激光能量密度对纯钛选择性激光熔融下表面粗糙度及微观结构的调控机制研究

针对SLM(选择性激光熔融)制备纯钛部件时下表面区域因能量吸收不均导致的粗糙度超标问题，Seung Jun Han团队通过系统调控激光功率(100-200W)与扫描速度(700-2200mm/s)，发现8.3J/mm3能量密度可形成均匀等轴晶(242.85HV)，使Ra降至19.88μm。该研究为生物植入体等精密器件的免后处理制造提供参数优化范式。

　　

在精密制造领域，纯钛( Ti )因其卓越的生物相容性和比强度，成为骨科植入物和航空航天部件的理想材料。然而传统锻造工艺难以加工复杂结构，而新兴的选择性激光熔融( Selective Laser Melting, SLM )技术虽能实现几何自由，却面临下表面粗糙度控制的重大挑战——熔池不稳定、粉末粘附以及陡峭热梯度导致的表面缺陷，往往需要耗费大量后期处理成本。韩国工业技术研究院的Seung Jun Han团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表的研究，正是瞄准这一技术痛点展开攻关。

研究团队采用SLM Solutions提供的40.8μm球形钛粉，通过Leica DCM8三维共聚焦显微镜和Keyence VHX-5000光学显微镜进行表面形貌分析，结合FEI Quanta FEG-250场发射电镜的电子背散射衍射( EBSD )技术解析微观结构，并利用Mitutoyo HM-200硬度计评估机械性能。实验设计以能量密度公式E=αP/(vht)为核心变量，在45°倾斜下表面构建15×15×20mm试样，系统考察了100-200W功率与700-2200mm/s速度组合的工艺窗口。

3.1 下表面粗糙度表征

通过三维形貌分析发现，700mm/s低速条件下Ra值最低(19.88μm)，而高速组(2200mm/s)因热积累不足导致未熔粉末粘附。值得注意的是，相同能量密度6.27J/mm³下，100W/700mm/s(P2S1)比200W/1400mm/s(P6SS6)表面更平整，揭示热输入均匀性比绝对能量值更关键。

3.2 微观结构行为

EBSD分析显示，700mm/s组形成均匀等轴晶，而≥1600mm/s组出现马氏体α'相。核平均取向差( KAM )图谱证实，1000-1300mm/s中介速度使局部晶格畸变最小，对应242.85HV的峰值硬度。这种"低速粗晶-中速等轴-高速马氏体"的相变规律，为工艺调控提供了微观机制解释。

3.3 能量密度关联性

研究创新性地划分出三个特征区域：恶化区(<3J/mm³)的Ra值剧烈波动，改善区(>8J/mm³)呈现稳定低粗糙度。最优参数100W/700mm/s(8.3J/mm³)同时实现表面质量与机械性能的帕累托最优。

该研究突破性地建立了纯钛SLM下表面"能量密度-微观结构-性能"的定量关系模型，其价值在于：首先，明确8J/mm³的能量密度阈值可减少30%后处理工时；其次，发现低功率/低速组合能抑制热裂纹，这对承重植入物的疲劳寿命提升至关重要。韩国团队的工作不仅填补了纯钛下表面工艺优化的知识空白，更为医疗个性化植入物的产业化提供了关键技术支撑。