备的Ti-6Al-4V的层带区域和标准区域进行了显微组织分析，发现除了平行的层带特征外，其微观结构主要由平行于构筑方向的长柱状晶组成，同时还观察到了沿着构筑方向的不均匀性，层带区域和标准区域分别呈现出针状和精细篮网状的魏氏α结构。Mok还指出晶粒生长的方向与凝固过程中的散热方向密切相关，在凝固的初始阶段，熔池的能量主要从基材或先前的沉积层耗散，然而由于激光束的作用，散热方向并非严格的垂直向下，而是稍微偏向激光束的传播方向，因此随着沉积层数的增加，晶粒的生长方向逐渐由z轴方向偏向x轴方向。

较粗的柱状晶组织会引起各向不均匀性，进一步导致力学性能变差，因此如何细化晶粒一直是W-LDED技术的研究热点。由于W-LDED技术能量输入高且存在循环热效应，因此难以通过调整工艺参数来细化晶粒，常用的细化晶粒方法是加入添加剂和耦合辅助能量场。Wang等^［80］通过向Ti-6Al-4V合金中引入了质量分数为0.22%的Y₂O₃，使得晶粒的平均宽度由350 μm降低到了130 μm；另外，通过引入质量分数为7.3%的Fe可以使微观组织由较粗的柱状晶转变为等轴晶。

除了添加其他合金元素外，Yuan等 ^［81］通过外加超声振动场实现了Ti-6Al-4V的晶粒大小调控。Ti-6Al-4V样品的横截面晶粒形态可以大致分为三个区域，在最开始的沉积层中可以观察到较粗的柱状晶粒；随着沉积的进行，原始柱状晶的外延生长趋势被破坏，出现了大量细小的柱状晶粒；在最后的几层沉积层的顶部出现了更多的等轴晶^［80］。同理，从样品纵切面上类似的显微结构可以观察到，与中间区域相比，顶部区域观察到了更细的等轴晶区。结果表明，高强度的超声振动可以破坏柱状晶的外延生长趋势，削弱晶粒的织构强度，进而实现晶粒细化。

上述的非均匀性组织特征同样体现在α相沿构筑方向上的演变过程中。Baufeld等^［82］对制备的Ti-6Al-4V样品进行了详细的微观组织结构的表征，发现在顶部区域主要为细的层状α+β相结构，中间区域则可以观察到粗的篮网状组织结构。他们将这一现象归因于α和β相之间的元素扩散，即Al和V分别作为α相和β相的稳定剂，在循环热效应的作用下会分别朝着α和β相扩散，顶部区域的循环热效应不如中间区域，因此出现了微观组织形态的差异。Wang等^［80］的研究验证了这一观点，制备的Ti-6Al-4V-5.4Cu样品的微观组织顶部区域无循环热效应，表现为细长的针状马氏体，而中间区域由于循环热效应的作用表现为片状的α相为主。

3.1.2 热处理后微观组织结构

对W-LDED制备的Ti-6Al-4V进行后续热处理有利于改善微观组织，提升力学性能，通常采用的热处理工艺包括消除应力退火和固溶时效处理。消除应力退火通常在较低温度下进行，主要目的是消除内应力、改善塑性和均匀化组织，对微观结构的影响不大；固溶时效处理的温度较高，目的是优化α+β结构，细化晶粒，得到均一化组织，提高硬度和强度。一般来说，Ti-6Al-4V的热处理温度要求低于β相的转变温度T_β（995 ℃），以防止β相的晶粒粗化。

Baufeld等^［82］研究发现，消除应力退火并不会改变原始状态下的微观层状结构，图7（a）~（c）分别为原始状态、600 ℃/4 h和再经过843 ℃/2 h后的微观组织结构，进一步分析表明，W-LDED技术并未使Ti-6Al-4V的片层结构明显粗化。Mok等^［61］的研究同样证明了这一观点，不同的是，Mok等在消除应力退火后的样品中观察到了较粗的α相魏氏体组织（如图7（d），（e）所示，分别为正常微观组织结构和消除应力退火的微观组织结构），因此指出消除应力退火过程可能使α相变粗。两种观点的冲突矛盾可能由于消除应力退火的温度，Baufeld等^［82］采取了更高的温度，关于后处理过程中的组织演变机理有待进一步研究。

