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激光粉末床熔融增材制造过程及高能密度激光焊接中孔隙形成机制的直接观测
摘要： 激光粉末床熔融（LPBF）是一种能够制造传统工艺无法实现的复杂几何形状部件的3D打印技术。然而，打印过程中形成的气孔会损害部件的力学性能，严重阻碍其广泛应用。本研究报道了LPBF过程中观察到的六种气孔形成机制。我们的结果再次证实了三种已知机制——匙孔诱导气孔、原料粉末导致的气孔以及激光熔化时因挥发性物质汽化或微小封闭气体膨胀沿熔合边界形成的气孔。同时发现三种新机制：(1) 表面波动捕获的气孔；(2) 浅凹坑区波动导致的气孔；(3) 裂纹引发的气孔。这些发现为LPBF过程中的气孔形成机制提供了直接证据和深入见解，可指导气孔消除/缓解方法的开发。由于本研究涉及的某些激光加工条件与高能密度激光焊接情况相似，该结果对激光焊接也具有参考价值。
关键词： 孔隙形成、激光粉末床熔融、X射线成像、激光焊接、增材制造
更新于2025-09-23 15:21:01
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钛基复合材料选择性激光熔化过程中热行为、流体动力学及表面形貌的介观尺度研究
摘要： 基于随机堆积粉末床模型开发了介观尺度模拟方法，用于研究钛基复合材料选区激光熔化（SLM）过程中的热行为。系统考察了工艺参数对熔池内热行为、流体动力学及表面形貌演化的影响。结果表明：随着激光功率提升，工作温度、冷却速率和熔体存活时间显著提高；高激光功率条件下熔池尺寸增大，出现湍流流体运动，夹杂气体逸出效率提升且增强相颗粒在熔池内实现高效重排。优化工艺参数时，激光与粉末相互作用区域的温度峰值明显消失并形成3300K的最高温度，平台因热积累产生的平均工作温度高达1300K。模拟预测的熔池表面形貌随激光功率增加呈现连续孔隙→碎片状→典型规则液相前沿→湍流液相前沿及飞溅球化现象的演变规律。当激光功率200W、能量密度140J/m时，最大速度位于前后区域，熔体前进前沿的速度矢量指向熔池后部，表明辐照区熔体可实现高效补缩从而避免残余孔隙形成，最终获得液相前沿清晰、飞溅少且表面平整的良好效果。模拟表面形貌与实验测量结果一致。
关键词： 表面形貌、热力学、介观模拟、选择性激光熔化、钛基复合材料
更新于2025-09-23 15:19:57
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采用原位粉末混合激光粉末床熔融技术实现三维金属-玻璃功能梯度材料构件的增材制造
摘要： 现有的商用粉末床熔融三维（3D）打印系统通常每个组件只能打印单一材料。本文采用自主研发的基于喷嘴的多材料选择性激光熔化（MMSLM）系统，制造了成分从铜合金渐变至钠钙玻璃的功能梯度材料（FGM）。研究设计了一套原位粉末混合系统，能按选定比例混合金属与玻璃粉末，并通过多喷嘴超声振动粉末供给系统输送混合粉末。截面分析显示，梯度结构中玻璃比例从金属基复合材料（MMC）经过渡相逐渐增至陶瓷基复合材料（CMC）。激光加工过程中，纯铜合金与MMC部分结合，纯玻璃相渗入CMC部分并锚定玻璃相——这成为FGM实现3D打印件中纯金属与纯玻璃结合的主要机制。通过对梯度材料样品的压痕、拉伸及剪切测试表明：FGM的力学性能从延展性（金属侧）向脆性（玻璃侧）渐变，其最薄弱部位出现在过渡相与CMC的界面（即延性与脆性相的交界处）。
关键词： 铜-玻璃，粉末床熔融，水平梯度结构，多材料选择性激光熔化，功能梯度材料
更新于2025-09-19 17:13:59
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集成激光粉末床熔融与熔丝制造的混合金属/聚合物三维打印技术
摘要： 要生产复杂功能器件并消除装配需求，需采用集成熔融沉积成型（FFF）与激光粉末床熔融（PBF）技术来制造金属-聚合物混合部件。该系统的设计与操作流程基于激光加热原理，通过PBF打印的互锁结构实现金属/聚合物连接，并通过论述阐明了控制连接强度的机理与科学依据。拉伸与剪切测试证实了该金属/聚合物多材料增材制造技术具有良好的连接强度。本文提出了一种引入PBF打印金属与FFF打印聚合物（二者材料特性迥异）的3D打印系统，所制组件无需使用粘合剂。此外，还演示了通过激光熔融将金属粉末沉积至聚合物基底顶部的工艺——成功在PLA/SS 316L复合基底顶部沉积了铜（Cu10Sn）层，但其连接强度问题仍有待解决。最终成功打印出含不锈钢（SS 316L）、铜（Cu10Sn）及聚合物（PLA、PET）的多种混合3D组件，并探讨了其潜在应用。
更新于2025-09-16 10:30:52