利用激光粉末床熔融（LPBF）技术无需支撑即可制造IN625合金的低角度悬挑结构

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Support-free fabrication of IN625 low-angle overhang structures using laser powder bed fusion (LPBF)

该研究通过激光粉末床熔融（LPBF）成功制备了不同倾角（5°-90°）的支持-free IN625过梁试样，分析了残余应力、表面形貌、显微组织及力学性能。结果表明，支持-free试样的残余应力随倾角减小显著增加，表面粗糙度与层厚及倾角相关，显微结构显示柱状晶在基体区，下表面区存在细晶和胞状结构。力学测试表明，过梁强度随倾角变化较小，但延伸率随倾角增大而提高，支持-free试样的延伸率较支持式高约7%-14%。

　　激光粉末床熔融（LPBF）技术作为增材制造（AM）的重要分支，近年来在制造复杂几何结构方面取得了显著进展。然而，传统制造中常见的支撑结构在LPBF中常常带来额外的制造成本和后期处理负担。因此，开发无支撑结构的低角度（<45°）悬臂结构成为研究热点。本文探讨了IN625材料在不同层厚（30 μm和60 μm）下制造无支撑悬臂条的可行性，同时对比了有支撑悬臂条的性能差异。研究结果表明，30 μm层厚可制造最小5°的悬臂，而60 μm层厚则允许制造最小10°的悬臂。这一发现为无支撑制造提供了新的思路，同时也揭示了制造过程中面临的挑战。

### 无支撑悬臂的制造挑战

在制造无支撑悬臂时，悬臂表面的残余应力和表面粗糙度成为主要关注点。由于粉体的热导率较低，悬臂表面在熔化过程中会积累热量，导致局部热应力的产生。这种热应力不仅影响材料的结构稳定性，还可能导致材料变形或翘曲。此外，熔池的形状和表面粗糙度也会受到层厚和熔化角度的影响。当悬臂角度较低时，熔池的热输入与热传导之间的失衡更加明显，导致更严重的表面粗糙度和残余应力。研究还发现，悬臂表面的粗糙度与熔池的“阶梯效应”和粉体附着密切相关，而这些效应在低角度悬臂中更为显著。

### 表面粗糙度与残余应力的关系

表面粗糙度是衡量悬臂质量的重要指标之一。随着悬臂角度的减小，表面粗糙度显著增加，特别是在低层厚（30 μm）情况下。这是因为较低的悬臂角度会导致熔池在层间移动时形成较大的“阶梯效应”，即熔池边界与层间错位，形成明显的表面起伏。同时，由于熔池在低角度下更倾向于向粉体层中下沉，导致粉体附着在熔池表面，进一步加剧了表面粗糙度。此外，残余应力的分布与悬臂角度密切相关，低角度悬臂的残余应力水平显著高于高角度悬臂，特别是在无支撑情况下，残余应力水平可达490 MPa，而在有支撑情况下则下降至320 MPa左右。

### 微结构特征与机械性能

无支撑悬臂的微结构特征显示，悬臂表面区域（downskin）呈现细小的等轴晶，而靠近基体的区域（bulk）则为柱状晶。这种微结构的差异源于熔池在不同区域的热传导和冷却速率不同。在低角度悬臂中，由于熔池较薄，热量难以有效散发，导致柱状晶的生长受到抑制，进而形成等轴晶。同时，微结构的演变也影响了材料的机械性能，如硬度和延展性。无支撑悬臂的表面硬度在低角度下明显降低，而延展性则随着悬臂角度的增加而提高。这与微结构中晶粒尺寸和晶界数量的差异有关。

### 有支撑与无支撑悬臂的对比

有支撑悬臂的制造工艺与无支撑悬臂有所不同。支撑结构的存在不仅有助于防止熔池下沉，还能提供额外的热传导路径，从而降低残余应力和表面粗糙度。然而，支撑结构的去除往往导致材料表面出现额外的应力集中，影响其最终性能。研究还发现，支撑结构的存在改变了晶粒的生长方向，使得有支撑悬臂的晶粒取向更加均匀，从而提高了其机械强度和延展性。相比之下，无支撑悬臂的晶粒取向存在较大偏差，特别是在低角度下，这可能导致材料在受力时表现出不均匀的变形行为。

### 材料强度与延展性的关系

通过单轴拉伸测试，研究了无支撑和有支撑悬臂的机械性能。结果显示，无论层厚如何，无支撑悬臂的拉伸强度保持一致，而延展性则随着悬臂角度的增加而提高。这与晶粒取向和微结构的演变有关。在低角度下，晶粒的取向偏差较大，导致延展性较低，而在高角度下，晶粒取向更加均匀，从而表现出更高的延展性。此外，残余应力的释放机制也在拉伸性能中扮演了重要角色，尤其是在无支撑悬臂中，由于缺乏支撑结构，残余应力的释放更容易导致材料变形。

### 残余应力的影响

残余应力是影响悬臂性能的重要因素之一。研究表明，随着悬臂角度的减小，残余应力显著增加，特别是在无支撑情况下。支撑结构的引入可以有效降低残余应力水平，但其去除过程可能会在材料表面留下应力痕迹。这些应力痕迹不仅影响材料的表面质量，还可能影响其机械性能。因此，在设计无支撑悬臂时，需要综合考虑残余应力的分布和释放机制，以确保材料的结构稳定性和机械性能。

### 无支撑悬臂的制造优化

为了提高无支撑悬臂的制造可行性，研究提出了多种优化策略。其中包括调整激光参数（如功率、扫描速度和点距），以控制熔池的热输入和冷却速率；采用不同的扫描策略，如双向扫描或局部预烧结，以减少熔池的不稳定性和粉体附着；以及通过热分区和功率调节，优化不同区域的热传导路径。这些策略有助于提高悬臂的表面质量，减少残余应力，并改善材料的机械性能。

### 结论

本文系统研究了IN625材料在不同层厚和悬臂角度下制造无支撑悬臂的可行性，同时对比了有支撑悬臂的性能差异。研究结果表明，无支撑悬臂在低角度下面临较大的制造挑战，包括残余应力的增加和表面粗糙度的恶化。然而，通过优化制造参数和工艺，可以有效改善无支撑悬臂的性能，使其在某些角度范围内达到较高的机械强度和延展性。此外，支撑结构的去除对材料的最终性能也有显著影响，需要进一步研究以优化其去除工艺。本文的研究为无支撑悬臂的制造提供了理论支持和实践指导，有助于推动增材制造技术在复杂结构领域的应用。