激光粉末床融合多材料增材制造的最新進(jìn)展和科學(xué)挑戰(zhàn)（1）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文綜述了多材料L-PBF的最新進(jìn)展，包括多材料粉末沉積機(jī)理、熔池行為、印刷金屬-金屬、金屬-陶瓷和金屬-聚合物多材料組分的工藝特點(diǎn)以及潛在的應(yīng)用。本文為第一部分。


多材料增材制造為制造具有定制物理性能的部件提供了新的途徑。激光粉末床熔接（L-PBF），也稱為選擇性激光熔接，是一種基于粉末床的增材制造技術(shù)。該技術(shù)具有制造具有高幾何分辨率的金屬和非金屬材料的優(yōu)勢。與上述內(nèi)容相關(guān)的一個(gè)新興領(lǐng)域是多材料L-PBF。本文綜述了該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，包括多材料粉末沉積機(jī)理、熔池行為、印刷金屬-金屬、金屬-陶瓷和金屬-聚合物多材料組分的工藝特點(diǎn)以及潛在的應(yīng)用。最后，提出了科技挑戰(zhàn)。

1、介紹
在過去二十年中，由于在生產(chǎn)高度復(fù)雜的部件時(shí)具有固有的靈活性和效率，因此，增材制造（AM）已被廣泛研究并應(yīng)用于制造技術(shù)。傳統(tǒng)AM方法僅限于制造單一材料組件；因此，他們無法在目標(biāo)區(qū)域制造具有分布式功能特性的產(chǎn)品，如高耐磨性、耐高溫性和耐腐蝕性，同時(shí)在其他零件上保持強(qiáng)度和低成本。新興的多材料AM（MMAM）技術(shù)不僅克服了上述問題，而且為新的應(yīng)用提供了更多的復(fù)雜性和功能性，例如在AM零件中嵌入防偽功能。MMAM被定義為一種AM過程，其中根據(jù)預(yù)編程代碼，至少有兩種類型的材料物理沉積在任何空間位置上。

△nScrypt 3D-300多材料打印機(jī)。

激光粉末床熔化（L-PBF），也稱為選擇性激光熔化，是一種基于粉末床的AM方法。使用粉末重涂裝置（如刀片）在粉末床上逐層攤鋪和整平薄層干粉。振鏡掃描儀引導(dǎo)聚焦激光束，并根據(jù)切片三維（3D）模型數(shù)據(jù)在預(yù)先設(shè)計(jì)的區(qū)域選擇性熔化粉末。

傳統(tǒng)的制造方法，如異種材料焊接和爆炸焊接，可以制造幾何結(jié)構(gòu)簡單的多材料零件。甚至功能梯度材料（FGM）零件也可以通過離心鑄造制造。然而，上述傳統(tǒng)制造方法無法生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀和多功能特征的零件。AM方法為設(shè)計(jì)師和制造工程師提供了一種新的加工路線，以克服上述缺陷，實(shí)現(xiàn)材料成分和功能的空間梯度變化。

目前，常用的金屬AM方法，如線弧AM（WAAM）、L-PBF和基于激光的定向能量沉積（L-DED）已被用于制造多金屬材料零件。WAAM加工的零件的表面粗糙度和尺寸精度大大低于使用粉末材料的L-DED和L-PBF。這是因?yàn)閃AAM工藝中電弧的熱輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L-DED和L-PBF工藝中小激光束光斑的熱輸入。L-PBF的加工精度優(yōu)于L-DED，因?yàn)榍罢呤褂玫姆勰┏叽�、激光光斑和層厚度小于后者。激光束光斑直徑�?0–80和1.0–4.0μm；層厚：<100μm，0.25–2 mm。因此，L-BPF中的熔池和熱影響區(qū)較小。與上述方法相比，如果激光波長合適，L-PBF的優(yōu)勢在于其在打印不同材料（如金屬、陶瓷和聚合物）的復(fù)雜零件時(shí)的高加工精度和高自由度。

