GH4169 的激光粉末床熔融薄壁结构制造极限在哪？

GH4169 合金粉末D10、D50 和 D90 值分别为 25.05 μm、38.12 μm 和 57.99 μm。激光功率 300 W、层厚 30 μm、扫描间距 50 μm、激光扫描速度 800 mm/s。

壁厚分别设定为 0.3 mm、0.4 mm、0.6 mm、1.0 mm 和 2.0 mm，悬垂角分别设定为 15°、20°、30°、40°、60° 和 80°。

当厚度从 2.0 mm 减小至 0.4 mm 时，均可实现稳定成形；而当壁厚进一步减小至 0.3 mm 时，则达到了当前工艺参数下的物理制造极限，当制造高度低于 10 mm 时便发生了明显的屈曲失稳。

尽管较大的壁厚会导致更高的应力累积，但 2 mm 试样的成功成形表明，应力大小本身并非支配失效的主导因素。关键因素在于结构稳定性与缺陷容限的差异。随着壁厚增大，应力所致变形对几何稳定性的影响显著减弱。即使发生轻微位移，后续熔道仍能与前一层实现有效搭接，从而维持制造的连续性。

对于具有不同悬垂角（15°、20°、30°、40°、60° 和 80°）的薄壁结构，壁厚 2.0 mm试样均达到了预设高度，但 15° 和 20° 悬垂试样出现了明显的宏观畸变。因此，对于 2.0 mm 参考壁厚，以成形完成且无显著宏观畸变作为判据，其可打印的悬垂极限被确定为 30°。在低角度悬垂区域还观察到大量粉末黏附和熔渣堆积。相比之下，在大悬垂角下制备的试样表面光滑、几何保真度高，未出现明显变形或表面缺陷。

上图展示了悬垂条件下不同壁厚薄壁结构尺寸偏差的演化规律。总体而言，随着壁厚减小，偏差逐渐由负值向正值转变，同时其对悬垂角的依赖性也由单调趋势演变为明显的非线性响应。

悬垂支撑影响下表面塌陷，而壁宽的减小则提高了轨道边界几何与黏附颗粒在实测厚度中的相对贡献 。

在垂直成形条件下，薄壁结构的表面质量表现出明显的尺寸依赖性。

对于顶面当壁厚由 2.0 mm 减小至 0.3 mm 时，Sa 值由 14.40 ± 0.87 μm 急剧升高至 44.89 ± 2.59 μm，表明随着结构尺度的减小，表面形貌的稳定性明显变差。2.0 mm 试样的顶面呈现规则排列的熔道边界，而 0.3 mm 试样则以不规则的凸起为主。随着墙体变窄，单道沉积轨道及其边界在顶面中所占的比例增大。因此，轨道轮廓或搭接上的细微差异会对形貌产生更大的影响，图 b–e中的不规则凸起即是这种影响的体现。这些凸起增大了实测的高度起伏，也就解释了 0.3 mm 试样顶面 Sa 偏高的原因。

侧面粗糙度随壁厚减小呈轻微下降趋势，Sa 值由 27.41 ± 0.92 μm 降至 14.00 ± 0.85 μm。SEM 图像显示，2.0 mm 试样的侧面存在明显的粉末团聚，而 0.3 mm 试样上的黏附则相对较少。

对于具有不同悬垂角的薄壁结构，表面质量在很大程度上取决于粉末支撑沉积的范围、其散热路径，以及由此产生的粉末黏附与表面几何形态。

当悬垂角由 80° 减小至 15° 时，上表面（顶面）与下表面（悬垂面）之间的粗糙度差异逐渐增大，在低悬垂角区间尤为明显。下表面粗糙度在低悬垂角下呈非线性上升。在 15° 时，Sa 值超过 100 μm，约为 80° 时的五倍。SEM与共聚焦形貌一致显示：15° 的下表面出现了大尺度的不规则结渣，高度起伏剧烈并伴有深谷；而 80° 的表面则相对平整连续，仅有少量黏附颗粒。这一行为主要归因于悬垂区域下方缺乏有效凝固材料的支撑。随着悬垂角减小，熔池下方的支撑条件逐渐由凝固材料支撑转变为粉末床支撑。与实体支撑区域相比，粉末支撑的下表面向下散热路径效率更低，也更易出现局部蓄热。15° 下黏附的粉末与不规则结渣，正是图中巨大高度差以及该下表面 Sa 相对于实体支撑更充分的 80° 试样急剧升高的原因。

用三维响应面展示了薄壁结构在壁厚与悬垂角共同作用下的致密化行为。与较为系统性的尺寸变化趋势不同，密度响应取决于其所处的几何区域：在低角度下增大厚度几乎不能带来改善，而当角度增大时其作用则更为显著，这表明存在粉末支撑与壁宽的耦合效应。总体而言，相对密度随悬垂角增大而升高，但在不同壁厚区间内，其响应幅度存在差异。

