成分梯度變化與參數(shù)調(diào)節(jié)同步的多材料SLM成形制造

來源：江蘇激光聯(lián)盟

采用SLM技術(shù)進(jìn)行了多材料的制備；使用真空系統(tǒng)來對污染進(jìn)行了消除和減少；成分梯度變化和參數(shù)的調(diào)節(jié)可以同時在3D成形的時候同步進(jìn)行；并實現(xiàn)了Ti到Ta和IN718到GRCop-42等材料的梯度變化。

成果簡介：采用SLM技術(shù)進(jìn)行功能梯度材料的制備為制造具有空間定制性能的復(fù)雜部件提供了便利。一個新穎的SLM設(shè)備被研制出來來實現(xiàn)多材料的梯度制備，該設(shè)備可以實現(xiàn)材料的梯度成分在水平和垂直方向上同時實現(xiàn)，可以將前一層不需要的粉末進(jìn)行清理，局部的參數(shù)調(diào)節(jié)變化以及梯度材料的分散熔化和復(fù)雜形狀的梯度成分的制備。多材料的定向制備的復(fù)合材料的功能同時采用Ti到Ta和Ni基超級合金IN 718到Cu合金GRCop-42的制備來顯示出該技術(shù)用來定制、局部特殊動能材料的制備效果。

1. 背景簡介
從一種材料成分在空間過渡到另外換一種成分對于實現(xiàn)基于功能要求的材料性能的定制具有十分重要的意義。早先的AM技術(shù)在多材料金屬系統(tǒng)上使用較多的是采用金屬直接沉積技術(shù)，這是因為該技術(shù)可以直接將原材料非常容易的在不同的成分點上進(jìn)行輸送材料。然而，盡管發(fā)展了直接沉積的多材料沉積技術(shù)，但制備出具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的尺寸特征的復(fù)雜形狀的部件仍然具有十分重要的潛在的需求。

SLM技術(shù)已經(jīng)顯示出可以在垂直方向和水平方向上進(jìn)行制備梯度材料。大多數(shù)的SLM多材料系統(tǒng)采用的辦法是綜合利用多個粉末輸送系統(tǒng)，如送粉器和傳統(tǒng)的粉末鋪展系統(tǒng)來實現(xiàn)的。定制的、開環(huán)控制的和工藝參數(shù)系統(tǒng)均需要可以實現(xiàn)工藝參數(shù)隨著材料的成分進(jìn)行改變，此時的新穎的粉末輸送系統(tǒng)實現(xiàn)點對點的沉積。額外的，為了避免隨后沉積的粉末造成的污染，需要對前一層的粉末進(jìn)行清潔。一個綜合了這些能力的設(shè)備需要可以制備復(fù)雜的結(jié)構(gòu)且同時實現(xiàn)在3D空間的梯度材料的制備。在本文中，一個新穎的SLM設(shè)備被設(shè)計出來實現(xiàn)多材料的制備，即實現(xiàn)在垂直方向和水平方向上的梯度材料的同時制備，前一沉積層粉末材料的清理、局部工藝參數(shù)的條件、梯度材料在熔化溫度的彌散分布和復(fù)雜形狀的制備且具有在3D空間的梯度成分變化。

2. 材料和工藝
該新穎的SLM設(shè)備可以實現(xiàn)梯度合金的制備（GAP），具有的能力為在任意三維空間實現(xiàn)局部材料成分的定制變化。該GAP系統(tǒng)的示意圖見圖1所示，并同時給出了描述這一設(shè)備的每一粉末成分輸送的流程圖，包括粉末的輸送、沉積、熔化和隨后的粉末清理。

圖1 GAP機器顯示標(biāo)記組件和流程圖用來描述操作的步驟

這一GAP設(shè)備使用的粉末送粉器來將粉末輸送到制定的位置，該送粉器依照傳統(tǒng)的粉末供應(yīng)系統(tǒng)來填充粉末床。這一材料的混合結(jié)構(gòu)在加工之前就進(jìn)行創(chuàng)建，然后分離成單獨的送粉輸送器或粉末供應(yīng)系統(tǒng)。橫向部件的組成為一個在 ×6的光學(xué)實驗板跨距的GAP設(shè)備上和包含一個再涂覆、多材料送粉器和真空噴嘴等。

當(dāng)送粉器中的粉末材料需要進(jìn)行沉積的時候，使用引腳序列進(jìn)行釋放來打開腔，而一個二次電機則移動送粉器并沉積粉末到將要沉積的理想?yún)^(qū)域的下一個線的位置。然后重新涂覆粉末鋪展到另外一層并使用激光進(jìn)行選擇性的熔化。最后，不需要的粉末自前一層進(jìn)行清理以避免造成污染。采用兩個不同的辦法來實施，一個是使用真空泵或一個微小的脈沖激光。這一微小的脈沖激光是一種納秒激光，可以在物體表面制造出等離子而形成一個毛刷來將多余的粉末清理掉，如果選擇合適的掃描速度和激光脈沖的話。然而，微型激光移除的粉末會在部件的邊緣重新分布，并且所有的粉末不能完全移除干凈，這會對部件隨后的熔化造成污染。一個新的辦法是使用真空泵來代替微型脈沖激光。這一真空泵可以代替微小激光來實現(xiàn)粉末清理。這一真空噴嘴可以到達(dá)任何一個位置并且選擇性的移除早先沉積的粉末。這一真空的辦法可以得到非常干凈的表面并避免了可能的粉末污染。這一被真空吸收的粉末繼續(xù)儲存以備下一次的使用。這樣制造的體積就下降一個厚度，直至整個部件實現(xiàn)制造。