Ding等^［83］研究了是否对丝材进行预热对热处理后的微观组织形态的影响，图7（f）展示了冷丝W-LDED技术制备的Ti-6Al-4V原始沉积状态下的微观组织结构，与图7（a）相比，微观结构更加细化。同样冷丝状态下制备的Ti-6Al-4V对热处理更加敏感，图7（g）展示了样品在700 ℃下保持110 min后的微观组织形态，可以观察到α相细化，体积分数降低；当样品在850 ℃下处理110 min后的微观组织形态如图7（h）所示，α显著粗化且含量增加。然而Ding等并未给出一个有关微观组织演变机制的全面解释，因此丝材温度与热处理对微观组织影响的潜在机制尚未确定。

3.2 铝合金组织成分调控

由于铝合金在激光加工过程中展现的高反射率和强烈的孔隙发展趋势，实现充分熔化和均匀凝固条件是铝合金W-LDED工艺研究亟需解决的问题。通过分析激光功率、激光束移动速度与丝材进给速度之比k因子、孔隙率和焊珠形态之间的关系，在高能量密度和低 k 因子的工艺参数下沉积了高稀释度、低侧角和扁平的高斯分布形状焊珠，反之则沉积了低稀释度、高侧角和立体的顶帽形状焊珠，从而揭示控制AlMg合金沉积形态的工艺机制^［73］。

在此基础上，Froend等^［46］又对相同的线材和基材的W-LDED工艺中不同激光束辐照度下底层沉积层的温度梯度变化、熔池冷却速率以及热循环过程进行了详细研究，发现高激光束辐照度会导致沉积过程中 Mg 的蒸发量略高，从而出现典型柱状凝固微观结构；而激光束辐照度的降低可以产生细化的微观结构，包括沿高度分布的粗粒区域和细粒区域。由此产生的凝固微观结构与不断变化的温度曲线密切相关，通过调整激光束辐照度来控制工艺温度，可以定制沉积层微观组织结构。

通过特定调整激光束辐照度同样可以改变铝合金熔池的凝固条件，在保持恒定能量输入的情况下显著改变微观组织结构，从而实现不同的力学性能。Froend等^［84］发现，高激光束辐照度结合无孔模式过渡焊接会产生均匀的外延大晶粒，导致各向异性的力学性能，而低激光束辐照度结合高线材进给量则可获得几乎各向同性的细凝固微观结构。此外，与回火条件下的 5083 锻造铝合金相比，W-LDED 结构的拉伸性能有所改善，且与WAAM 处理的5087铝合金相似。

W-LDED的激光束具有清晰几何边界，因而有利于获取其能量分布。通过将瞬态热传递分析的结果顺序耦合到机械分析，可以获得有关残余应力和结构变形的有关信息，进一步通过顺序耦合热机械分析有限元模型，可以预测W-LDED热循环过程、残余应力和最终部件变形的工艺过程。Froend等^［85］探究了不同层间沉积等待时间、基板预热条件、沉积方向策略下沉积层残余应力和结构变形程度的对比情况，结果表明，采用双向沉积策略，在10 s的层间沉积等待时间和150 ℃的基板预热条件相较于无基板预热的60 s层间沉积等待时间，沿y轴方向的壁前残余应力下降19.8%，壁后残余应力下降17.7%，结构变形下降约32%；沿x轴残余应力下降27.2%，结构变形下降43%，是一组理想的工艺优化参数。

4 W-LDED技术的主要应用场景

W-LDED该技术通过将金属线材与激光能量结合，实现高效的材料沉积和加热，能够制造复杂形状的零件和组件，并进行修复和增材改造。由于其高精度和较低的热输入，W-LDED在改善材料性能、降低热影响区以及实现高成型速度方面展现出显著优势，适用于对材料质量和结构性能要求较高的应用场景，尤其是在航空航天、建筑、汽车制造及生物医疗等领域具有广阔的应用前景。

在航空航天领域，W-LDED技术的优越性主要体现在其能够高效地制造复杂的金属部件，满足轻量化和高强度的要求。在航空发动机的制造中，W-LDED技术可以用于修复受损部件，延长其使用寿命。例如，涡轮叶片等关键零部件常因高温、高压环境而出现磨损，利用W-LDED技术进行修复^［86］，不仅能够降低材料成本，还能提高维修效率。此外，W-LDED技术可以制造一些形状复杂的部件，如飞机机身结构件^［87］、导弹壳体等，这些部件通常需要在轻量化的基础上具备良好的强度和韧性。新型飞行器通常需要具备复杂的内部流道结构，以获得更佳温度管理效果、优化力学性能，并解决潜在共振问题，同时确保零件的不同区域能够适应各自的应力环境^{［86，88］}，LDED技术能够制造复杂形状、具有薄壁特征的功能性部件，突破传统加工技术带来的设计约束。

