激光粉末床熔融制备晶格结构中薄壁/杆单元制造极限与结构尺度效应的多物理场研究

这篇研究聚焦激光粉末床融合（LPBF）技术制备晶格结构时薄壁/杆单元的制造极限与结构尺度效应，揭示了临界尺寸下熔道失配和悬臂区翘曲的失效机制，通过多物理场模型阐明了微观组织（如超细等轴晶与厘米级柱状晶）随温度梯度的演变规律，为高性能晶格结构的设计与优化提供了关键理论支撑。

　　

Highlight

激光粉末床融合（LPBF）技术为晶格结构的制造带来了革命性突破，但其最小特征单元（薄壁/杆单元）的工艺约束机制尚不明确。本研究通过实验与模拟结合，首次系统揭示了薄壁/杆单元在临界尺寸和倾角下的失效机制：熔道层间失配主导临界尺寸失效，而悬臂翘曲效应则是小倾角区域的核心挑战。

关键发现

1. 1.

   制造极限：杆单元在小倾角下展现出优于薄壁单元的成形能力，归因于更低的应力变形（有限元模拟证实）。

2. 2.

   尺度效应：缺陷行为、表面形貌和微观组织（如从微米级等轴晶到厘米级柱状晶的跃迁）均强烈依赖结构尺度，受温度梯度与晶粒竞争机制调控。

3. 3.

   性能关联：拉伸强度随特征尺寸和倾角减小而降低——粗糙侧表面与高孔隙率加速了裂纹萌生，而超细晶粒的强化效应被缺陷效应抵消。

多物理场模型创新

开发了首个针对小倾角薄壁单元下表面质量演变的多物理场模型，动态捕捉了熔池边缘的颗粒黏附与热应力分布，为表面质量控制提供了量化工具。

Conclusion

本研究不仅明确了LPBF晶格单元制造的物理极限，更通过跨尺度关联分析（从熔池动力学到宏观力学性能），为设计兼具轻量化与高承载能力的晶格结构提供了理论-工艺闭环解决方案。基于此规律优化的两类晶格结构试样，验证了薄壁/杆单元研究成果的工程适用性。