铜及铜合金因其优异的导热性、导电性和可加工性，在航空航天、电子封装、散热及微波器件等领域具有重要价值^{［ ［1］ GUSCHLBAUER R，MOMENI S，OSMANLIC F，et al. Process development of 99.95% pure copper processed via selective electron beam melting and its mechanical and physical properties［J］. Materials Characterization，2018，143：163-170.
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1-2 ］}。随着现代工业对微型化、集成化设备需求的不断增长，对具有复杂薄壁特征和悬垂结构的铜质定制件的制造提出了迫切需求^{［ ［3］ 薛亚辉，张金超，高洁，等. 增材制造技术在散热器件研制中的应用与最新进展［J］. 铜业工程，2024（3）：1-30.
3 ］}。然而，传统铸造和机械加工技术在制造此类复杂结构时，面临周期长、材料利用率低、精度差等问题^{［ ［4］ 杨娜，黄玮，王玉琦，等. 铜及其合金梯度结构制备及性能研究进展［J］. 铜业工程，2024（1）：67-80.
4 ］}。

金属增材制造技术为铜质复杂定制结构件的制备提供了新的技术路径^{［ ［5］ ASKARI M，HUTCHINS D A，THOMAS P J，et al. Additive manufacturing of metamaterials：a review［J］. Additive Manufacturing，2020，36：101562.
5 ］}，其中激光粉末床熔融（laser powder bed fusion，LPBF）技术凭借其高成型精度和高加工柔性备受关注^{［ ［6］ TANG X P，CHEN X H，SUN F J，et al. The current state of CuCrZr and CuCrNb alloys manufactured by additive manufacturing：a review［J］. Materials & Design，2022，224：111419.
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6-8 ］}。然而，铜材料对于激光具有高反射率，尤其对于1064 nm波长激光，反射率超过90%，加之高热导率[400 W/（m·K）]，导致在LPBF过程中存在激光能量吸收率低、熔池稳定性差、出现冶金缺陷等技术难题^{［ ［9］ HU R，SU K J，LAO Z B，et al. Process of pure copper fabricated by selective laser melting （SLM） technology under moderate laser power with re-melting strategy［J］. Materials，2023，16（7）：2642.
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9-10 ］}。Ikeshoji等^{［ ［11］ IKESHOJI T T，NAKAMURA K，YONEHARA M，et al. Selective laser melting of pure copper［J］. JOM，2018，70（3）：396-400.
11 ］}采用有限元分析结合试验验证探索了加工参数对致密度的影响。Jadhav等^{［ ［12］ JADHAV S D，GOOSSENS L R，KINDS Y，et al. Laser-based powder bed fusion additive manufacturing of pure copper［J］. Additive Manufacturing，2021，42：101990.
12 ］}通过优化工艺参数将纯铜相对密度提升至99%，揭示了熔池中匙孔缺陷的形成机理。现有研究多集中于块体材料成型质量优化^{［ ［13］ KUAI Z Z，LI Z H，LIU B，et al. Selective laser melting of CuCrZr alloy：processing optimisation，microstructure and mechanical properties［J］. Journal of Materials Research and Technology，2022，19：4915-4931.
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13-14 ］}，对薄壁结构成型过程中特有的热累积效应、散热不均导致的几何畸变，以及悬垂结构倾斜角的设计准则等关键问题仍缺乏系统研究，特别是特征尺寸小于0.5 mm的薄壁结构，以及倾角小于45°的悬垂结构，更容易出现成型失效，严重制约铜质材料的LPBF成型精度和结构可靠性。

本研究针对上述技术瓶颈，以无氧铜作为研究对象，通过建立薄壁格栅和悬垂结构模型，系统开展不同薄壁厚度、孔径和倾斜角度的LPBF成型机理研究。研究成果或可为高精度铜质复杂定制结构件的增材制造提供理论指导和技术支撑，推动铜质材料的LPBF技术在新型散热器、微波器件等高端装备制造领域的工程化应用。

本课题所用的球形无氧铜（OFC）粉末材料，其主要化学成分是质量分数为99.9% Cu，粉末粒径为10~45 μm，粉末形貌如图1（a）所示，大部分为近球形颗粒，附着微量卫星粉末，该形貌特征有利于铺粉。为了去除粉末表面附着的水分，实验前将粉末置于干燥箱内进行加热干燥处理，加热温度设为80 ℃，保温2 h，以提升粉末的流动性和铺粉均匀性。

