铝合金具有高激光反射率和热导率的特点，使其在激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）中的缺陷形成对粉末特性和工艺条件高度敏感。尽管粒度分布（Particle Size Distribution, PSD）会影响粉末铺展性、堆积密度和激光吸收，但名义相似粉末之间细微PSD差异的影响仍研究不足。本研究中，研究人员对两种商业来源的AA6061粉末进行了对比，它们具有相似的成分、名义粒径范围和流动性，但PSD略有差异，以确定其对熔池行为和缺陷形成的影响。具有更宽PSD和更高细粉比例（平均粒径29.5 μm，跨度1.36）的粉末在50 μm层厚与粉末D90 相当的情况下，产生了更深的熔池、更平滑的表面和更低的缺熔孔隙率。相比之下，具有较窄PSD和较大平均粒径（36.4 μm，跨度0.86）的粉末表现出较浅的熔池和更高的孔隙率，表明其与较低的堆积密度相关的激光吸收降低有关。提高窄PSD粉末的激光功率可降低孔隙率并加深熔池，支持能量吸收不足是主要贡献因素。将层厚加倍至100 μm可降低堆积密度、熔池行为和缺陷形成对PSD的敏感性，产生可比的缺陷水平。Scheil-Gulliver模拟表明，微小的成分差异可能对裂纹行为有贡献，但在控制熔池尺寸和孔隙率方面，其影响次于PSD驱动的堆积效应。这些发现表明，细微的PSD变化可显著影响LPBF的可打印性，需要重新优化参数以实现一致的缺陷控制。
## 研究背景与问题
激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）是金属增材制造（Additive Manufacturing, AM）领域的重要技术，利用激光束作为热源逐层熔化金属粉末以成形复杂几何结构。实现LPBF构件的预期功能与结构性能，需要对打印过程各阶段进行精确控制，其中金属粉末原料的特性是决定性起点，直接影响激光能量吸收、熔池形成及整体成形质量。高强度铝合金，特别是AA6061，因其优异的延展性、耐蚀性和比强度，在航空航天、核工业及汽车领域的增材制造应用中备受关注。然而，铝合金固有的高激光反射率和高热导率——例如AA6061在1064 nm波长下的反射率高达91%，热导率达172 W/(m·K)，远高于不锈钢316L的60%和21.4 W/(m·K)——导致其散热迅速、有效激光吸收降低，使粉末特性尤其是粒度分布（Particle Size Distribution, PSD）成为建立最优工艺参数的关键，进而影响工艺效率和零件质量。
粉末形貌与PSD共同决定了LPBF中的流动性、堆积密度和激光吸收。较小粒径粉末因具有更大的激光照射比表面积和更强的颗粒间能量散射而具备更高的能量吸收效率，但易因范德华力增强而发生团聚，损害流动性并降低堆积密度。较宽的PSD通常被认为可改善堆积密度：大颗粒提供结构稳定性，细粉填充间隙，从而增加堆积密度、扩大热影响区并提高熔池尺寸与激光吸收效率。现有研究多关注显著不同的PSD对比，而实际生产中名义相同粒径范围的粉末因供应商差异或批次不一致产生的细微PSD变化及其影响尚缺乏深入探索。为此，研究人员开展了此项针对两种细微PSD差异AA6061粉末的比较研究，以填补该领域的认知空白，并为参数选择与缺陷调控提供实践指导。该论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。
## 主要技术方法
研究采用以下关键技术路线：两种商业气雾化AA6061粉末（Powder A和Powder B）的物理化学表征；使用Aconity MIDI LPBF设备制备10 mm × 10 mm × 10 mm立方体试样，采用双向扫描策略及67°层间旋转；设置两组基础工艺参数（200 W/100 mm/s和450 W/1870 mm/s，层厚50 μm）进行对比，并针对Powder B增加高功率参数（275 W/100 mm/s和704.25 W/1870 mm/s）以验证能量吸收假设；另设置100 μm层厚以评估堆积密度效应的敏感性；采用Hall流度计测定粉末流动性和表观密度；利用场发射扫描电子显微镜（Field-Emission Scanning Electron Microscope, SEM）结合ImageJ软件进行颗粒形貌和PSD分析；光学显微镜进行表面形貌（Sa粗糙度）和截面缺陷（孔隙、裂纹）定量表征；通过Weck试剂腐蚀揭示熔池形貌；并运用Thermo-Calc®软件基于Scheil-Gulliver模型进行凝固路径模拟。
## 研究结果
**粉末特性分析**：两种粉末均为球形颗粒伴卫星颗粒附着。Powder A具有更宽的PSD（D
10 -D
90 : 6.6-49.2 μm，平均粒径29.5 μm，跨度1.36）和更高比例的亚10 μm细粉（约18%），而Powder B的PSD较窄（23.1-53.7 μm，平均粒径36.4 μm，跨度0.86）。尽管两者流动性和堆积密度相近，但Powder B的粉末截面显示更多颗粒间孔隙。
