基于熔合缺陷导向的功率递增策略优化铜-钢多材料激光粉末床融合界面性能

本研究针对多材料激光粉末床融合(LPBF)中CuCrZr与316L界面因物性差异导致的熔合缺陷(LoF)和铜污染开裂(CCC)问题，提出了一种基于熔池几何模拟的层间功率指数递增策略。通过平滑粒子流体动力学(SPH)模拟指导实验参数优化，实现了界面混合区厚度<40μm、LoF缺陷减少24%的突破，为多功能异质材料构件制造提供了新范式。

　　

在增材制造领域，铜-钢异质材料的结合一直是个令人头疼的难题。想象一下，工程师们试图将导电导热性能优异的铜合金(CuCrZr)与机械强度出众的不锈钢(316L)融为一体，就像让水和油和谐共处。传统方法中，这两种材料因热物理性质差异巨大——铜的热导率是钢的20倍，激光吸收率却只有钢的1/5，导致界面处要么熔合不充分形成孔洞（熔合缺陷/LoF），要么过度混合引发铜污染开裂(CCC)。更棘手的是，现有单材料工艺参数直接移植到多材料场景时完全失灵，这个瓶颈严重制约着热交换器、电力设备等关键部件的性能突破。

苏黎世联邦理工学院团队在《Materials Letters》发表的这项研究，创新性地将计算模拟与实验验证相结合。研究人员首先开发了基于平滑粒子流体动力学(SPH)的多物理场模型，模拟环形激光模式下熔池的动态行为；通过逆向工程确定初始工艺参数后，设计了线性与指数两种功率递增策略；采用电子背散射衍射(EBSD)和能谱分析(EDX)等手段系统表征了界面微观结构和元素分布。特别值得注意的是，实验采用独特的双激光系统配置，分别用高斯光束打印316L基底，环形光束（边缘:核心功率比90:10）处理CuCrZr层。

在"初步数值研究"部分，SPH模拟揭示了热传导与功率输入的动态平衡机制。当CuCrZr层数增加时，其高热导率会迅速耗散热量，而递增的激光功率则试图扩大熔池。模拟数据显示，线性递增策略在3-8层会出现熔深不足，而指数策略能保持稳定熔深。这个预测被后续实验完美验证——指数策略使相对密度从88.54%提升至99.93%，LoF孔隙减少24%。

关于"熔合缺陷预测模型"，研究团队建立了创新的几何判据。通过将熔池截面拟合为圆弧段，他们发现环形激光产生的熔池宽度对功率变化不敏感，这解释了为何传统线性调节会失效。实验观测证实，指数递增策略的熔池尺寸标准差比线性策略低9%，这种稳定性是避免缺陷的关键。

在"定制化无裂纹界面"章节，EDX分析显示优化后的界面混合区仅20μm（约单层厚度），比前期研究降低60%。EBSD晶粒取向分析表明，不同功率曲线对CuCrZr的晶粒尺寸和长宽比无显著影响，说明该方法具有工艺鲁棒性。高倍电镜观察到μm级的铜枝晶渗入钢基体，但残余应力的降低（通过优化能量输入实现）有效抑制了裂纹扩展。

这项研究的突破性体现在三个方面：首先，建立的SPH-LoF联合预测框架可推广到其他多材料体系；其次，证实环形激光在抑制CCC方面的独特优势——其浅熔池特性将混合限制在临界阈值（Fe 50-95wt%）以下；最重要的是，提出的"前五层关键控制"理论指出，在第六层后热传导达到稳态，因此界面质量主要取决于初始阶段的精确调控。这些发现不仅解决了铜-钢结合的行业难题，更为多材料增材制造提供了可量化的工艺设计准则，推动着从"能制造"到"精制造"的范式转变。