激光粉末床熔融成形 WCu 微通道的成形精度提升

《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》：Forming accuracy improvement of W Cu microchannels fabricated by laser powder bed fusion

　　

摘要
本研究对激光粉末床熔融（LPBF）处理的 WCu 复合材料和 316L 不锈钢进行了对比分析，重点关注扫描策略对 LPBF 处理微通道侧面成型精度及机理的影响。在不同的层间旋转角（0°、67° 和 90°）下制造了薄壁结构。首先使用传统线性光路扫描制造了圆形微通道，随后采用了两种优化策略：后轮廓扫描（PCS）和分区环形扫描（ZAS）。使用最小区域圆法评估了圆度误差，并使用改进的单道熔池几何模型进行了尺寸预测。与 316L 相比，WCu 微通道表现出未熔 W 颗粒和球化 Cu 相的严重粘附，导致边界不规则性明显。在设计半径为 500 μm 时，WCu 的平均圆度误差为 158.6 ± 8.3 μm，约为 316L（79.7 ± 9.9 μm）的 2.0 倍。优化效果取决于材料。PCS 对 316L 最有效，将圆度误差降低至 37.5 ± 2.9 μm，而 ZAS 更适合 WCu，将圆度误差降低至 88.2 ± 15.4 μm。改进的几何模型为 316L 微通道提供了良好的定量一致性，MAE 为 0.03270，R2 为 0.83101，而 WCu 仍存在较大偏差。因此，该模型仅捕捉了 WCu 的整体尺寸依赖趋势，不适合对该材料系统进行准确的定量预测。

引言
WCu 复合材料结合了 W 的低热膨胀系数和 Cu 的高热导率，是紧凑型电子设备热管理的有前途的候选材料 [1], [2], [3]。鉴于高功率电子设备日益增加的散热需求，微通道散热器由于其紧凑的几何结构、大的传热面积和高冷却效率而引起了广泛关注 [4], [5]。为了进一步提升热性能，将复杂的微通道结构直接整合到 WCu 散热器中是理想的。然而，WCu 的传统制造路线，如渗透、粉末冶金和热压烧结，在制造这种复杂内部通道方面本质上存在局限性。

增材制造提供了一种制造具有复杂几何形状散热器的灵活方法。在不同的增材制造技术中，激光粉末床熔融（LPBF）因其局部快速熔化和凝固而非常适合制造复杂内部通道。LPBF 的低预热要求有助于防止松散粉末的无意烧结，而其小的激光光斑、细粉末和薄层有助于实现高尺寸精度和相对较低的表面粗糙度 [6], [7], [8]。LPBF 为制造具有复杂几何形状、集成微通道和增强设计灵活性的 WCu 散热结构提供了一条有前途的路线 [9], [10]。

由于其高设计自由度和形成复杂内部结构的能力，LPBF 已被广泛用于制造各种金属材料和合金的微通道散热器 [11], [12], [13]。得益于这些优势，LPBF 制造的金属微通道散热器可以实现改进的热性能，正如在 AlSi10Mg 和纯铜微通道结构中所示 [14], [15]。尽管如此，LPBF 微通道仍然存在尺寸精度有限和表面粗糙度高的问题。这些问题主要是由粉末粒径和激光光斑直径的限制、激光诱导的热效应、阶梯效应、粉末粘附和球化引起的 [16], [17], [18]。结果，有效液压直径可能减小，而压降和通道堵塞风险增加，最终降低流体流动和传热效率 [19], [20]。

通过调整工艺参数和激光扫描策略，工艺优化可以提高增ica制造零件的表面质量和尺寸精度。对于 LPBF 部件，优化激光功率、扫描速度、粉末粒径和层厚有助于调节尺寸精度和表面粗糙度 [21], [22], [23], [24]。除了参数优化外，激光扫描策略调整，如轮廓扫描、激光路径规划、激光重熔、光斑补偿和扫描长度控制，也被用于提高成型质量。激光光斑补偿根据设计和打印尺寸之间差异的一半偏移激光路径，从而提高尺寸精度 [16]。轮廓扫描可以重新扫描每层的边界区域，重熔侧面上部分粘附的粉末颗粒，从而降低表面粗糙度 [25], [26], [27], [28]。此外，控制扫描长度有助于调节热积累、层间热循环和冷却行为，从而提高制造精度 [29]。

