激光粉末床熔融CuCrZr合金的原子尺度成形机理与工艺优化研究

针对CuCrZr合金在激光粉末床熔融(LPBF)过程中因低激光吸收率和高导热性导致的缺陷问题，研究人员通过分子动力学(MD)模拟与实验相结合，系统探究了激光功率、扫描速度与铺粉间距对熔池动力学及成形质量的影响。研究发现380 W/500 mm/s/0.07 mm的最优参数组合可实现孔隙率低于0.1%的近全致密成形，为铜合金增材制造提供了原子尺度的机理支撑。

　　

铜合金在高温散热器、热交换器等关键部件中具有不可替代的作用，但传统加工技术难以实现其复杂结构的精密制造。激光粉末床熔融(LPBF)技术虽能突破几何限制，却因铜合金对近红外激光的高反射率和超快热扩散特性，导致成形过程中易出现气孔、微裂纹等缺陷。更棘手的是，工艺参数的微小波动会显著影响熔池稳定性，使得铜合金LPBF的工艺窗口极为狭窄。以往研究多聚焦宏观尺度，而原子尺度的熔化-凝固行为、缺陷演化机制仍是未解之谜。

苏州先导三维科技公司的研究人员联合国内团队，通过分子动力学(MD)模拟与实验验证相结合，首次在原子尺度揭示了CuCrZr合金LPBF的成形机理。研究采用嵌入原子法(EAM)势函数构建36,000原子模型，模拟不同激光功率(200-400 W)、扫描速度(300-700 mm/s)和铺粉间距(0.05-0.09 mm)下的熔池演化过程，并通过Closest-Neighbor Analysis (CNA)和径向分布函数分析晶体结构转变。实验采用GeminiSEM 300扫描电镜和EDS能谱对成形件进行表征，验证模拟结果的可靠性。

实验验证与原子势函数校验
通过加热-冷却循环模拟验证EAM势函数，发现CuCrZr的熔点预测值为1,350 K，与实验值偏差仅2.3%。径向分布函数显示液态向固态转变时第二峰分裂特征，证实势函数可准确描述原子重排行为。

激光功率的影响
当功率从200 W提升至380 W时，熔池深度增加53%，Z向原子位移标准差降低62%，表明高功率可增强熔透性并减少表面起伏。但400 W时出现热累积效应，导致气孔率回升至0.15%。

扫描速度的调控
500 mm/s速度下获得最佳晶体有序度，CNA结果显示面心立方(FCC)相占比达92%。速度低于400 mm/s时柱状晶粗化，高于600 mm/s则产生未熔合缺陷。

铺粉间距的优化
0.07 mm间距使相邻熔道重叠率达35%，表面粗糙度Sa降至4.2 μm。间距过大会形成"沟槽效应"，过小则引发匙孔塌陷。

研究最终确定380 W/500 mm/s/0.07 mm为最优参数组合，实验测得成形件密度达99.9%，与MD预测高度吻合。该工作不仅建立了工艺参数-原子行为-宏观性能的关联模型，更首创了铜合金LPBF的原子尺度研究框架。通过揭示激光能量吸收与晶界演化的内在规律，为高反射材料增材制造提供了普适性优化策略。值得关注的是，研究中开发的EAM势函数可扩展至其他铜基合金体系，而动态温度场分析方法为多尺度模拟提供了关键边界条件。这些突破对航天发动机燃烧室等关键部件的精密制造具有重要指导价值。