基于数值模拟和实验结果，探讨了选择性激光熔化Al?O?/TC4复合材料的缺陷形成机制

《Optics & Laser Technology》：Defects formation mechanism of selective laser melted Al 2O 3 /TC4 composites based on numerical and experimental results

选择性激光熔化制备Al?O?增强钛基复合材料过程中，熔池形态演变与缺陷形成机制通过数值模拟与实验分析揭示，激光参数显著影响能量密度与熔池稳定性，未熔陶瓷粒子因熔池驱动力和范德华力作用发生团聚，界面润湿性差和热力学不兼容导致微裂纹形成。

　　在当前的材料科学领域，金属基复合材料因其优异的性能而备受关注，尤其是在航空航天、汽车和医疗设备等高技术行业。钛基复合材料（TMCs）作为其中的重要一类，通常由钛或钛合金作为基体，加入陶瓷、稀土元素或金属作为增强相。这些增强相可以显著提升材料的力学性能，例如蠕变强度、高温抗氧化能力以及硬度和耐磨性。然而，随着增强相含量的增加，特别是在选择性激光熔融（SLM）工艺中，材料的制造性能和加工性能面临严峻挑战。例如，当高含量的氧化铝（Al?O?）或氧化锆（ZrO?）颗粒被引入钛基体时，往往会导致材料在成型过程中出现裂纹、气孔等缺陷，这不仅影响最终产品的质量，还限制了其在复杂结构件中的应用。

本研究聚焦于Al?O?/TC4复合材料在SLM工艺中的缺陷形成机制，结合数值模拟与实验分析，系统探讨了激光参数对熔池形态及缺陷生成的影响。通过构建多物理场的数值模拟模型，研究团队深入分析了熔池在不同激光功率和扫描速度下的演变规律，揭示了材料特性差异如何影响Al?O?颗粒与TC4基体之间的界面结合能力。此外，研究还关注了未熔颗粒在熔池驱动力和范德华力作用下的聚集行为，以及这种行为如何导致微裂纹的形成。

在SLM工艺中，激光参数对熔池的形成和演化起着决定性作用。例如，激光功率决定了熔池的能量输入，而扫描速度则影响熔池的宽度和温度分布。当扫描速度过快时，熔池的能量密度不足，可能导致熔池宽度变窄，甚至出现不稳定的球化现象（balling），从而降低表面质量与整体密度。另一方面，若扫描速度较慢，虽然熔池宽度增加，但过高的温度梯度可能导致材料冷却过程中出现裂纹。因此，激光参数的优化对于减少缺陷、提高成型质量至关重要。

本研究通过实验与数值模拟相结合的方式，深入分析了Al?O?/TC4复合材料在SLM工艺中的行为。实验部分主要关注熔池形态的观察，包括熔池宽度、温度分布以及表面质量的变化。同时，研究团队还利用高分辨率的显微成像技术，记录了材料在不同参数下的微观结构演化。这些实验结果为数值模拟提供了重要依据，使得研究团队能够进一步揭示熔池在不同物理条件下的动态行为。

在数值模拟方面，研究采用基于计算流体力学（CFD）的多物理场模型，对熔池的热传导、流体流动以及界面反应进行了系统分析。模型中引入了温度依赖的材料属性，以更准确地模拟材料在高温下的行为。此外，研究团队还考虑了马朗戈尼效应（Marangoni effect）的影响，该效应在熔池表面张力梯度作用下可能引发材料流动的不稳定性，从而影响最终成型质量。通过模拟不同激光参数下的熔池演变过程，研究团队发现，温度梯度和熔池驱动力对缺陷的生成具有显著影响，特别是在熔池边界区域，材料流动的剧烈变化可能导致气孔或微裂纹的形成。

此外，研究还特别关注了Al?O?颗粒在熔池中的行为。由于Al?O?的熔点远高于TC4基体，因此在SLM过程中，Al?O?颗粒通常无法完全熔化，而是以未熔状态存在于熔池中。这种未熔颗粒在熔池的驱动力和范德华力作用下会发生聚集，进而影响材料的均匀性和界面结合能力。研究结果表明，未熔颗粒的聚集可能导致熔池内的应力集中，从而增加微裂纹的形成概率。同时，Al?O?与TC4之间的润湿性差和化学不相容性也进一步削弱了界面结合，使得材料在冷却过程中更容易产生裂纹。

为了进一步验证这些数值模拟结果，研究团队进行了多组实验，分别在不同的激光参数条件下制备Al?O?/TC4复合材料。实验结果显示，当激光功率较高且扫描速度适中时，熔池的形态较为稳定，且Al?O?颗粒能够较好地分散在基体中，从而减少缺陷的生成。然而，当扫描速度过快或激光功率过低时，熔池的稳定性受到破坏，导致表面出现波动和球化现象，进而影响成型质量。这些实验结果与数值模拟的结果高度吻合，进一步证明了激光参数对熔池形态和缺陷生成的关键作用。

本研究不仅揭示了Al?O?/TC4复合材料在SLM工艺中的缺陷形成机制，还为优化激光参数提供了理论依据。通过系统分析熔池的热物理行为和流体动力学特性，研究团队能够预测不同参数下的材料行为，并为实际生产提供指导。此外，研究还强调了界面结合能力在材料性能中的重要性，指出通过改善Al?O?与TC4之间的润湿性和化学相容性，可以有效减少微裂纹的形成，提高复合材料的综合性能。

本研究的意义在于，为SLM工艺中金属基复合材料的制备提供了一个全新的视角。以往的研究多集中在单一材料或低含量增强相的制备，而本研究则深入探讨了高含量Al?O?颗粒在TC4基体中的行为，揭示了其在SLM过程中的关键挑战。通过结合实验与数值模拟，研究团队不仅能够准确预测材料行为，还能够为实际应用提供优化方案。例如，在实际生产中，可以通过调整激光功率和扫描速度，控制熔池的宽度和温度分布，从而减少缺陷的生成，提高成型质量。

此外，本研究还为未来的材料科学研究提供了重要的参考。随着SLM技术的不断发展，越来越多的高性能材料被应用于复杂结构件的制造。然而，由于材料特性差异较大，特别是在陶瓷增强相与金属基体之间，材料的制造性能和加工性能面临诸多挑战。本研究通过系统分析Al?O?/TC4复合材料在SLM过程中的行为，为其他高含量陶瓷增强相的金属基复合材料的制备提供了理论支持。同时，研究还强调了界面结合能力的重要性，指出通过改善材料之间的润湿性和化学相容性，可以有效减少缺陷的生成，提高复合材料的综合性能。

综上所述，本研究通过实验与数值模拟相结合的方式，系统探讨了Al?O?/TC4复合材料在SLM工艺中的缺陷形成机制。研究结果表明，激光参数对熔池形态和缺陷生成具有显著影响，而材料特性差异则进一步影响界面结合能力。通过优化激光参数，可以有效控制熔池的宽度和温度分布，减少缺陷的生成，提高成型质量。此外，研究还为未来的材料科学研究提供了重要的参考，特别是在高含量陶瓷增强相的金属基复合材料的制备方面。