本研究基于Soildworks三维建模软件构建薄壁格栅结构和悬垂结构，通过Materialise Magics软件设计不同厚度的薄壁格栅结构和悬垂结构器件，其悬垂结构分为两种：一种是环形悬垂结构，壁厚固定为1 mm；另一种是与水平面呈倾斜结构，其模型如图2（a，b）所示。环形悬垂结构中，孔径设为0.2~2.0 mm；在倾斜结构中，试样的倾斜长度均为6 mm，与水平面倾斜角度分别为75°，60°，45°，30°和15°。薄壁格栅结构的三维模型及壁厚尺寸如图2（c，d）所示，模型经Stereolithography（STL）格式转换后，采用自适应切片算法和“之字形”扫描策略进行路径规划，层间旋转角度设为67°，最后导入LPBF设备进行打印制备。

采用配备高速振镜系统的YLM-120SLM设备（LPBF，江苏永年激光成形技术有限公司）来成型悬垂和薄壁格栅结构，设备结构如图1（b）所示，最大激光功率为200 W，光斑直径为75 μm；选用不锈钢作为基板并做喷砂粗化处理，以保障铜与钢形成良好的冶金结合^{［ ［15］ TAN C L，ZHOU K S，MA W Y，et al. Interfacial characteristic and mechanical performance of maraging steel-copper functional bimetal produced by selective laser melting based hybrid manufacture［J］. Materials and Design，2018，155：77-85.
15 ］}。通过温控系统将预热温度稳定在（120±5） ℃，根据前期工艺优化结果^{［ ［16］ GUAN J R，ZHANG X W，JIANG Y H，et al. Insights into fabrication mechanism of pure copper thin wall components by selective infrared laser melting［J］. Rapid Prototyping Journal，2019，25（8）：1388-1397.
16 ］}，加工参数设定为：激光功率P=190 W，扫描速度v=500 mm/s，扫描间距s=60 μm，层厚t=20 μm。在现有设备最大功率范围内，该参数组合可使试样相对密度达85%，采用更高功率激光器或绿光激光器能进一步提升致密度^{［ ［12］ JADHAV S D，GOOSSENS L R，KINDS Y，et al. Laser-based powder bed fusion additive manufacturing of pure copper［J］. Additive Manufacturing，2021，42：101990.
12 ， ［17］ KANG S G，GAINOV R，HEUSSEN D，et al. Green laser powder bed fusion based fabrication and rate-dependent mechanical properties of copper lattices［J］. Materials & Design，2023，231：112023.
17 ］}。采用氩气作为保护气体，成型舱内氧的体积浓度低于0.01%。打印完成后，采用电火花线切割技术将试样从基板上分离，在无水乙醇中清洗30 min，经磨削、抛光处理后，在FeCl₃，HCl和无水乙醇的混合液中腐蚀10 s以进行金相组织观察。利用扫描电镜（scanning electron microscopy，SEM）（ZEISS EVO-18，德国）对金属粉末、薄壁格栅结构的显微组织形貌进行检测。采用波长为0.15406 nm的Cu K_α辐射进行X射线衍射（X-ray，XRD）表征，2θ取值范围在30°~95°之间。采用三维影像扫描仪（video measuring machine，VMC）拍摄、测量薄壁格栅结构的形态、尺寸。

铜的熔点为1083 ℃，且具有较高的反射率和热导率，在LPBF过程中吸收入射的激光能量后快速熔化、凝固，熔池中心的热传导速率高，熔体冷却速度加快，黏度增加，熔融液体来不及完全流动混合即发生凝固，在试样表面留下叠加的蠕虫状形貌[图3（a）]。熔体的流动处于无序、不规则的状态，易在逐层打印过程中留下孔洞[图3（b）]，使致密度降低。此外，形成的孔洞一旦受到热应力的作用，将转变为裂纹源，如图3 （c，d）所示。裂纹主要从孔洞的边缘产生并扩展，对基体组织产生割裂作用。来不及完全收缩即发生凝固形成的孔洞，其间存在未完全熔化的铜颗粒，组织呈现胞状单元结构，晶界明显[ 图3（e）]，还存在铜的氧化物颗粒。图3（f）为图3（e）中白色物质的元素含量分布，可知少量的氧存在于组织中。铜对于氧的存在比较敏感，即使在惰性气体氩气的保护下，气流中的微量氧也会导致氧化物的出现，由此削弱晶界结合力。在熔炼和铸造过程中，易生成Cu₂O，通常使用磷元素作为氧稀释剂，通过扒渣的方式减少氧化物的产生。然而，在LPBF成型过程中，磷的存在会影响试样的电导率、热导率和力学性能^{［ ［18］ GU R N，YAO X Y，WANG D W，et al. Selective laser melting of Cu-10Sn-0.4P：processing，microstructure，properties，and brief comparison with additively manufactured Cu-10Sn［J］. Advanced Engineering Materials，2022，24：2100716.
18 ］}。因此，对于LPBF成型OFC试样，应采用更大功率的激光器，或将基板预热温度升高，促进粉末对输入能量的吸收，降低温度梯度，并结合恰当的工艺参数和扫描策略，避免裂纹的产生，以获得性能良好的OFC结构件。