△增加物理保真度，顯著改變傳熱、熔池深度和流動(dòng)。紅色假彩色對應(yīng)的溫度標(biāo)度上限為4000K，藍(lán)色為293K。紅色等高線是熔化線。粉末顆粒由向右移動(dòng)（速度1 m/s）的激光（功率150 W）照射10μs。熔體軌跡是3D模擬的2D切片（激光功率200 W，掃描速度1.5 m/s），展示了改進(jìn)的物理建模對熔體池的影響。

本文概述了通過L-PBF制備MMAM的最新進(jìn)展，包括異種粉末沉積機(jī)理、熔池行為、多材料L-PBF中使用的材料、應(yīng)用和科學(xué)/技術(shù)挑戰(zhàn)。

2 、多材料L-PBF中的材料鋪展機(jī)理
在L-PBF工藝中，未熔化的粉末被保留在粉末床中。因此，在不同的粉末層上或同一粉末層上沉積至少兩種不同類型的粉末是實(shí)現(xiàn)多材料L-PBF的技術(shù)挑戰(zhàn)。到目前為止，已經(jīng)提出了幾種材料撒布方法: 刀片式、超聲波式、電子照相式和“葉片+超聲”混合粉末撒布。這些方法的示意圖如圖1-a至圖1-d所示。

圖1 a）基于刀片的雙粉末回收器、b）基于超聲波的雙粉末分配器、c）基于電子照相的雙粉末分配器和d）“刀片”示意圖 + 用于多材料L-PBF的超聲波混合粉末撒布系統(tǒng)。

2.1. 刀片式異種粉末撒布
新加坡的研究人員（Pedersen 2013；Andriani 2014）對商用L-PBF系統(tǒng)中常用的刀片式粉末重涂裝置進(jìn)行了改進(jìn)。他們使用兩個(gè)粉末容器來儲(chǔ)存和傳播不同的粉末（圖1a），以實(shí)現(xiàn)雙金屬銅-不銹鋼（SS）L-PBF加工，僅在垂直方向上發(fā)生材料變化，如圖2-a所示。這兩種金屬具有尖銳的材料界面。兩種材料之間的突然過渡容易在界面處產(chǎn)生高應(yīng)力集中，甚至可能在復(fù)雜荷載條件下導(dǎo)致分層。

使用梯度界面和兩種材料的混合物（稱為FGM）解決了這一問題。Scaramuccia等人（2020年）通過添加原位粉末混合功能和實(shí)現(xiàn)垂直Ti6Al4的L-PBF，改進(jìn)了基于葉片的雙粉末再生水設(shè)計(jì) V/In718 FGM結(jié)構(gòu)。然而，上述基于刀片的粉末鋪展解決方案無法實(shí)現(xiàn)在同一構(gòu)建層中沉積不同粉末的目標(biāo)。為了克服這一問題，在攤鋪第二種粉末之前，應(yīng)清理建筑層中未熔化的粉末（。Lappo、Jackson和Wood（2003）介紹了真空清洗，以在粉末激光熔化后去除所有未熔化的粉末，然后利用粉末回收水來傳播第二種粉末。這種方法的缺點(diǎn)是可能會(huì)導(dǎo)致同一構(gòu)建層中不同粉末的交叉污染。Wu等人（2019）進(jìn)行了類似的研究，其中使用軟刀片清除未熔化的粉末。然而，重復(fù)刮削樣品表面可能會(huì)損壞軟葉尖，這可能會(huì)隨后使加工零件的表面變得粗糙，導(dǎo)致不同材料的界面不均勻（圖2-b）。

圖2 a） L-PBF制造的樣品，其成分從316L SS垂直轉(zhuǎn)變?yōu)殂~，b）銅/鋼塊及其橫截面上微觀結(jié)構(gòu)的不均勻材料界面，c）通過超聲波輔助粉末分配沉積的銅/鋼圖案，d）SS-Cu雙金屬圖案，e）L-PBF-printed 316L-Cu10Sn獅身人面像，f）L-PBF-Manufacted 3D 316L-Cu10Sn FGM渦輪盤樣品，g）316L玻璃吊墜樣品，h）Cu10Sn-PA11樣品。

