在定向能量沉积（DED）增材制造（Additive Manufacturing, AM）过程中，来自激光或等离子弧的点热源会形成一个熔池，然后将线材或粉末原料注入其中。这一过程允许几何设计的灵活性[1]、动态合金化[2]以及局部微观结构的调节[3]。然而，这些自由度也在高动态条件下产生了一致微观结构和性能的挑战。其中一个特别的挑战是控制由移动热源产生的复杂热场[4]。许多研究已经展示了通过操控热源和扫描策略来控制晶粒尺寸、纹理、外延、相变和初级凝固结构的方法；然而，这些对凝固结构的控制主要集中在熔池附近的热传递和动力学上，通常没有考虑或控制多层之间的长距离热传递。例如，显著的热量保留会粗化凝固微观结构[6]。在相同的工艺条件下进行简单改变可能会极大地影响这种热平衡。例如，在同一几何形状上打印多个副本会减慢层返回时间，从而散失更多热量并引起显著的微观结构变化[7]。在DED中，相对于粉末床熔融（Powder Bed Fusion, PBF）而言，更大的熔池尺寸和更高的热输入会导致更严重的动态退火和先前沉积层的微观结构变化[8]。组件可能会保持较高的温度并经历数十分钟到数小时的微观结构修改，这使得逐层完全冷却在生产中变得不切实际。因此，DED中的热管理策略对于生产具有均匀微观结构和性能的材料至关重要。
一种常见的热均匀化方法是使用红外相机监控整个组件，并在观察到的最高温度降至给定阈值以下时暂停构建过程[9]。这可以在每层（层间）或每个焊珠（层间）的基础上进行。阿里等人[10]发现，在热加工钢中通过保持层间温度高于马氏体起始温度可以提高硬度均匀性。这与斯里达兰等人[11]在低温转变（Low Temperature Transformation, LTT）钢中的研究结果一致。然而，在较高合金的马氏体时效钢中，熊等人[12]发现，如果在马氏体起始温度（MS）以上保持较长时间，由于冷却速度较慢，会形成贝氏体，导致微观硬度和拉伸性能的均匀性降低。对于层间温度低于MS的样品，观察到更均匀的动态回火效果。这些研究的共同点是使用了小的单次通过壁几何形状，这使得整个组件保持在MS以上，而这通常不适用于大规模构建。此外，这种壁几何形状允许焊珠之间的时间间隔非常规律，而在实际组件中，由于横截面的变化和同一层上的重新加热，这种情况并不常见。这些研究都没有探讨中断或非稳定的通过节奏。显然，虽然微观结构形成机制已经得到了合理的解释，但它们与实际几何形状下的层间控制策略之间的相互作用尚未得到充分研究。
另一种控制AM中热场的方法是调节基材的温度，可以通过电加热器[13]、感应线圈[14]或直接使用DED热源[15]进行预热，或者通过主动流体冷却[16]将热量传递到过大的基材中，或者相反，在薄支撑结构上打印以限制导热热传递并被动维持较高温度。这些策略针对多种效果，包括避免裂纹、减轻残余应力或影响微观结构转变，在样品尺度上已被证明有效。然而，这种方法的预期缺点是它可能只能强烈控制构建的前几层温度，因为一旦构建达到一定高度，热量散失主要由组件的顶部和侧面的热对流和辐射主导。在大规模组件上实现微观结构均匀性的背景下，这些基材温度调节能维持控制的时间长度仍然是一个未解决的问题。
相比之下，也测试了一些安装在工具头上的热调节工具，包括CO2气体冷却[17]或甚至液氮喷雾[18]，这些方法都与层间温度控制结合使用。这些方法在层间温度恒定的情况下有助于加速构建时间，并似乎可以提高Ti-6Al-4V和镍铝青铜（NAB）的硬度和拉伸强度均匀性，即使在更大和更复杂的几何形状组件中也是如此[18]。另一种方法是近浸没式主动冷却，即在逐渐加水至当前层以下的容器中打印[19]。由于热控制应用于与热源相同的位置，这似乎是一种有前景的方法，可以均匀化能够承受快速淬火的合金的热冷却曲线。
尽管从特定热历史形成的相和微观结构的机制已经得到了合理的理解，但常见的热控制（如层间温度）的影响主要是在具有高度均匀返回时间的小型单次通过壁的情况下研究的，这并不适用于大规模组件的复杂工具路径。目前尚不清楚这些关系在更复杂条件下的适用性。在这项工作中，我们使用了一种新的科学工具OpeN-AM来隔离温度控制与相和微观结构演变之间的相互作用，该工具通过原位中子衍射、红外成像和数字图像相关性技术，全面了解了组件的初始相、温度和应变状态。我们采用了多遍构建策略，并改变了层时间和层间温度，以更好地模拟复杂组件中不均匀层返回时间和马氏体相变之间的相互作用，并使用原位测量结果进行反卷积处理。原位结果进一步与离位中子应力映射、显微硬度剖面和显微镜观察结果相结合。讨论了这些温度控制策略的效果和局限性，并提出了使用红外数据量化微观结构均匀性的几个关键绩效指标（KPI），强调了需要结合模拟数据的高级控制方法。
