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)（2）

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。本文為第二部分。


4，多材料L-PBF調(diào)查中的材料和工藝特征
L-PBF中使用的金屬粉末材料包括SS、鐵基合金（SS除外）、鋁合金、鈦合金、鈷基合金、銅合金、鎳基合金和其他材料。還研究了陶瓷、玻璃和聚合物的L-PBF。研究人員將鋁、銅、不銹鋼、鈦、鐵合金與其他材料相結(jié)合，以研究經(jīng)L-PBF處理的復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。與通常制備功能梯度材料的多材料L-DED研究相比，多材料L-PBF的研究通常直接結(jié)合兩種不同的材料，而不是采用功能梯度材料的過渡結(jié)構(gòu)。這是由于在L-PBF中分散多種材料粉末的技術(shù)難度。

不同研究小組闡述的粉末特性、散裝粉末行為、過程中粉末性能和最終制造零件質(zhì)量之間關(guān)系的可視化。

尖銳的材料界面可能會(huì)導(dǎo)致問題，例如裂紋或脆化，這通常是由于兩種材料中的元素缺乏溶解性、晶格結(jié)構(gòu)不匹配、熱膨脹變化以及熱力學(xué)穩(wěn)定的脆性金屬間相的形成。相比之下，F(xiàn)GM結(jié)構(gòu)的材料組成逐漸改變，消除了明顯的材料邊界。這減少了裂紋敏感區(qū)域的殘余熱應(yīng)力集中，從而避免了裂紋擴(kuò)展和材料分層。因此，F(xiàn)GM結(jié)構(gòu)比鋒利的材料界面更堅(jiān)固，疲勞壽命更長。曼徹斯特大學(xué)的研究人員展示了一種超聲波輔助L-PBF加工策略，該策略可以通過L-PBF工藝制造FGM。

4.1. 含鋁雙金屬的L-PBF

Wang等人（2020年）利用L-PBF制備了具有良好冶金結(jié)合的雙金屬樣品，該樣品由兩種鋁合金al–12Si和al–Cu–Mg–Si組成。界面區(qū)出現(xiàn)的Al2Cu相中斷了低硬度共晶Al–Si的顯微組織。對(duì)AlSi10Mg–C18400的L-PBF的研究發(fā)現(xiàn)，Al2Cu是由al和Cu元素?cái)U(kuò)散產(chǎn)生的。由于L-PBF引起的晶粒細(xì)化，這兩個(gè)研究中的雙金屬樣品的拉伸強(qiáng)度和延伸率高于某些賤金屬。斷裂發(fā)生在基材上，而不是在材料界面上。Nguyen、Park和Lee（2019）報(bào)告稱，金屬間化合物層厚度會(huì)影響Fe和Al的結(jié)合強(qiáng)度，也就是說，膜越厚，結(jié)合強(qiáng)度越低。金屬間化合物層的厚度隨激光能量密度的增加而增加。

選擇性激光熔化(SLM)印刷工藝。

在多材料L-PBF中，材料直接熔化，不可避免地產(chǎn)生金屬間化合物。另一方面，CS可以在各種基底上沉積金屬、金屬基復(fù)合材料和陶瓷而不熔化，從而避免了材料熔化在底層基底中造成的殘余應(yīng)力、相變、裂紋和熱效應(yīng)。Yin et al.(2018)在L-PBF加工的Ti6Al4V零件上通過CS沉積Al + Al2O3。如圖5-a所示，材料界面未發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖5a) L-PBF + CS制備的al - ti6al4v雙金屬樣品及其界面顯微組織，b)手指交叉互鎖結(jié)構(gòu)的316L-Cu10Sn雙金屬樣品及其材料界面顯微組織，c)有和沒有粉末壓縮的熔融粉末層對(duì)比，d)水平316L-Cu10Sn FGM樣品及其不同成分區(qū)顯微組織，e) 316L-C18400界面上的微裂紋， f) 316L-Cu10Sn界面上的微裂紋， g)熔融Invar36-Cu10Sn粉末層的分層， h) W-Cu界面微觀結(jié)構(gòu)， i) SS-PET界面上的微觀界面結(jié)構(gòu)， j) Cu10Sn-PA11 FGM截面的微觀結(jié)構(gòu)，k) Cu10Sn -玻璃FGM截面的微觀結(jié)構(gòu)。

4.2. 含銅雙金屬（Cu–SS）的L-PBF

Wei等人（2018）設(shè)計(jì)了一種微型橫向指狀交叉結(jié)構(gòu)，以增加316L–Cu10Sn樣品的材料接觸面積（圖5-b），從而提高界面結(jié)合強(qiáng)度。作者在Cu10Sn區(qū)發(fā)現(xiàn)了孔隙和裂縫（圖5-b）。這是因?yàn)閺某�聲波粉末分配器噴嘴排出的粉末在沒有外部壓實(shí)力的情況下自由落在粉末床上，導(dǎo)致粉末層松散且多孔。施加外力壓縮超聲波沉積粉末層可有效降低孔隙率（圖5-c）。Wei等人（2019）采用超聲波粉末點(diǎn)膠方法制備了一個(gè)水平316L–Cu10Sn FGM樣品（圖5-d），這很難使用傳統(tǒng)的L-DED和L-PBF制造。盡管兩種粉末的成分比例不同，但它們之間的冶金結(jié)合仍然令人滿意（圖5-d）；然而，據(jù)報(bào)道，具有高熔點(diǎn)的316L粉末可能缺乏熔合。這一現(xiàn)象的原因與導(dǎo)致Cu–Fe的L-PBF中未熔合的原因相同。

