《Journal of Materials Research and Technology》：Overcoming manufacturing limits by decoupling thermal-mechanical instability during laser powder bed fusion of thin-walled GH4169 structures
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激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）可实现复杂轻质薄壁结构的制造；然而，当壁厚减小和悬垂角降低时，制造不稳定性愈发显著。本研究考察了LPBF制备的不同壁厚和悬垂角GH4169薄壁结构，以研究其对制造稳定性的耦合影响并阐明
激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）可实现复杂轻质薄壁结构的制造；然而，当壁厚减小和悬垂角降低时，制造不稳定性愈发显著。本研究考察了LPBF制备的不同壁厚和悬垂角GH4169薄壁结构，以研究其对制造稳定性的耦合影响并阐明热-机械失稳（thermal-mechanical instability）机制。开展热-机械模拟（thermal-mechanical simulations）以分析热历史、应力累积和结构变形。在固定工艺参数下，维持连续垂直成形的最小壁厚为0.4 mm，对于2.0 mm参考壁，无明显宏观畸变的最小悬垂角为30°。薄壁成形中断和低角度畸变与不利热边界条件和结构约束不足相关。壁厚和悬垂角共同影响尺寸精度和致密化（densification），而其对表面粗糙度（surface roughness）的影响随表面取向而变化。对于2.0 mm壁在角度≥40°以及选定较薄壁在较大角度时，表观相对密度（apparent relative density）超过98%，而若干低角度组合达到约91–95%。显微组织演变受凝固过程中热-机械耦合控制，其中稳定热条件促进定向外延生长（directional epitaxial growth），而不稳定条件导致晶粒细化和织构弱化（texture weakening）。增大悬垂角增强弹性响应（elastic response），而壁厚对模量（modulus）以及几何参数对硬度（hardness）的影响较弱。这些发现为控制LPBF薄壁结构制造极限的热-机械失稳机制提供了新见解，并确定了面向设计与制造的参数特异性几何极限和高密度组合。
研究背景：增材制造（Additive Manufacturing, AM；逐层堆积材料制造零件的技术）在航空航天轻量化和复杂构件制造中需求增加。与传统减材制造相比，AM可实现复杂结构近净成形并提高设计自由度和材料利用率。激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF；以激光在粉末床上逐层熔化成形的增材制造技术）因制造精度和结构设计灵活性广泛用于高性能金属构件。镍基高温合金GH4169具有优异高温强度、抗蠕变和抗氧化性能，用于航空发动机热端部件。拓扑优化（topology optimization；在满足性能约束下优化材料布局的设计方法）常形成薄壁和细杆特征，薄壁结构因此成为连接LPBF制造能力与轻量化设计的关键。但薄壁结构热积累更强、结构刚度更低，几何精度和致密化对结构尺度高度敏感；低悬垂角条件下粉末支撑和热耗散较差，制造不稳定性突出。已有研究多将壁厚和悬垂角作为独立几何变量考察，忽略了二者共同调控散热路径、局部热积累、熔池稳定性和结构约束的事实，缺陷形成、尺寸偏差和制造失效的耦合热-机械失稳机制仍不充分，尤其缺乏镍基高温合金薄壁结构从稳定成形到渐进失稳再到失效的系统制造窗口。为此，研究人员在较宽几何参数空间制备不同壁厚和悬垂角的GH4169薄壁结构，结合实验与热-机械模拟，评估成形稳定性、致密化、缺陷、组织和力学性能，建立几何尺度、热-机械失稳与制造极限之间的关系，确定尺寸依赖制造窗口并揭示其LPBF可加工性的热-机械失稳机制。
关键技术方法（≤250字）：研究人员采用气雾化GH4169粉末，在LPBF-150系统上固定激光功率300 W、层厚30 μm、扫描间距50 μm、扫描速度800 mm/s，采用岛状扫描且相邻层旋转90°，制备壁厚0.3、0.4、0.6、1.0、2.0 mm垂直试样，2.0 mm参考壁悬垂角15°、20°、30°、40°、60°、80°试样，以及0.4、0.6、1.0、2.0 mm与不同悬垂角组合试样。采用扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜（OM）、电子背散射衍射（EBSD）、激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）、阿基米德法密度测试和纳米压痕（nanoindentation）表征组织、缺陷、粗糙度、密度、模量与硬度。建立ANSYS APDL三维瞬态热-机械有限元（finite element）模型，采用单元生死模拟逐层沉积，利用JMatPro热物性并以Sih-Barlow模型计算粉末床等效热导率，分析温度历史、应力累积和变形。
