3.1.晶粒结构的演变（通过无成核的外延晶粒生长）作为激光束形状的函数
3.1.1.圆形高斯（CG）轮廓激光束下的凝固晶粒生长
单轨L-PBF工艺中晶粒结构的演变在三个二维横截面中得到证明 ， 包括水平X-Y切片 ， 纵向X-Z切片和横向切片（在如图4（a）中的垂直虚线所示） 。
图 4 316L-SS单轨L-PBF AM期间晶粒结构的演变（a ， c ， e）：水平切片在8 μm基板表面以下 ， （b ， d ， f）：纵向切片 ， （g-j）：横向切片X=350μm.激光束强度分布：圆高斯（CG） 。 原始基材中的先前晶粒被涂成浅蓝色 ， 相应的晶界（GBs）被涂成黑色 。 通过融合区成核产生的新晶粒使用IPF配色方案着色 ， 相应的GB（即新GB）以深红色着色 。 液态细胞及其边界以红色表示熔池的边界 。 由蒸气（即孔隙）填充的细胞及其边界呈浅绿色 。 弯曲的白色虚线表示融合边界 。
熔池几何形状的时间变化对凝固晶粒结构的发展（形貌和生长方向）有显著影响 。 从熔融边界（定义为未熔化金属和熔化金属之间的边界 ， 用虚线曲线表示）与熔池边界底部在三个不同横截面处的相对位置 ， 很明显熔池通过部分熔化的等轴基底颗粒的外延生长而凝固（见图4（a）、（b）和（g）） 。 这些晶粒的外延生长从聚变边界开始 ， 并随着激光轨迹的进展而向熔池中心前进 。 结果 ， 这些颗粒变得细长并表现出柱状形态 。 柱状晶粒的生长方向似乎与移动的凝固前沿垂直 ， 因此在其迁移过程中根据其在熔池后缘的局部位置动态变化（见图4（c） ， （d）和（h）） 。 之所以出现这种生长行为 ， 是因为晶粒的凝固方向倾向于与最大热流方向相反 ， 而最大热流方向与熔池的凝固界面（即熔池在后缘的边界）垂直[16 ， 32
。 请注意 ， 在具有随机取向晶粒的多晶材料中 ， 通常不满足此条件;然而 ， 由于平均晶粒尺寸远小于熔池的尺寸 ， 竞争性增长将快速选择易于生长方向（即面心材料为 <100>）与固液界面处的最大热流方向紧密对齐的晶粒[9
。 在熔池的渐进运动过程中 ， 早期形成的柱状晶粒的外延生长伴随着活化（无屏障）和附加部分熔化晶粒的外延生长（见图4（e） ， （f）和（i）） 。 熔池尺寸和形状（或局部曲率）以及由此产生的凝固晶粒结构随着激光扫描的进行而动态变化方向 。 例如 ， 凝固晶粒生长以弯曲的形状进行 ， 以便沿着熔池的尾边进行（图4（e）） 。
由于熔池沿扫描方向拉长 ， 因此熔池边界的曲率在横向截面上比在中心纵向截面上的曲率更明显 。 因此 ， 横向横截面的晶粒似乎朝着熔池的顶部中心呈径向增长方向（见图4（g）–（j）） 。 相反 ， 在纵向横截面中 ， 由于熔池边界相对平坦 ， 会产生几乎垂直取向的细长晶粒（图4（f）） 。
3.1.2.激光束形状对熔池几何形状的影响
从第3.1.1节可以明显看出 ， 单轨L-PBF过程中高度局部化的凝固过程受到移动熔池的瞬态几何特征的约束 。 通过对不同激光束形状产生的熔池几何特征的详细比较 ， 我们发现熔池的形态对激光束形状敏感 ， 如图5中不同光束形状的熔池可视化所示 。 不同横截面上融合边界的位置和空间可变局部曲率反映了所用激光束的形状 。 从三个不同的横截面可以看出 ， TE光束产生的熔池比CG光束在其他相同加工参数下产生的对应物更浅（沿构建方向 ， 图5（d）与（b））、更短（沿扫描方向 ， 图5（c）与（a）））和更宽（沿横向 ， 图5（h）与（g）的熔池 。 功率和扫描速度） 。 相比之下 ， LE光束产生的熔池比CG光束产生的熔池更深（沿构建方向 ， 图5（f）与（b）） ， 更长（沿扫描方向 ， 图5（e）与（a）））和更窄（沿横向 ， 图5（i）与（g）） 。
图 5 三种不同激光束形状下的熔池几何形状比较 。
除了三种不同横截面所示的熔池尺寸差异外 ， 熔池的局部曲率及其空间变化还取决于激光束形状 。 由TE梁产生的相对较浅和较宽的熔池的底部几乎是水平定向的（图5（d）） 。 相比之下 ， LE束产生的相对较深和狭窄的熔池的特征在于熔池后缘有明显的空间可变曲率（图5（f）） 。 CG梁在TE和LE梁产生的熔池之间产生中间熔池形状（图5（b）） 。
3.1.3.激光束形状对所得凝固晶粒结构的影响
尽管我们显示了单个轨道的结果 ， 但对于所有三种不同的光束形状 ， 在融合区内观察到不均匀的异质晶粒结构 ， 并且将存在于完整的构建中 。 似乎每个二维横截面中的凝固晶粒结构由柱状和“等轴”晶粒的混合物组成 。 然而 ， 柱状和“等轴”晶粒的数密度、尺寸、空间分布和相对体积分数随光束形状而显著变化（图6 ， 7） 。
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