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背景简介

在激光粉末床熔融 (L-PBF) 工艺中，表面粗糙度对于最终产品的机械性能、功能性能以及几何精度的控制至关重要。研究广泛探讨了填充和轮廓加工参数以及轮廓偏移距离对316L不锈钢垂直表面粗糙度的影响。使用共聚焦显微镜量化了熔池形态和表面的算术平均粗糙度，同时借助扫描电子显微镜解读了表面特征的微观结构。在低容积能量密度 (VED) 填充条件下(例如 66.7 J/mm³)，当轮廓VED低于121.6 J/mm³时，改变轮廓偏移距离会对表面粗糙度产生负面影响，表现为保持相对光滑的表面，主要由裸露的熔体轨迹和部分熔化颗粒所组成。提高填充或轮廓VED (例如 166.7 J/mm³) 则不可避免地导致渣滓的形成，这主要是由微观结构差异、熔池不稳定性及其迁移引起的，从而导致表面粗糙度的Sa值增高。随着轮廓偏移距离的增加，渣滓形成的规律性减少，Sa值也随之升高。采用低轮廓VED和适当的偏移距离，以及采用轮廓优先的扫描策略，已被证明是减少渣滓形成的有效解决方案。通过对熔池行为、表面形貌和微观结构的分析，本研究阐明了在填充和轮廓参数共同影响下，主导表面特征的机制。这为在不改变填充参数的情况下，精确控制表面粗糙度提供了理论基础，从而实现了快速成型结构性能的定制操作。

成果介绍

（1）图1展示了不同加工参数下样品顶面的熔池。熔池形状从 176 HP260_CP260_D100 处的横截面椭圆形过渡到 HP800_ CP800_D100处的半椭圆形。随着 VED 的升高，熔池的尺寸和熔池宽深比都会增大。熔池形状的变化可归因于多个因素，包括润湿条件的改善、较高熔液温度下凝固时间的延长以及高 VED 条件下马兰戈尼流的增强。随着 VED 的增加，更大的熔池有利于与先前凝固的熔体轨道形成更大的连接区域，同时减小液体的接触角。熔池温度升高和凝固时间延长可降低液体粘度，并为重力压平熔池突起提供充足的时间。

图1 不同工艺条件下的熔池形态，(a) 182 HP260_CP260_D100，(b) HP530_CP530_D100，(c) HP800_CP800_D100

（2）图2显示了选定样品的自上而下的形貌和横截面熔池形态以全面了解垂直表面特征。表明在低VED 条件下，裸露的熔体轨迹和附着的未熔化粉末在垂直表面粗糙度中占主导地位，而在高 VED 条件下，大尺寸渣滓在垂直表面粗糙度中占主导地位。

图2 不同工艺条件下垂直面的表面形貌和截面图的熔池形态。(a) HP260_CP260_D100，(b) 203 HP530_CP530_D100，(c) HP800_CP800_D100

（3）图3展示了典型的熔渣和熔渣不同位置的显微结构。PDAS 是冷却速率的指标，冷却速率越高，PDAS 越小。如图 3 (b) 所示，在块体区域附近，外延生长的平均 PDAS 为 0.61微米。相反，在垂直表面附近观察到的晶胞尺寸明显更大，为 1.73微米。这种异质微观结构表明熔池迁移时的凝固条件不同：在连接区域，外延生长和较小的 PDAS 意味着在凝固前已与块体接触。在垂直表面附近，较大的PDAS 意味着松散粉末基底和剥蚀区提供了一个孤立的热环境。除了熔渣的形成外，飞溅物的存在也可能影响垂直表面的质量。虽然飞溅物和熔渣在垂直表面的粗糙度上可能具有相似的拓扑结构，但它们的形成机制和微观结构不同。飞溅物中的亚晶粒平均大小为2.84微米，而熔渣中的最大亚晶粒为1.46微米，表明飞溅物的冷却速度较慢。这种差异归因于熔渣与主体区域相连，使其通过导热的速度快于飞溅物周围环境的对流传热。

图 3 熔渣在垂直表面的亚晶粒微观结构：（a）熔渣概览，（b）熔渣与大块连接区域的微观结构，以及（c）外表面区域的微观结构

图4 熔渣和飞溅物的差异。(a) 显示熔渣和飞溅物的光学图像，(b) 飞溅物中微观结构的均匀分布，(c) 熔渣中不均匀的微观结构

致谢

这项工作得到了国家科学基金会、美国国家标准与技术研究院、萨凡纳河国家实验室的资金支持。本文第一作者：Tianyu Zhang（University of South Carolina）、通讯作者：Lang Yuan（University of South Carolina）。

本期小编 吴林森（整理）

姚辰霖（校对）

王康康（审核）

王永杰（发布）