2.2. 基于超聲波的異種粉末鋪展
超聲波是一種頻率超過20 kHz的機(jī)械波，可通過壓電或磁致伸縮振蕩器產(chǎn)生（Vock et al.2019）。超聲波可以在液體和粉末中有效傳播，其在選擇性輸送干粉末中的應(yīng)用已得到廣泛研究。用于雙粉末沉積的典型超聲波粉末分配裝置的示意圖如圖1-b所示。上述說明表明，該方法可以以均勻的進(jìn)給速度進(jìn)給粉末，精度可以達(dá)到微米級。2008年，曼徹斯特大學(xué)的研究人員展示了利用超聲波振動(dòng)將多種材料的干粉顆粒按照不同的幾何模式分配到粉末床中。他們還激光打印二維（2D）多金屬材料組件，如圖2-c所示。限制使用此方法進(jìn)行3D打印的因素是逐點(diǎn)超聲波送粉的處理效率極低。此外，該方法產(chǎn)生的粉末層厚度的均勻性需要進(jìn)一步改進(jìn)。

△Cu–H13粉末組成的陰陽八卦圖和增材制造成型后的陰陽八卦圖。

2.3. 基于電子照相的異種粉末鋪展

電子照相粉末沉積的工作原理類似于辦公激光打印機(jī)。后者使用靜電將碳粉顆粒打印到紙上，分為六個(gè)步驟：充電、曝光、顯影、轉(zhuǎn)移、定影和清潔。Benning和Dalgarno（2018）描述了一種用于單一材料L-PBF的基于皮帶的電子照相系統(tǒng)。Eijk、Mugaas和Karlsen（2014）報(bào)告了通過靜電粉末沉積法處理的雙金屬銅-鐵圖案。Aerosint SA開發(fā)了一種雙碳粉盒選擇性粉末分散裝置（圖1-c），并成功地將其用于沉積由SS-銅合金組成的復(fù)雜圖案，如圖2-d所示。該裝置的工作原理基于使用可逐點(diǎn)控制的微氣流，將粉末顆粒吸引到圓柱形網(wǎng)格上。然后，將其從網(wǎng)格上吹落并沉積在構(gòu)建平臺(tái)上，以形成設(shè)計(jì)模式。不適當(dāng)?shù)膮��?shù)可能會(huì)導(dǎo)致粉末在某些區(qū)域意外掉落，導(dǎo)致粉末層受到污染。

使用數(shù)字光投影顯微立體光刻技術(shù)（PµSL）對不同材料的多材料微尺度晶格進(jìn)行3D打�。篴）3D多材料微尺度晶格，b）PµSL設(shè)置，c）雙材料微晶格，d–g）由不同聚合物組成的各向同性微尺度晶格。

2.4. “葉片+超聲波”異種粉末的超聲混合鋪展方法
曼徹斯特大學(xué)的研究人員展示了一種新的多材料L-PBF策略，該策略集成了粉末刀片輔助的L-PBF系統(tǒng)和超聲波粉末分配器（圖1-d）。粉末刀片傳播構(gòu)成部件主要部分的粉末。超聲波輔助粉末分配器用于沉積其他類型的粉末，這些粉末占據(jù)了部件的小體積。在這兩個(gè)步驟之間，根據(jù)Glasschroeder、Prager和Zaeh（2015）描述的工作原理，使用微真空吸粉裝置去除多余的未熔化單層粉末。這種混合材料沉積被證明可以提高超聲波輔助L-PBF的粉末沉積效率。使用上述實(shí)驗(yàn)裝置制作了一組3D雙金屬316L–Cu10Sn樣品，包括獅身人面像（圖2-i），并驗(yàn)證了這種新加工策略的可行性。

