基板表面形貌对激光粉末床熔融工艺中粉末铺展质量的影响机制研究

针对激光粉末床熔融（LPBF）中基板表面形貌（粗糙度与纹理角度）影响粉末床质量的关键问题，研究人员通过离散元法（DEM）模拟揭示了粗糙度对粉末覆盖率的显著敏感性及纹理角度的优化潜力。研究发现，增大纹理角度可改善粉末分布，而原位重涂技术能有效填充粗糙表面凹陷，为LPBF工艺优化提供了理论依据。

　　

在增材制造领域，激光粉末床熔融（LPBF）技术因其能够生产复杂金属构件而备受瞩目。然而，粉末床的质量直接决定了最终产品的性能，而基板表面形貌（如粗糙度和纹理方向）对粉末铺展的影响长期被忽视。实际生产中，基板表面因熔融-凝固过程形成的凹凸结构可能导致粉末分布不均，进而引发能量吸收差异和熔池不稳定，最终增加缺陷风险。如何量化基板形貌的影响并优化铺粉策略，成为提升LPBF工艺稳定性的关键挑战。

中国的研究团队通过离散元法（DEM，一种模拟颗粒运动的数值方法）系统研究了基板表面粗糙度（S_p）和纹理角度（0°、45°、90°）对粉末床质量的影响。研究发现，粗糙度对粉末覆盖率的负面影响远大于纹理角度，尤其在S_p=60?μm时，0°纹理方向的暴露区域显著增加。通过力场分析，团队揭示了粗糙表面接触力的剧烈波动特征，并发现刮刀距离与颗粒-基板接触力呈先增后减的趋势。此外，提出采用适当间隙增量的原位重涂技术可有效填充粗糙表面凹陷，实现更均匀致密的粉末床。该成果发表于《Powder Technology》，为LPBF工艺参数优化提供了理论支撑。

关键技术方法
研究采用商业Ti6Al4V（TC4）钛合金粉末，基于DEM模拟构建粉末铺展模型，通过调整基板表面峰值高度（S_p）和纹理方向角量化形貌影响。利用力场分析和动态行为追踪解析颗粒-基板相互作用机制，并结合原位重涂实验验证优化效果。

研究结果

1. 基板粗糙度与纹理角度的影响：高粗糙度（S_p=60?μm）导致粉末覆盖率显著下降，纹理角度为0°时缺陷最明显。增大角度至90°可改善覆盖，但粗糙度仍是主导因素。
2. 接触力动态特征：粗糙表面接触力波动幅度达平滑表面的3倍，颗粒堆积区接触力随刮刀距离呈非线性变化。
3. 原位重涂技术的优化作用：通过调整层间间隙增量，可减少未覆盖区域面积达40%，提升粉末床密度与均匀性。

结论与意义
该研究首次系统量化了基板形貌对LPBF粉末铺展的差异化影响，证实粗糙度是核心制约因素。提出的原位重涂策略为实际生产中的表面缺陷修复提供了可行方案，有助于提升LPBF成品的致密性和机械性能。未来可结合多尺度模拟与实验，进一步探索复杂形貌下的颗粒动力学机制。