在建筑领域，W-LDED技术的应用主要集中在金属构件的制造和修复上。例如，现代建筑中广泛使用的钢结构，通常需要大规模的金属部件。传统的制造工艺难以满足复杂形状和高精度的需求，而W-LDED技术则能够实现高效的定制生产。此外，W-LDED技术在建筑加固领域也有着潜在的应用，可以用于旧楼房的加固和维护，例如通过修复梁柱连接部分，提高建筑的抗震能力和整体安全性，并在修复过程中添加材料，以最大限度地减少未来的腐蚀或损坏^［89］。

在汽车制造领域，W-LDED技术的应用同样日益广泛，尤其是在电动汽车和高性能汽车的制造上。电动汽车的关键部件如电池外壳和电机支架，通常需要轻量且耐用的材料。利用W-LDED技术，能够在保持强度的同时，减小零件的质量，从而提高整车的能效。在高性能赛车的生产中，W-LDED技术可以用于制造高强度的底盘和车身结构，提高车辆的安全性和性能。此外，W-LDED技术展现了其作为一种高效的修复再制造手段的潜力，能够对受损零件特定区域进行修复和重建，再制造后的机床关键零部件的综合力学性能超过新件的90%，降低了更换零件的相关成本^［90］。

生物医疗领域对材料的精度和生物相容性有着严格的要求。W-LDED技术在这方面的应用，主要体现在医疗器械的制造和个性化医疗设备的生产上。例如，植入物如骨钉、关节置换器等，均可通过W-LDED技术进行定制制造，以适应不同患者的具体需求。该技术不仅能够制造出更复杂形状的植入物，还可以实现在生物材料与金属基材之间的无缝结合，从而提高植入物的生物相容性和稳定性。

综上所述，W-LDED技术凭借其高精度、高效率及较广泛的材料适应性，在航空航天、医疗器械、汽车制造、建筑等多个领域展现出了巨大的应用潜力。随着技术的不断发展和完善，相信W-LDED技术将在更多领域发挥重要作用。

5 未来发展趋势

W-LDED技术由于高材料利用率、高沉积速率、低成本的特点在现代制造业中备受关注，该技术为高性能结构件的高精度快速制造、损坏部件的快速响应修复提供了新的技术路径。然而随着W-LDED技术的进一步发展，也将面临更多的技术挑战，例如激光与丝材相互作用不稳定、微观组织结构分布不均匀、力学性能较差等，这些问题都将制约W-LDED技术的工业应用，因此本文提出以下几点技术展望：

（1）材料创新与发展多功能复合材料。首先，目前丝材原料的研究主要聚焦于镍基高温合金（如Inconel 718）和钛合金（如Ti-6A-4V），对于其他合金如铬镍铁合金625、TC21、不锈钢等研究较少，为了满足工业发展的需求，需要开发新型合金及复合材料，改善成形性能，实现功能的多样化，例如，将陶瓷材料与金属材料相结合，开发出兼具强度和耐磨性的复合材料，将大大拓宽W-LDED技术的应用领域。其次，由于W-LDED技术不同的激光和材料相互作用会产生不同的微观组织结构和性能，因此结合W-LDED技术独特的工艺特点，开发定制化材料将实现材料-结构-功能的一体化设计，进一步推动该技术在工业上的应用。

（2）W-LDED成形工艺机理研究。尽管W-LDED技术在实践中取得了一定的成果，但其基础研究仍有待深入，例如通过增加激光功率、使用更大直径的丝材或增加送丝速率来提高沉积速率，这些都将改变液滴的传递模式，因此需要进行大量的研究来阐明能量输入、丝材特性、送丝速率和潜在机理之间的关系。同时虽然已有部分研究揭示了通过W-LDED技术制备的合金的微观组织结构和力学性能，但关于强化和增韧机制的研究有限，例如研究结果表明，利用W-LDED技术制备的钛合金力学性能优于锻造制备的钛合金，但具体原因尚未研究清楚，因此很难提出通过设计改善合金力学性能的方法；同时采用不同的沉积速率将导致微观组织结构表现出不同的晶体类型、相尺寸和分布，因此需要通过先进的显微表征方法（如原位透射电镜和原子探针显微镜）和数学计算的方法明确影响材料力学性能的关键因素，建立强化和增韧模型。综上，对材料在沉积中行为的基础研究、熔池动力学及其与微观组织之间关系的探讨，将为技术的进一步发展提供科学依据。未来，研究者应加大对W-LDED过程中的复杂物理化学现象的研究力度，以揭示其内在机制。