為了提高超聲波粉末點(diǎn)膠的粉末流量穩(wěn)定性，Wei等人（2020）在超聲波粉末點(diǎn)膠機(jī)中添加了一個(gè)微型振動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)利用電機(jī)的徑向高頻振動(dòng)來松開粉末進(jìn)料噴嘴附近緊密堆積的粉末。為了打印FGM組件，Wei等人（2019）集成了六個(gè)超聲波粉末分配器，以形成粉末進(jìn)給陣列。這些材料用于制造具有空間FGM材料分布的316L–Cu10Sn FGM渦輪盤組件（圖2-f）。曼徹斯特大學(xué)的研究人員采用相同的實(shí)驗(yàn)裝置生產(chǎn)金屬-玻璃（圖2-g）和金屬-聚合物（圖2-h）多材料樣品。

2.5. L-PBF與其他制造方法的結(jié)合，用于印刷多種材料組件以及不同材料沉積方法的比較

L-PBF與其他AM方法的結(jié)合，如L-DED、熔融沉積建模（FDM）、激光箔印刷、立體光刻（SLA）和冷噴涂（CS），也可以產(chǎn)生多材料成分。然而，不同AM方法的集成會(huì)延長生產(chǎn)周期，嚴(yán)重限制多材料零件的設(shè)計(jì)自由度，從而降低AM技術(shù)的優(yōu)勢。此外，通過L-PBF在不同材料的基底上熔化粉末，還可以制造雙金屬樣品（由固化粉末和基底組成）。

由于粉末床中的未熔化粉末材料用作支撐材料，L-PBF可以打印復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。粉末沉積方法，包括基于超聲波和靜電的方法，基本上是基于粉末床的技術(shù)。因此，理論上，這些送粉方法可用于制造由不同材料組成的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。然而，如果材料僅選擇性地沉積在要熔化的區(qū)域，則隨著印刷部件高度的增加，重力會(huì)導(dǎo)致熔化區(qū)域輪廓附近的未熔化支撐粉末坍塌。在打印薄壁特征時(shí)，這是一個(gè)嚴(yán)重的問題，并且明確限制了新方法能夠打印的零件的幾何設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

一個(gè)簡單的解決方案是增加粉末鋪展面積，以防止粉末在印刷零件輪廓處坍塌。然而，這種方法可能會(huì)導(dǎo)致兩種未熔融載體材料粉末的交叉污染。從傳統(tǒng)的基于刀片的粉末重涂方法改進(jìn)而來的雙粉末鋪展方法是實(shí)現(xiàn)多材料L-PBF粉末鋪展機(jī)制最容易實(shí)現(xiàn)的方法。雖然它的沉積速率很高，但它只能在一個(gè)方向上制造材料變化的組件。此外，粉末可能會(huì)受到嚴(yán)重的交叉污染。超聲振動(dòng)輔助粉末沉積方法避免了上述問題；然而，其沉積效率較低。結(jié)合刀片鋪展、真空抽吸和超聲波沉積的混合方法是一種折衷的解決方案，適用于空間分配不同的粉末。粉末利用率高，因此減少了粉末的交叉污染。用于L-PBF處理3D零件的靜電粉末沉積也很有趣。此外，在混合AM工藝中，材料分布受到逐步加工方法的嚴(yán)格限制。因此，用隨機(jī)分布的材料制造三維零件是一個(gè)挑戰(zhàn)。

基于擠壓的多材料增材制造：a）傳統(tǒng)FDM；b）噴嘴中熔融熱塑性塑料與纖維的原位熔融；c）預(yù)浸漬纖維的擠出。

3 、通過建模和模擬了解多材料L-PBF中的熔池行為

勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的建模和模擬為單一材料L-PBF中復(fù)雜熔體流動(dòng)和缺陷形成機(jī)制的物理奠定了基礎(chǔ)。本節(jié)主要介紹了多材料L-PBF熔池行為建模與模擬的最新研究現(xiàn)狀。L-PBF過程的模擬可分為三類：宏觀、介觀和微觀。有限數(shù)量的研究基于多材料L-PBF建模的宏觀方法和微觀方法。這一領(lǐng)域的大多數(shù)研究都是在介觀尺度上進(jìn)行的。這些模擬通常包括兩個(gè)步驟：離散元建模（DEM）和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）建模。多材料L-PBF的典型集成DEM–CFD流如圖3所示。與單材料L-PBF建模相比，多材料L-PBF建模涉及兩種或更多材料，必須為同一粉末層上的相應(yīng)粉末顆粒指定不同的材料物理參數(shù)。