现有研究通过考虑部件形成过程中熔道累积效应，开发了 LPBF 尺寸精度预测模型。通过整合热积累和凝固收缩模型，该框架已成功实现了多种几何形状的事前补偿，包括薄壁 [30]、圆形闭环 [31] 和倾斜非正交结构 [32]。这些进展表明，将高保真预测模型与定制扫描策略相结合对于高精度 LPBF 制造至关重要。现有尺寸模型主要针对单相合金开发。由于组分之间熔点差异大导致熔池行为复杂，将它们直接应用于如 WCu 这样的不互溶两相复合材料仍然具有挑战性。此外，现有几何模型采用的方端表示法未能捕捉实际熔道端部的圆角形态，可能会引入预测误差。同时，缺乏合金与复合材料之间的对比研究，阻碍了对影响尺寸精度机理的根本理解。

本研究调查了使用 WCu 复合材料和 316L 不锈钢进行 LPBF 微通道制造，重点关注成型精度、工艺优化和尺寸预测。选择 W80Cu20（称为 WCu）复合材料是因为其在高钨合金中具有优异的热导率，以及在高功率电子封装和散热器中的有前途的应用 [33]。316L 不锈钢表现出优异的 LPBF 可打印性，被用作参考材料来评估和比较不同材料系统中的微通道成型精度。首先制造了设计半径从 100 到 750 μm 的薄壁结构和微通道，以研究设计特征尺寸对尺寸精度的影响。随后，采用后轮廓扫描（PCS）和分区环形扫描（ZAS）策略来改善微通道的成型质量。然后比较 WCu 和 316L 不锈钢的熔池特性，以揭示 WCu 复合材料独特的 LPBF 成型行为。开发了一种由中心矩形和半圆形端部组成的改进几何模型，以更好地近似熔道的圆角形态并预测微通道的尺寸偏差。本研究加深了对 WCu 复合材料 LPBF 成型行为的理解，并为复杂 WCu 部件的高精度制造提供了理论和实践指导。

章节片段

实验材料
气雾化 Cu 粉末和等离子球化 W 粉末按 80 wt% W 和 20 wt% Cu 的质量分数机械混合。如图 1a 所示，混合 WCu 粉末表现出两种不同的形态：Cu 粉末近乎球形，而 W 粉末也显示出高球形度。相应的粒径分布如图 1b 所示，其中 Cu 粉末的特征为 D10 = 12 μm，D50 = 16 μm，D90 = 23 μm，W 粉末为 D10 = 19 μm，D50 = 33 μm，以及

不同扫描策略下单道和多道薄壁的微观结构、形态和表面粗糙度
为了阐明不同扫描策略对微通道成型精度的调节机理，设计了四种代表性薄壁结构来代表微通道的内壁边界区域，如图 4 所示。设计的结构包括 0°层间旋转的单道壁、0°旋转的三道壁，以及两道设计宽度为 200 μm、层间旋转分别为 67° 和 90° 的多道壁。单道壁用于

WCu 复合材料侧面成型精度的形成机理
WCu 复合材料微通道的侧面成型精度显著低于 316L 不锈钢微通道，且实际轮廓偏差大于基于单道几何重叠模型的预测值。值得注意的是，几何模型已经包含了材料相关的熔道宽度和光路间距，并且为 WCu 采用了上界道位置偏差。尽管如此，测得的 WCu 圆度误差仍然

结论
1) LPBF 制造的 WCu 薄壁和微通道表现出异质的 W/Cu 分布和明显的与颗粒相关的边界缺陷。未熔 W 颗粒和球化富 Cu 特征经常沿侧面观察到，而层间旋转改变了薄壁结构中富 W 区域的连续性和方向分布。
2) WCu 和 316L 的侧面 Sa 随层间旋转角从 0° 增加到 90° 而增加。在 WCu 中，相对较高

CRediT 作者贡献声明
李晓轩：写作 - 初稿，可视化，调查，形式分析，数据整理。谭震：写作 - 审阅与编辑，项目管理，方法论，资金获取。陈超：监督。邵伟：监督。郭兴业：监督。周征：监督。何丁勇：方法论，资金获取。

竞争性利益声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本论文报告的工作。

致谢
本工作得到中国长沙中南大学粉末冶金国家重点实验室的支持。作者感谢中科百测技术服务股份有限公司协助 SEM 表征。

李晓轩 | 谭震 | 陈超 | 邵伟 | 郭兴业 | 周征 | 何丁勇
中国北京 100124，北京工业大学材料科学与工程学院