（3）建立工艺-缺陷-组织性能预测模型。通过W-LDED制备的合金表现出分布不均匀的微观组织、冶金缺陷和各向异性力学性能，这些都是由于工艺参数选择不当造成的，这些问题都可以通过先进的算法预测得到有效解决，例如通过机器学习结合在线监测及反馈系统对工艺参数、成形性能和力学性能进行预测，通过对激光能量、沉积速度等工艺参数进行动态调整，从而提高成形质量和稳定性。然而W-LDED技术的制造过程更加复杂，对算法要求更高，理论上，机器学习可用于建立可量化的微观结构特征与性能之间的关系，以优化热处理工艺。同时，在缺陷预测方面，可以采用实时在线监测的方法观察熔池行为，进而及时调整激光功率、熔池温度和单熔层厚度等参数，预测缺陷形成及力学性能。未来，随着人工智能和自动化技术的发展，W-LDED技术的工艺流程有望实现智能化，此外，自动化设备的应用也将极大地提高生产效率，降低人工成本，使W-LDED技术在大规模生产中更具竞争力。

（4）开发增减材一体化制造新方法。W-LDED技术制备的金属零件表面粗糙度和几何尺寸精度不足以满足直接应用的要求，虽然W-LDED技术制造部件所需的生产时间相对较短，但后续工艺（如表面处理）非常耗时，特别是在制造结构复杂的大型部件时。因此，考虑到整个制造周期，应开发增减材一体化的混合制造新方法，以实现同时打印和加工以提高生产效率。首先，对于大型构件，在成形一定高度后，可以与激光沉积同时进行外表面加工，如铣削、超声波振动切割、电化学腐蚀等；其次，对于复杂构件，例如空心结构的构件，内壁加工可以与激光沉积同时进行，以避免后处理困难。基于W-LDED技术的特点，开发增减材一体化复合制造系统以满足各种工业要求将是未来的重点。

（5）大尺寸、高精度、多功能装备开发。目前常见的LDED设备采用的激光光斑较大，一般在1 mm以上，成形的零件致密度较高，但是尺寸精度（±1 mm误差）和表面粗糙度较差，需进一步机加工后才能使用。激光功率越大，基本匹配的光斑就越大，精度越差。因此需要开发大尺寸、高精度、多功能的W-LDED设备。例如中科煜宸的LDM2050装备，该设备集成了多种先进功能，能够实现大尺寸直接沉积成形、残损件（包括轴类）改造修复、梯度材料复合制造和工件表面强化等多种应用。设备配备移出式工作台车，可自由运送工件进出箱体，使箱外装夹拆卸更加便利和安全。此外，该设备还配备了高可靠、独立式防爆烟尘净化系统，具备防爆阻燃、源头除尘、维护便捷和脉冲反吹等特点，超大功率成形技术实现了丝材的高稳定性输送、高精度汇聚和高效率利用。

（6）大激光功率和高送料速率系统研究。为进一步发挥W-LDED技术快速制造的特点，亟需开发高激光功率和高送料速率的系统，然后在长时间的高功率激光照射下，激光系统的聚焦透镜更容易发生单面变形或弯曲，影响激光传输过程中的光束质量和稳定性。目前的研究集中于激光的能量分布和经过透镜聚焦后的衰减效应，并未深入探究整个激光传输过程中的能量演变，造成光束质量难以控制，因此需要研究完整的激光传输过程中的能量分布，以阐明聚焦系统的变形机理和激光能量的演化规律。在大功率激光的作用下，丝材易产生飞溅，影响聚焦系统的正常工作，为保证激光系统的稳定工作，一方面可以通过在喷嘴中集成强冷却装置以降低喷嘴工作温度，另一方面可以通过在传输过程中扩大激光束的束腰直径，实现激光能量的局部减弱。在较高的送料速度下，喷嘴内壁的磨损加剧，可以通过表面硬化处理或优化喷嘴结构来提高耐磨性，利用仿真软件建立高沉积速率下的送料模型，综合考虑丝材直径、送丝速度、丝材与喷嘴内壁摩擦等因素设计出适合大丝材直径、高送丝速率的喷嘴结构。

总体而言，W-LDED技术作为一种新兴的增材制造方法，其研究现状既展现出近年来的快速进展，也表明了未来发展的广阔前景。从材料创新到工艺智能化，从基础研究到标准化建设，各个维度的探索与实践将为W-LDED技术的广泛应用奠定基础。在全球制造业转型升级的背景下，W-LDED技术必将在推动工业发展及科技进步方面发挥重要作用。

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基金资助

国家重点研发计划(2023YFB4604800)