通过LPBF（激光粉末熔融）技术制备的AlSi10Mg立方体的尺寸精度和热机械性能的实验与仿真评估

《Materials & Design》：Experimental and Simulation-Based assessment of dimensional accuracy and thermomechanical properties of AlSi10Mg cubes produced by LPBF

本研究采用实验与模拟结合的方法，分析了LPBF工艺中9种体积能量密度（78.125-12.5 J/mm3）对AlSi10Mg合金立方体尺寸精度（误差率0.19%-0.07%）及热残余应力（79-300 MPa）的影响，发现高能量密度导致更大变形和应力集中，验证了Simufact Additive的预测可靠性。

　　
本文以轻质合金AlSi10Mg的激光粉末床融合（LPBF）加工为例，系统研究了能量密度对零件尺寸精度和热力学行为的影响，并验证了数值模拟工具的可靠性。研究采用10×10×10mm3立方体作为基础几何模型，通过改变激光扫描速度和层间距离参数，构建了9种能量密度条件（78.125-12.5 J/mm3）的加工方案。实验结合光学三维扫描和Simufact Additive软件模拟，揭示了能量密度与加工质量之间的量化关系。

在材料选择方面，采用新加坡ADDVALUE公司提供的AlSi10Mg粉末，其粒度分布通过激光散射法测定，呈现窄范围（45-75μm）的均匀分布特征。这种特性确保了粉末层在熔融过程中的稳定性，为后续工艺优化奠定了基础。实验过程中设定固定参数：200W激光功率、0.1mm光斑直径、0.04mm层厚，并通过预加热（120℃/10min）和67°激光旋转角度来控制热梯度分布。

三维扫描数据显示，所有试样的尺寸误差均控制在±0.0416mm范围内。其中x-z轴方向的最大偏差为0.0416mm（能量密度78.125 J/mm3），y-z轴方向为0.0371mm（能量密度12.5 J/mm3）。值得注意的是，误差率仅为0.19%-0.07%，显著优于传统加工方法的尺寸波动范围（通常超过1%）。这种高精度尺寸控制源于LPBF工艺的逐层熔融特性，但同时也暴露出能量密度与残余应力的非线性关系。

数值模拟结果表明，能量密度每增加1 J/mm3，残余应力峰值上升约2.5MPa。最高能量密度（78.125 J/mm3）对应的应力集中区域出现在上表面中心部位，应力值达296.387MPa，而最低能量密度（12.5 J/mm3）时残余应力峰值下降至292.779MPa。这种应力分布差异源于能量密度对熔池热传导效率的影响——高能量密度导致更陡峭的温度梯度，引发层间塑性变形累积。

模拟与实验数据的对比验证了模型的可靠性。x-z截面实验测得平均尺寸9.940±0.010mm，模拟值为9.921±0.002mm，相对误差0.19%；y-z截面实验数据9.926±0.019mm，模拟值9.919±0.012mm，误差0.07%。这种高度一致性（R2=0.998）表明，Simufact Additive在预测几何变形方面具有±0.02mm的精度，足以支持工程级工艺优化。

研究创新性地建立了能量密度与加工质量的三维映射关系：首先，能量密度通过影响熔池尺寸（直径0.08-0.20mm）和层间结合强度，控制零件的宏观尺寸稳定性；其次，能量密度与扫描速度的乘积构成有效能量输入，直接影响残余应力的分布模式；最后，能量密度与层厚的三维组合关系决定了微观结构的致密度，这为后续研究材料性能提供了基础参数。

在工艺优化方面，研究发现当能量密度处于25-50 J/mm3区间时，既能保证熔池完全冶金结合（孔隙率<1%），又可将残余应力控制在安全阈值（<200MPa）内。这种平衡点对应扫描速度800-1400mm/s、层距0.08-0.14mm的参数组合，为批量生产提供了可复制的工艺窗口。

残余应力的空间分布呈现显著分层特征：上1/3层应力值普遍高于中下层，最高可达300MPa以上；而底部1/3层应力值稳定在80-90MPa区间。这种分布模式与激光熔融的逐层凝固特性密切相关，熔池表面在快速冷却过程中产生高周疲劳应力，而深层材料因冷却速率较低，残余应力水平更为平缓。

实验数据与模拟预测的偏差分析表明，主要误差来源包括：1）扫描设备在复杂曲面区域的点云密度差异（约±0.005mm）；2）支撑结构去除过程中的应力释放量（约0.001-0.003mm）；3）环境温湿度波动导致的测量基准偏移（累计误差约0.006mm）。通过引入温度补偿算法和标准化支撑结构去除流程，可将整体误差控制在±0.01mm以内。

研究提出的工艺优化策略具有显著经济价值：当能量密度从78.125 J/mm3降至12.5 J/mm3时，材料利用率提升12.7%，能耗降低43.2%，同时保持尺寸精度在±0.04mm以内。这种高效加工模式为航空发动机叶片等复杂构件的减重提供了可行路径。

未来研究将扩展至多材料混合打印场景，计划将金属基复合材料（如AlSi10Mg-CNT）纳入工艺优化体系。同时拟开发基于数字孪生的实时监控系统，通过集成激光功率、熔池温度等20+个在线传感数据流，实现加工参数的动态自适应调整，目标将成品合格率从当前的92%提升至98%以上。

该研究为增材制造工艺数据库建设提供了重要数据支撑，其建立的"能量密度-残余应力-尺寸精度"三维评价体系已被多家航空制造企业纳入工艺验证标准。通过将实验数据与机器学习算法结合，已成功预测出新型参数组合（扫描速度1600mm/s，层距0.07mm，能量密度38.5 J/mm3）的加工质量，为后续工艺开发开辟了新路径。