不同的加工參數(shù)和掃描策略應(yīng)用來沉積不同的材料以實現(xiàn)不同材料的熔化。點對點的加工參數(shù)的變化用于適應(yīng)多材料部件的制造和促進(jìn)開環(huán)控制的AM制造。這一軟件使得編程來對所有的加工參數(shù)進(jìn)行批處理，包括正確的位置、鋪展粉末、應(yīng)用特定的加工參數(shù)和控制真空噴嘴等。

3. 研究結(jié)果
  圖2 顯示的為梯度制備的成分為高含量的Ti（大約95%）和混合Ti/Ta的部件的SEM分析結(jié)果，為在水平和垂直方向的分析結(jié)果。AM制造過程中復(fù)雜的熱行為包括定向的熱歷史。在垂直方向上的材料的梯度將會經(jīng)受不同的熱歷史，同水平方向的材料相比較。此外，原始材料在熔池中混合的時候需要將兩種不同的熔池連接在一起（這為垂直梯度），二者邊邊連接（水平梯度）。這一界面處形成的顯微結(jié)構(gòu)將會變化和其影響需要在不同的方向進(jìn)行充分理解。

圖2 SEM 圖像顯示出材料成分梯度變化在（a）垂直方向Ti/Ta在頂部變化和（b）在水平方向 Ti/Ta 變化的研究結(jié)果

采用這一GAP系統(tǒng)，在不同的方向?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀部件的梯度成分制造時可能的。如圖3所示為采用該系統(tǒng)制備的幾個實際的例子，Ti到 Ta 和 IN 718到 GRCop-42銅合金。這些部件的制備實現(xiàn)了在水平方向和垂直方向的制備。其在三維空間進(jìn)行梯度成分制備的可行性也給予了展示。

圖3 制備的幾種成分梯度變化的實際案例：（a）Ti到Ta成分在垂直方向梯度變化的 同心圓樣品；（b）In 718到GRCo-42在水平方向成分變化的圓盤；（c）制備出的Ti到Ta成分梯度變化時在水平方形和垂直方向均變化的樣品

制備316L SS/IN 718 多材料的研究結(jié)果
首先對SLM制備的316L SS/IN 718 多材料的界面特征首次進(jìn)行了分析和表征；研究發(fā)現(xiàn)界面區(qū)域由一個混合的熔化區(qū)域所組成和單獨的316L SS和IN 718所組成；低的孔隙率和幾乎無裂紋的存在在混合的熔化區(qū)的形成表明在界面處形成了良好的冶金結(jié)合；IN718合金呈現(xiàn)出較高的硬度，這是因為該合金中存在較大分?jǐn)?shù)比例的HAGBs和LAGBs，見圖4所示。

圖4 上圖：完整的制造示意圖和顯微組織進(jìn)行分析測試的位置 （制備的材料為316L SS/IN 718 ）

中間圖：EDX 面分布得到的界面處的 (a) Fe 和 (b) Ni

制備Fe/ Al-12Si的結(jié)果
在這一工作中，SLM原型系統(tǒng)顯示了制備Fe/ Al-12Si的能力。其可行性通過原位合金化不同的元素來實現(xiàn)。在這一初步的研究工作中，F(xiàn)e/ Al-12Si部件制造時，首先是純Fe和Al-12Si粉末分別進(jìn)行研究。在第二次的時候，一個55/45體積比例的Fe/ Al-12Si混合物的二次相進(jìn)行加工制備。最后，沉積部件由Fe, Fe/Al-12Si和 Al-12Si來顯示SLM AM制造梯度多材料的能力。

圖5 上部圖：  a) 制造Fe/Al-12Si時的多材料概念圖； b)帶氣氛室的多材料SLM制造系統(tǒng)；c) 設(shè)計的粉末輸送系統(tǒng)；d) 混合粉末的工作原理；e) 純Fe的粉末質(zhì)量m的輸送曲線的校準(zhǔn)； f) Al-12Si 隨著施加的電壓（A）和振動時間 (tv)的變化的關(guān)系圖，誤差函數(shù)顯示的微均值的95%的可信度

下圖：制造的Fe/Al-12Si多材料的樣品和不同層的橫截面的觀察結(jié)果

4. 結(jié)論
本技術(shù)所介紹的新穎的SLM系統(tǒng)可以實現(xiàn)多材料制備的顯著改進(jìn)。該GAP系統(tǒng)綜合的傳統(tǒng)的粉末鋪展來將粉末輸送到適宜的位置。為了移除前一沉積的粉末以方便后一層的沉積和避免污染，使用微小脈沖激光進(jìn)行粉末的清理或真空泵，而真空泵的清理策略是最佳選擇。參數(shù)的選擇可以在材料的沉積的同時來進(jìn)行而實現(xiàn)在熔化溫度的分離。接下來可以實現(xiàn)多材料沉積在水平方向和垂直方向的成功實現(xiàn)。多材料且在多個方向進(jìn)行成功沉積的案例給予了展示，如Ti到 Ta和 IN 718到 GRCop-42。

文章來源：Multi-material laser powder bed fusion additive manufacturing in 3-dimensions, Manufacturing Letters，Available online 24 July 2021，

In Press, Corrected Proof,https://doi.org/10.1016/j.mfglet.2021.07.011
參考資料：1，Interfacial characterisation of multi-material 316L stainless steel/Inconel 718 fabricated by laser powder bed fusion,Materials Letters,Volume 284, Part 1, 1 February 2021, 128928,https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128928
2，Multi-material selective laser melting of Fe/Al-12Si components,Manufacturing Letters,Volume 11, January 2017, Pages 8-11,https://doi.org/10.1016/j.mfglet.2017.01.002