圖3 集成DEM–多軌道、多層和多材料L-PBF的CFD建�？蚣堋�

L-PBF熔池的熱力學(xué)行為相當(dāng)復(fù)雜。如圖4-a所示，Marangoni對流和反沖力是液體流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力。1982年，Heiple和Roper提出了Marangoni對流理論來描述熔池行為。他們發(fā)現(xiàn)，熔池沿線的溫差及其表面張力產(chǎn)生了一種驅(qū)動(dòng)力，該驅(qū)動(dòng)力攪動(dòng)熔池，導(dǎo)致液體循環(huán)。在多材料L-PBF工藝中，不同元素在熔池中的混合流動(dòng)可能發(fā)生在尖銳的材料界面或FGM結(jié)構(gòu)中。圖4-b顯示了經(jīng)L-PBF處理的具有類似物理性能的雙金屬尖銳材料界面的微觀結(jié)構(gòu)。圖4-c顯示了具有顯著不同物理性能的雙金屬FGM的微觀結(jié)構(gòu)。所有這兩項(xiàng)研究表明，馬蘭戈尼對流會(huì)攪動(dòng)熔池。對流產(chǎn)生的環(huán)形流動(dòng)改善了凝固區(qū)元素的分布，改善了材料的性能。首先攪拌熔池內(nèi)的元素，然后沿邊界重新分布。在Cu10Sn–Inconel718的L-PBF介觀模擬中也觀察到Marangoni對流誘導(dǎo)的元素重排，如圖4-d所示。

圖4 a） L-PBF中的物理現(xiàn)象，b）電子背散射衍射（EBSD）圖和放大EBSD圖，呈現(xiàn)由L-PBF處理的316L–H13界面處的環(huán)形流，c）由L-PBF處理的Cu10Sn–Invar36 FGM中的Marangoni對流誘導(dǎo)的環(huán)形流，d）熔池動(dòng)力學(xué)的縱向和橫向截面，包括流體速度、成分分布和溫度場，以及e）激光熔煉期間不同Cu10Sn–Inconel718混合粉末床的溫度分布。

在L-PBF期間，粉末材料的熱物理性質(zhì)和激光吸收率顯著影響熔池的大小。高導(dǎo)熱銅合金和高熔點(diǎn)鐵鎳合金的材料組合在多材料L-PBF中得到了很好的研究。這種材料組合可以實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱性、高工作溫度和高耐腐蝕性。因此，它在航空航天行業(yè)有潛在的應(yīng)用�；�于耦合DEM–CFD建模框架的Cu–Ni/SS FGM介觀數(shù)值模擬表明，隨著FGM中銅合金含量的增加，多材料L-PBF中熔池的直徑、深度和溫度顯著降低，如圖4-e所示。對Cu10Sn–Invar36的L-PBF的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了這一現(xiàn)象。銅合金具有較低的激光吸收和較高的熱導(dǎo)率；因此，增加FGM中的銅合金含量會(huì)降低粉末層的激光輻射吸收。

來源：Recent progress and scientific challenges in multi-material additive manufacturing via laser-based powder bed fusion, Virtual and Physical Prototyping，DOI: 10.1080/17452759.2021.1928520

參考文獻(xiàn)：“The Microstructure and Mechanical Properties of Selectively Laser Melted AlSi10Mg: The Effect of a Conventional T6-Like Heat Treatment.” Materials Science and Engineering A 667: 139–146. doi:10.1016/j.msea.2016.04.092.