**缺陷形成特征**：在P200V100条件下，Powder A试样的孔隙率约1.6%，约为Powder B（约3.7%）的一半；在P450V1870条件下，Powder A的孔隙率进一步降至约1.0%，而Powder B仍高达约5.1%。Powder A的孔隙以球形气孔为主，Powder B则持续存在缺熔孔隙。提高Powder B的激光功率后（275 W和704.25 W），孔隙率显著降至约0.9%和1.9%，熔池尺寸增大至与Powder A可比水平，间接支持其激光吸收效率较低的假设。两种粉末的裂纹密度在高扫描速度下相近（约0.9%），主要呈沿晶界分布的凝固裂纹特征。
**熔池行为与表面质量**：Powder A在各条件下均产生更深、更宽的熔池。在P200V100时，Powder A的熔池深度（108.8 ± 9.4 μm）比Powder B（87.3 ± 12.8 μm）高约24%；在P450V1870时深度差异约25%。熔池深宽比分析表明所有条件均处于传导模式熔化区间。Powder A的顶面更平滑连续，Sa值（16.3 ± 1.9 μm和29.2 ± 1.5 μm）显著低于Powder B（28.4 ± 2.3 μm和86.5 ± 12.7 μm）。
**层厚增加效应**：当层厚增至100 μm（约两倍D
90 ）时，两种粉末的熔池尺寸、表面形貌和孔隙率差异明显缩小。P200V100条件下两者孔隙率分别为约3.7%和3.8%（差异从2.0%降至0.1%）；P450V1870条件下差异从4.8%降至2.6%。这表明较厚粉层降低了对PSD的敏感性，但缺熔孔隙总量增加，提示需重新优化能量输入。
**成分作用的Scheil-Gulliver模拟**：模拟显示Powder B具有略宽的凝固区间（871.1-926.0 K vs. 872.3-923.9 K）和 mushy区温度范围（882.6-920.8 K vs. 882.3-917.1 K），可能轻微增加凝固裂纹敏感性。但该差异无法解释约25%的熔池深度差异和至少50%的孔隙率差异，证实PSD驱动的堆积密度和激光吸收效应占主导地位。
## 讨论与结论总结
研究人员系统论证了细微PSD差异通过改变粉末堆积密度和激光吸收效率，显著影响AA6061的LPBF成形行为。当名义层厚与粉末D
90 相当时，PSD的作用尤为突出：更宽的PSD（Powder A）通过细粉填充效应提高局部堆积密度，促进多重反射和散射以增强有效激光吸收，从而形成更深的熔池、更光滑的表面和更低的缺熔孔隙率。Powder B因较大粒径和较少细粉，在铺粉过程中更易发生颗粒位移和表面非均匀性，降低有效能量耦合。
增加激光功率可补偿窄PSD粉末的能量吸收不足，验证了"能量输入不足是主要贡献因素"的假设。加倍层厚至100 μm则通过容纳更大颗粒、减少铺粉过程中的筛分效应，降低了PSD敏感性和局部堆积密度差异，使两种粉末表现趋同，但同时增加了整体缺熔孔隙风险，强调层厚改变需伴随参数重新优化。
Scheil-Gulliver凝固模拟揭示了微小成分差异对裂纹行为的潜在贡献，但明确其对于熔池尺寸和孔隙率的影响处于次要地位。这一发现具有重要的实践意义：即使在名义规格和流动性看似等同的情况下，详细的PSD表征不可或缺，特别是对于高反射率、高导热性的铝合金材料。
**研究结论如下**：
1. 名义相似AA6061粉末的细微PSD差异显著影响LPBF可打印性。Powder A（更宽PSD，平均粒径29.5 μm，跨度1.36）较Powder B（平均粒径36.4 μm，跨度0.86）产生更深熔池、更平滑表面和更低缺熔孔隙率；在P200V100L50和P450V1870L50条件下，Powder B的孔隙率分别高出130%和400%以上。
2. PSD驱动的粉末堆积密度变化和激光吸收效应是孔隙率差异的主因。当50 μm层厚与粉末D
90 相当时，Powder B的较大颗粒和较少细粉促进了局部层厚非均匀性、较低堆积密度、降低的激光吸收、较浅熔池和更高缺熔孔隙率。
3. 提高激光功率可补偿窄PSD粉末的吸收能量不足。Powder B的激光功率从200 W增至275 W（100 mm/s）以及从450 W增至704.25 W（1870 mm/s），可降低孔隙率并增大熔池尺寸，证实能量吸收不足是缺熔缺陷的主要贡献因素。
4. 增加层厚可降低LPBF行为对PSD差异的敏感性。在100 μm层厚下，两种粉末的熔池尺寸、表面形貌和孔隙率差异变得不明显，表明较厚粉层能更好容纳较大颗粒并降低堆积密度对PSD的敏感性；但100 μm时增加的缺熔孔隙也表明较厚层需重新优化能量输入以确保完全熔化。
5. 微小成分差异可能对裂纹行为有贡献，但在确定熔池尺寸和孔隙率方面，其作用次于粉末堆积效应。Scheil-Gulliver模拟显示Powder B具有略宽的凝固区间，可能增加裂纹敏感性；但该差异无法解释熔池深度和孔隙率的较大变化，确认了PSD驱动的堆积密度和激光吸收的主导作用。
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