研究结果：
3.1 LPBF制备薄壁结构的制造极限与失效机制：通过不同壁厚垂直试样和不同悬垂角试样宏观/微观观察及应力模拟，得出固定参数下连续垂直成形最小壁厚为0.4 mm，0.3 mm试样在制造高度低于10 mm时发生屈曲失稳；2.0 mm参考壁无明显宏观畸变的最小悬垂角为30°，15°和20°出现明显翘曲、粘粉和夹渣。薄壁失效主要源于层间熔道错配、导热截面和结构刚度降低、热积累及约束收缩，低角畸变源于未支撑悬臂比例增大和粉末床低导热。厚壁模拟残余应力更高，但结构稳定性和缺陷容忍度决定连续性，失效并非仅由残余应力幅值控制。
3.2 不同几何参数下尺寸精度的演变：通过测量不同壁厚和悬垂角组合的壁厚偏差，得出随壁厚减小，偏差由负向正转变，对悬垂角的依赖由单调变为显著非线性。2.0 mm组低角负偏差与下表面支撑不足和局部下沉有关，高角趋零并略呈正偏差；0.4 mm和0.6 mm薄壁组偏差完全转为正值，低角处偏差增大，反映熔道边界几何和粘附颗粒对测量厚度的贡献增大，尺寸响应对悬垂角更敏感。
3.3 不同几何参数下薄壁结构的表面质量特征：通过表面粗糙度Sa及SEM/共聚焦形貌，得出垂直试样顶面Sa随壁厚由2.0 mm至0.3 mm从14.40±0.87 μm增至44.89±2.59 μm，侧面Sa从27.41±0.92 μm降至14.00±0.85 μm；薄壁顶面呈不规则凸起，厚壁侧面粘粉较多。随悬垂角由80°降至15°，下表面Sa非线性升高，15°超过100 μm，约为80°的五倍；上表面Sa由12.73±0.70 μm增至35.17±1.16 μm。下表面主要受粉末床散热受限、局部塌陷和粘粉控制，上表面主要受阶梯效应和熔道稳定性控制。
3.4 壁厚与悬垂角对致密化行为的耦合影响：通过密度响应面和金相截面，得出相对密度随悬垂角增大而升高，高角厚壁形成高密度平台；低角薄壁形成低密度区，约91–95%，伴未熔合和局部塌陷；2.0 mm壁在30°约96.5%，2.0 mm壁在≥40°及选定薄壁大角度时超过98%，而0.6 mm壁在40°未达到该水平。致密化分为≤30°支撑受限区、约30°–60°壁厚与角度耦合主导区、≥60°趋稳但薄壁仍受尺寸效应影响区；制造窗口需区分成形连续性、成功形状形成和高质量制造。
3.5 不同结构尺度条件下的显微组织演变：通过OM/SEM/EBSD和热-机械模拟，得出壁厚增大使熔池边界更规则、层间重叠更连续，平均晶粒尺寸由10.86 μm增至28.12 μm，最大极密度由10.13增至12.99，低角晶界比例增加；悬垂角由15°增至80°使平均晶粒尺寸约由15.73 μm增至24.61 μm，最大极密度由11.15增至18.17，KAM（kernel average misorientation；局部取向差）由约0.53增至0.77，壁厚组KAM约0.54和0.55。枝晶臂间距随壁厚先增后减并在约1.0 mm最大，随悬垂角呈U形并在约40°最小。稳定热条件促进柱状外延和{001}//BD织构，不稳定条件导致晶粒细化、取向分散和织构弱化；模拟显示厚壁最大等效应力更高但热条件更稳定，说明失稳还受结构稳定性控制。
3.6 不同几何参数下薄壁结构的力学响应：通过纳米压痕，得出悬垂角影响强于壁厚；80°试样压入深度较小且模量高于15°，平均杨氏模量由15°约165 GPa增至80°约197 GPa；壁厚对模量影响较弱；硬度在约5 GPa窄范围内变化，区域差异较弱；悬垂角组底部模量高于顶部，壁厚组区域差异较小。模量差异与致密化、承载路径连续性和缺陷水平有关。
讨论部分总结：壁厚改变导热截面，悬垂角改变每层由固体材料支撑的比例，二者通过热输运和温度梯度稳定性共同调节熔池稳定性、枝晶演化、晶粒连续性、晶界特征、织构发展和局部晶格畸变。各向同性、均质材料假设支持热历史和残余应力趋势比较，但局部应力峰值和绝对预测可能受忽略各向异性影响。
研究结论翻译：(1) 在固定参数集下，维持连续成形的最小壁厚为0.4 mm，2.0 mm参考壁无明显宏观畸变的最小悬垂角为30°。0.3 mm成形中断和低角度畸变与不利热边界条件和结构约束不足相关，而非仅由残余应力幅值决定。薄壁条件下结构尺寸减小促进熔池不稳定和热-机械变形，导致熔道错配和层间搭接不足；低角度畸变源于悬臂变形和几何支撑不足下结构稳定性丧失的共同作用。(2) 壁厚和悬垂角共同控制尺寸精度、表面质量和致密化。较大结构尺度稳定熔池并降低尺寸偏差，而薄壁和低悬垂条件下的严重塌陷和粘粉导致偏差超过30%。2.0 mm壁在角度≥40°以及选定较薄壁在较大角度时表观相对密度超过98%；若干低角度组合约91–95%。高密度区必须在该参数集实测厚度-角度组合中选择。顶面粗糙度随厚度减小而增加，侧面粗糙度呈相反趋势。下表面粗糙度在低悬垂角强烈放大，达到80°试样的五倍。(3) 显微组织演变受凝固过程热-机械耦合控制。结构尺度改变传热条件，从而调节熔池稳定性、晶粒形貌、外延连续性和织构发展。稳定温度梯度促进定向凝固、粗大柱状晶、强{001}//BD织构和局部应变累积增加；不稳定条件导致晶粒细化、取向分散和织构弱化。(4) 力学性能呈几何依赖性，尤其对悬垂角敏感。增大悬垂角增强测得弹性响应，壁厚依赖性相对较弱。硬度在约5 GPa窄范围内变化。平均杨氏模量由15°约165 GPa增至80°约197 GPa。悬垂角组底部模量高于顶部，壁厚组区域差异较小。
