轮廓扫描机制的多物理场建模及其对激光粉末床熔融304L钢表面与亚表面特征的影响研究

本文通过高精度多物理场数值模拟，揭示了激光粉末床熔融（LPBF）中轮廓扫描对表面粗糙度、亚表面缺陷及疲劳性能的调控机制。研究提出优化能量密度可提升熔池稳定性，减少缺乏融合（LoF）和气孔缺陷，并通过梯度降能策略平衡孔隙分布，为提升增材制造金属构件表面质量与疲劳性能提供重要理论依据。

　　

Highlight

Material and fabrication procedure

材料与制备流程

采用气雾化球形304L不锈钢粉末（粒径15-53 μm）在BHGB-LM150设备（配备200 W IPG光纤激光器）进行激光粉末床熔融（LPBF）制备样品。激光为高斯光束分布。粉末化学成分通过电感耦合等离子体（ICP）法测定（补充表S1）。所用粉末的粒径分布为D₁₀: 24.6 μm, D₅₀: 37.5 μm, D₉₀: 57.2 μm。

Multi-physics numerical modeling

多物理场数值模拟

多物理场数值模拟已成为探究增材制造过程（如LPBF和定向能量沉积（DED））中熔池动力学与孔隙形成机制的重要工具。本研究开发了一个多物理场模型，用于模拟轮廓扫描引发的多缺陷形成。为实现高精度和强大预测能力，该模型改进了射线追踪算法、粉末粘附算法、蒸汽冷凝模型和气泡动力学模块，以同步捕捉熔池几何形态、表面形貌演变和亚表面缺陷行为。

Surface and subsurface quality

表面与亚表面质量

轮廓工艺显著影响侧表面形貌，包括部分熔融粉末颗粒的粘附、球化现象以及轮廓熔池的表面轮廓。所有参数组均存在侧表面缺陷特征，且随扫描速度和激光功率变化（图4和补充图S4）。其内在机制包括：（1）过高激光输入增强Marangoni对流和凝固收缩，导致粉末粘附与球化；（2）过低能量输入引发缺乏融合（LoF）和未熔合缺陷；（3）关键孔波动促使蒸汽气泡形成并迁移至熔池边缘。通过优化轮廓参数，表面粗糙度Sa从～10 μm降至～4 μm，Sq从～10 μm降至～5 μm，降幅超50%。疲劳寿命从～7000次循环提升至～25,000次循环，增长超三倍。多层扫描的重熔效应促进中层孔隙闭合，但增加表层孔隙率。本研究提出梯度降能激光策略以平衡该效应。

Conclusions

结论

本研究建立了用于模拟多道多层熔凝轮廓扫描的高保真数值模型。相较于广泛报道的LPBF熔池动力学与气泡行为模拟模型，本模型可同步模拟轮廓熔池的动态与几何特征、多缺陷形成及侧表面形貌生成。模型预测精度通过熔池宽度、缺陷形貌和表面粗糙度的实验验证得到确认。研究揭示了轮廓扫描中气泡通过膨胀、收缩和对流驱动运动（受蒸汽冷凝、Marangoni流和浮力影响）的机制，明确了气泡合并、迁移或裹挟的关键动力学过程。该工作为开发原位激光控制策略以提升增材制造金属部件的表面质量与抗疲劳性能提供了科学基础。