在固定悬垂角条件下，相对密度总体随壁厚增大而升高。然而，在 15°–30° 范围内，若干组合表现出约 91%–95% 的相对较低密度，不过 30° 下的 2.0 mm 壁厚试样达到约 96.5%，同时壁厚的影响有限，这表明该区域的致密化行为主要受支撑条件不足的制约。

当悬垂角增大至约 40° 以上时，壁厚的影响逐渐变得更为显著。厚壁结构的相对密度提升更为明显，而薄壁试样则相对滞后，这表明一旦角度增大，更大的实体导热截面积与更连续的层间重叠会发挥更大作用。在固定壁厚条件下，相对密度总体随悬垂角增大而升高。厚壁试样表现出相对平稳的变化特征，而薄壁试样（0.4–0.6 mm）在中等悬垂角区域出现了明显波动，呈现出非单调响应。在如此小的宽度下，沉积熔道几何形貌与重叠的局部差异在壁截面中所占比例更大。这种差异可能影响层间结合区域的范围，有助于解释为何在 0.4–0.6 mm 组中密度并未随角度平滑升高。

致密化行为可分为三个不同区域。在低悬垂角区域（≤30°），致密化主要受支撑条件不足的限制。在中等悬垂角区域（约 30°–60°），壁厚与悬垂角的耦合效应逐渐占据主导。在高悬垂角区域（≥60°），相对密度趋于稳定，尽管薄壁结构仍可能受尺寸效应影响。此处，成形性极限指不再能维持连续构建的几何边界。可打印窗口包含那些能够在不发生构建中断或明显宏观畸变的情况下制备至目标高度的几何组合。在可打印窗口之内，高质量制造窗口还进一步要求具备令人满意的致密化、尺寸精度与表面质量。

在当前参数下，能够维持连续垂直构建的最小壁厚为 0.4 mm；对于 2.0 mm 参考壁厚，不产生明显宏观畸变的最小悬垂角为 30°。所测量到的相对密度 >98% 的区域仅描述致密化，并不构成完整的高质量制造窗口。在固定参数下，2.0 mm 壁厚试样在角度 ≥40° 时超过 98%，而 0.6 mm 壁厚试样在 40° 时并未达到。因此，壁厚 ≥0.6 mm 与角度 ≥40° 并不构成普适的高密度边界。

由于这些参数源针对特定几何形状对激光功率、扫描速度、轮廓扫描或下表面曝光量所作的调整，可能通过改变热积累与层间结合而使这一边界发生移动。降低局部能量输入也可能加剧未熔合；因此，任何调整后的窗口都需要对构建稳定性、密度、尺寸精度与表面质量进行联合评估。

围绕 LPBF薄壁结构的尺寸效应，本工作通过实验与热-力耦合模拟，系统研究了不同壁厚与悬垂角下的制造行为、失效机制、组织演化及力学性能。主要结论归纳如下：

（1）在固定参数组下，能够维持连续构建的最小壁厚为 0.4 mm；对于 2.0 mm 参考壁厚，不产生明显宏观畸变的最小悬垂角为 30°。0.3 mm 时的构建中断与低角度下的畸变，与不利的热边界条件和结构约束不足有关，而非仅由 残余应力大小所致。在薄壁条件下，结构尺寸的减小促进了熔池失稳与热-力变形，从而导致熔道错位与层间重叠不足。相比之下，低悬垂角下的畸变源于几何支撑不足条件下悬臂变形与结构失稳的共同作用。

（2）壁厚与悬垂角共同控制着尺寸精度、表面质量与 致密化。较大的结构尺度使熔池更稳定并减小尺寸偏差，而在薄壁与低悬垂角条件下的严重塌陷与粉末粘附则导致偏差超过 30%。对于 2.0 mm 壁厚试样，在角度 ≥40° 时表观相对密度超过 98%，部分较薄壁试样在较大角度下亦如此；若干低角度组合仅达到约 91%–95%。因此，高密度区域必须从该参数组下所测的壁厚-角度组合中选取。顶面粗糙度随壁厚减小而增大，而侧面粗糙度则呈相反趋势。下表面粗糙度在低悬垂角下被强烈放大，达到 80° 试样的五倍。

（3）组织演化受凝固过程中的热-力耦合所控制。结构尺度改变了传热条件，从而调控熔池稳定性、晶粒形貌、外延连续性及织构演化。稳定的温度梯度促进定向凝固、粗大 柱状晶、强 {001}//BD 织构以及局部应变积累的增加；而不稳定条件则引起晶粒细化、取向分散与织构弱化。

（4）力学性能呈现出几何依赖性，尤其是对悬垂角的依赖。增大悬垂角提高了所测得的弹性响应，而壁厚依赖则相对较弱。硬度在约 5 GPa 附近较窄范围内变化。平均杨氏模量从 15° 时的约 165 GPa 增至 80° 时的 197 GPa。悬垂角分组中，底部区域的模量值高于顶部区域，而壁厚分组中的区域差异较小。