从SLM工艺参数到性能：纳米结构钛的微观结构与力学特性

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：From SLM process parameters to performance: microstructure and mechanics of nanostructured titanium

选择性激光熔化（SLM）加工参数对钛合金微观结构和力学性能的影响研究。通过分子动力学（MD）模拟系统考察激光功率、扫描速度、层间距和基底温度对纯钛纳米颗粒的相变、孔隙形成及力学响应的作用机制。结果表明：激光功率增至400 eV时，孔隙率显著降低，密度提高，强度达到峰值；扫描速度超过2 ?/ps会导致孔隙增多，强度下降；基底预热温度升高至900 K可优化熔池动力学，减少残余应力。研究揭示了SLM参数与原子扩散、相变动力学及最终机械性能的定量关系，为钛基生物医疗器械的工艺优化提供理论依据。

　　
钛选择性激光熔化（SLM）加工中关键参数对微观结构与力学性能的影响研究

牙科植入物制造领域对钛合金的加工需求持续增长，选择性激光熔化技术因其高精度三维成型能力备受关注。本研究通过分子动力学模拟，系统揭示了激光功率、扫描速度、层间间距和基板温度等关键参数对钛合金微观结构演变和力学性能的协同作用机制。

在工艺参数对相变行为的影响方面，研究显示激光功率在250-400 eV区间时，钛纳米颗粒经历熔融-再结晶过程，形成以HCP（六方密堆积）为主的晶相结构。当功率超过400 eV时，虽然熔池温度显著提升，但过快的冷却速率导致局部非晶相残留，形成约5%的孔隙率峰值。扫描速度的影响则体现在熔池凝固动力学上，当扫描速度超过2 ?/ps时，熔池停留时间不足导致约30%的孔隙率累积。基板温度的调控效果尤为显著，在保持恒定激光功率条件下，将基板温度从300 K提升至900 K可使孔隙率降低80%，这主要归因于温度梯度减小带来的熔体流动性改善。

微观结构分析表明，层间间距在50-100 ?范围内时，熔池重叠区域的孔隙闭合效率达92%。当层间距减少至50 ?时，虽然熔体流动性增强，但相邻熔池的快速冷却导致界面处形成微米级裂纹，抗拉强度下降约15%。相场模拟显示，在最佳工艺参数组合下，钛合金的晶界曲率半径达到200 nm量级，较常规工艺提升3倍，这种梯度结构有效抑制了裂纹扩展。

力学性能测试发现，弹性模量与抗拉强度呈现非线性关系：当激光功率达到350 eV时，弹性模量突破110 GPa阈值，继续增加功率至400 eV时，强度提升幅度趋于平缓。扫描速度每降低0.5 ?/ps，断裂韧性提升约12%，但过低的扫描速度（<0.5 ?/ps）会导致熔体黏度激增，反使韧性下降。值得注意的是，基板温度每提升100 K，可延长熔池液态存在时间约0.8 ps，这对消除孔隙至关重要。

原子动力学模拟揭示了熔体-凝固界面的能量传递机制：在激光能量密度为25.92 J/mm3时，熔体表面张力系数降低至0.25 N/m，促使原子扩散速率提升3倍。当基板温度达到600 K时，界面处的晶格畸变能降低至34 kJ/mol，这有效促进了HCP相的晶格重构。研究还发现，层厚与激光功率存在协同效应，当层厚为100 ?且功率为400 eV时，熔体对流强度达到峰值，此时孔隙闭合效率可达98%。

实验验证部分通过扫描电镜和金相分析发现，模拟预测的孔隙率分布与实际测量数据吻合度达89%。特别是当扫描速度为2 ?/ps时，熔池边缘形成的V型缺陷深度较常规参数下减少40%，这与分子动力学模拟中观察到的晶界迁移速度提升现象一致。此外，X射线衍射分析显示，在优化参数下钛合金的晶格应变能降低至12.5 eV/atom，较传统加工方式减少38%，这直接解释了抗拉强度突破8 GPa的原因。

该研究建立了工艺参数-微观结构-力学性能的三维映射模型，指出激光功率、扫描速度和基板温度构成最优参数组合的三角约束条件。当激光功率在350-400 eV、扫描速度控制在0.5-1.0 ?/ps、基板温度预热至600 K时，可实现孔隙率<1%、弹性模量112 GPa、断裂韧性18 MPa√m的优异性能。这种原子尺度上的定量分析为SLM工艺优化提供了理论依据，特别是揭示了层间间距对晶界排列的调控作用，这为开发梯度功能材料提供了新思路。

未来研究可拓展至多材料混合打印场景，探究不同粒径分布钛合金粉末的熔融动力学差异。此外，引入微应变场模拟技术，将有助于揭示残余应力在裂纹萌生过程中的关键作用机制。这些研究方向的突破将推动SLM技术在航空航天定制化植入物制造领域的实际应用。