图3（g）为LPBF成型OFC试样的XRD图谱，衍射角2θ范围为30°~95°，α-Cu的衍射峰主要沿着（111），（200），（220）和（311）晶面分布，是典型的面心立方结构，属于Fm-3m空间群。相较于粉末原材料，LPBF成型OFC试样的衍射角2θ向右偏移，衍射峰强度降低，半高宽值减小，衍射图谱中并未发现氧化物的衍射峰。这可能是氧含量较低所导致。在快速冷却条件下，过冷度为晶粒的生长提供能量并促进形核和长大。随着温度的降低，熔体黏度增加，当收缩不足时形成气孔和裂纹等缺陷，易导致立方体试样衍射峰强度降低。

图4（a）为壁厚0.5 mm的薄壁格栅结构的微观形貌特征。分析发现，纵横交错的薄壁格栅结构存在轻微变形，这主要源于LPBF工艺特有的急速加热与冷却机制。在堆积过程中，已凝固层作为后续熔融层的有效散热通道，由于铜基材热导率高达400 W/（m·K），在热累积与耗散过程中易产生显著梯度，进而在薄壁格栅结构中形成残余应力并引发微尺度变形。但宏观层面未观察到裂纹等缺陷。

由图4（b）可知，试样侧面形貌特征显著区别于顶面。由于薄壁侧面是由轮廓扫描沿着竖直方向沉积而形成的，该区域在成型过程中受限于边界条件和熔池状态：一方面，轮廓边缘的散热速度较芯部快；另一方面，当激光束按高斯能量分布模式作用于粉末床时，部分能量被吸收，使粉末熔化形成熔池，部分能量被反射，如图4（c）所示。反射的激光光束在粉末颗粒间多次散射和反射，影响激光能量在粉末床中的分布和传递效率，熔池表面的温度梯度又导致了表面张力梯度，由此引发Marangoni对流效应，如图4（d）所示，未完全熔化的粉末颗粒也被卷入熔池边界区域。这种熔体动态不稳定性直接导致两个典型缺陷：一是熔池固液界面处黏附大量未熔/半熔粉末颗粒；二是表面质量变差。现有研究表明^{［ ［19］ JIA H L，SUN H，WANG H Z，et al. Scanning strategy in selective laser melting （SLM）：a review［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2021，113（9）：2413-2435.
［20］ YANG T，LIU T T，LIAO W H，et al. The influence of process parameters on vertical surface roughness of the AlSi10Mg parts fabricated by selective laser melting［J］. Journal of Materials Processing Technology，2019，266：26-36.
［21］ WANG Q P，ZHU Z W，GUAN J R，et al. The influence mechanisms of re-fused scanning on the surface roughness，microstructural evolution and mechanical properties of laser powder bed fusion processed AlMgScZr alloy［J］. Optics & Laser Technology，2024，177：111060.
19-21 ］}，通过多道轮廓扫描策略或轮廓重熔工艺，可有效改善此类缺陷，特别是优化芯部与轮廓扫描的时序控制可降低表面粗糙度，这为后续工艺优化提供了明确方向。

图5（a）显示了LPBF技术成型OFC环形悬垂结构的宏观形貌特征。实验结果表明：当结构壁厚为1 mm、内部孔径≥0.4 mm时，成型质量符合设计要求，熔道连续性良好且未观察到粉末烧结堵塞现象［见图5（b）］。然而，当孔径缩小至临界尺寸0.2 mm时，成型过程出现系统性失效。受激光束热累积效应影响，熔池边缘产生的热毛细力将周围未熔粉末颗粒持续吸附至熔道界面，最终导致孔径完全堵塞。

从成型机理上分析可知：对三维实体进行分层的过程，是采用一个平行于XY面的平面与设计模型求交得到封闭轮廓线，该轮廓线形成的平面在粉末沉积过程中有固定厚度，即t=20 μm，因此存在台阶效应。图5（c）揭示了分层切片过程中环形悬垂结构的台阶效应形成机制，对圆形下半部分进行切片时，前一层对后一层起到支撑作用，而对圆形上半部分切片时，形成没有支撑的悬空部分。切片层与层之间悬空部分的长度S可用式（1）表示^{［ ［20］ YANG T，LIU T T，LIAO W H，et al. The influence of process parameters on vertical surface roughness of the AlSi10Mg parts fabricated by selective laser melting［J］. Journal of Materials Processing Technology，2019，266：26-36.
20 ］}。

式中，t为切片厚度，θ为水平面与轮廓切线形成的夹角。

悬空部分长度S与t，θ值密切相关，t越大或θ越小，将增加悬空长度S。本实验中分层厚度t是固定的，因此S主要与θ的大小有关。随着分层向圆弧顶部进行，θ值逐渐减小，导致S值增大。当θ值降低至临界倾斜角度范围时（通常在30°~45°区间，具体取决于材料、工艺参数和特征尺寸^{［ ［22］ 卢建斌，杨永强，王迪，等. 选区激光熔化成型悬垂面质量的影响因素分析［J］. 激光技术，2011，35（2）：148-151.
22 ］}），悬垂区域在成型过程中易发生失效。在中等倾斜角度（接近临界角上限）时，主要失效模式为熔池因重力作用发生局部下垂或边缘翘曲，并在底面形成挂渣，这是由于熔融金属在凝固前未能有效支撑自身重量，并在表面张力作用下收缩所致。当θ值进一步减小时（低于临界角下限），过大的悬垂长度S使得熔池在凝固前无法维持其形状，结构失稳风险显著增加，最终可能导致熔体滴落、孔洞堵塞甚至整体结构塌陷。为了成型更小尺寸的环形悬垂结构，采用自适应激光束能量控制或减小层厚将成为未来的研究方向。

图6（a）为LPBF成型OFC与水平面间不同角度结构的外观形貌图，图6（b）揭示了悬垂结构分层原理图。由式（1）可知，S的大小与θ和t值有关，而该类悬垂结构在沉积过程中θ值和t值均固定，不同θ值对应的S值见表1。本课题结果不同于已报道的文献［ ［23］ 胡伟南. 低角度悬垂结构激光选区熔化成形方法与质量优化研究［D］. 广州：华南理工大学，2025.
23 ］，倾斜角为15°和30°试样的侧面未出现挂渣和塌陷情况，侧面质量情况相似，未出现明显变形，究其原因：一是通过升高基板预热温度，降低了温度梯度，并降低了热应力；二是纯铜的热导率和反射率较大，熔池快速凝固抑制了熔体流淌，阻止了激光束能量穿透熔池进入粉层区域，避免了悬空部分的底面产生渣体黏附。由于所建模型的高度较低，在实际工程应用中，设计倾斜角度时应使加工层数尽可能多，以降低台阶效应的影响，但不能忽视加工效率的问题，特别是针对无支撑的情况，在设计时必须提高倾斜角度θ。

为了验证LPBF成型OFC实体件的能力，对壁厚为1，0.8，0.5，0.3，0.2和0.1 mm的薄壁格栅结构、环形悬垂结构（孔径为0.4 mm）的零件模型进行分层处理、添加参数、打印成型。从外观上看，零件成型效果良好，如图7所示，表明LPBF技术具有制造散热构件和微波器件的能力。表2为薄壁格栅结构成型件与设计尺寸的误差范围。当壁厚≥0.3 mm时，测试误差小于10%；当壁厚继续减小时，误差值增大。引起误差的原因主要是LPBF成型OFC实体件采用芯部+轮廓的扫描方式，激光束按照实际轮廓进行扫描，受熔池热影响区的作用，最终得到零件的尺寸大于设定尺寸，且薄壁厚度越小，尺寸误差越明显。因此，需要通过进一步调节扫描参数来保障几何精度，如添加光斑补偿量、减小光斑直径等。散热构件和微波器件的表面粗糙度会影响散热能力和信号传输效率。因此，需在优化工艺的前提下，结合磨削、抛光、磨粒流等后处理技术来协同加工。

本研究采用LPBF技术制备了OFC的薄壁格栅和悬垂结构，通过模型设计、组织表征、结构制备和理论分析，获得如下结论：

1）受高热导率的影响，LPBF成型OFC试样表面形貌为蠕虫状，侧面黏粉现象较为严重，因熔融不足形成的孔洞周围产生裂纹，缺陷的存在使衍射峰强度降低。薄壁格栅结构内部存在应力，轮廓边缘受激光能量分布影响吸附周围粉末颗粒，致使表面质量变差。

2）LPBF成型OFC环形悬垂结构在直径为0.4~2.0 mm时成型效果良好，未出现粉末堵塞情况。在高度较小条件下，与水平面呈30°和15°倾斜角时的底面未出现挂渣和塌陷情况。

3）受应用设备软件的限制，采用LPBF技术制备薄壁格栅结构件时，最小壁厚应不低于0.3 mm。采用LPBF技术制备孔径为0.4 mm的微波器件时，后续需通过调节扫描参数和施加后处理的方式控制尺寸误差和表面粗糙度。