在316 L/CuSn10復(fù)合材料界面處進(jìn)行EDS分析。

一些研究人員研究了L-PBF處理的316L–C18400–Cu10Sn樣品的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。結(jié)果表明，雙金屬的拉伸強(qiáng)度和延伸率介于兩種母材之間。雙金屬試樣的橫截面微觀結(jié)構(gòu)在材料界面處有元素?cái)U(kuò)散區(qū)，這有助于提高結(jié)合強(qiáng)度。值得注意的是，這些研究發(fā)現(xiàn)，在L-PBF制造的零件中沒有形成脆性金屬間相。相比之下，在316L側(cè)的材料界面（圖5-e和-f）上觀察到微裂紋，但在銅合金側(cè)未觀察到微裂紋。這被認(rèn)為是一種典型的液態(tài)金屬脆化（LME）缺陷，其原因是固體金屬在接觸特定液態(tài)金屬后失去延展性并隨后脆化。在焊接異種金屬的研究中，對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。

4.3. 含銅雙金屬（Cu–Fe）的L-PBF

許多研究人員已經(jīng)研究了Cu–H13的L-PBF。報(bào)道了Cu和Fe的良好互擴(kuò)散。觀察到Cu-H13樣品的拉伸強(qiáng)度介于Cu和H13之間。在凝固過程中，由于熱應(yīng)力和快速冷卻，觀察到裂紋。Anstaett 等（2017）報(bào)告說，銅合金和工具鋼的沉積順序影響了兩者之間熱膨脹失配導(dǎo)致的裂紋形成。

Sun、Chueh和Li（2020）對(duì)Ni–Cu的L-PBF進(jìn)行的數(shù)值模擬表明，高熔點(diǎn)鎳合金粉末無法達(dá)到其熔化溫度；將未熔化的鎳合金粉末與低熔點(diǎn)的液態(tài)銅合金混合；然而，他們沒有提供進(jìn)一步的理論分析來驗(yàn)證這項(xiàng)工作。在對(duì)銅-鎢的L-PBF的研究中，報(bào)告了一個(gè)類似的現(xiàn)象：高熔點(diǎn)鎢顆粒落入熔池中，未熔化。在L-PBF期間，入射激光束的大部分能量被層表面的粉末吸收，而底層的粉末僅吸收極少量能量。通過對(duì)雙金屬因瓦36–Cu10Sn的L-PBF的研究，證實(shí)了這一現(xiàn)象。正如所觀察到的，最初能夠熔化高熔點(diǎn)純金屬（因瓦36）的能量密度無法熔化因瓦36–Cu10Sn混合物。固化粉末層顯示出明顯的分層（圖5-g）。銅合金完全熔化，高熔點(diǎn)因瓦36顆粒在粉末層頂部熔化。

(a) Fe和(b) Ni在界面區(qū)域的EDX圖。

此外，將Cu10Sn粉末屏蔽的未熔化因瓦36嵌入熔化的Cu10Sn中。作者報(bào)道，這是由于銅合金具有較高的熱導(dǎo)率以及較低的激光吸收率和熔點(diǎn)。當(dāng)銅粉部分覆蓋粉末層的上表面時(shí)，它會(huì)顯著反射激光束。然而，由于銅具有很高的導(dǎo)熱性，吸收的能量很快就消散了。因此，位于銅粉下方的因瓦36粉末無法獲得足夠的能量來熔化。這個(gè)問題可以通過增加能量密度來解決。

4.4. SS雙金屬的L-PBF
Mohd Yusuf等人（2021）使用L-PBF制造316 L–In718雙金屬樣品。試樣的孔隙率低，無裂紋，材料界面表現(xiàn)出良好的冶金結(jié)合。固態(tài)和熔融態(tài)的兩種合金晶體結(jié)構(gòu)具有相同的單面中心立方晶體結(jié)構(gòu)，不存在同素異形相變。這兩種合金的主要成分，包括Fe、Cr和Ni，具有令人滿意的溶解度。這三個(gè)因素使L-PBF適合加工鎳-不銹鋼FGM。Hengsbach等（2018）報(bào)告稱，Marangoni對(duì)流效應(yīng)決定了316L–H13雙金屬在L-PBF期間熔融316L–H13混合物微觀結(jié)構(gòu)的凝固。

顯微圖(a)是在316L SS襯底上制備的IN718的反極圖(IPF)彩色圖，在(b)和(c)分別有極圖和反極圖。在[001]方向上制備出大的柱狀晶粒和強(qiáng)的織構(gòu)。顯微圖(d)是IN718和316L SS襯底之間接頭界面的IPF彩色圖。a)和d)標(biāo)記為500 μm。

Ti6Al4 V和316l中的Ti和Fe元素分別在激光熔化過程中合成有害的脆性金屬間相，如TiFe和TiFe2，從而降低結(jié)合強(qiáng)度和裂紋。因此，Tey等人(2020)提出了L-PBF制備的Ti6Al4 V/316L雙金屬樣品，具有0.5 mm CuA銅合金中間層。他們發(fā)現(xiàn)，Ti6Al4V-CuA界面中含有三種有害相(即L21有序相、非晶態(tài)相和Ti2Cu)是影響整個(gè)組件機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)鍵界面。熔池的非均勻性導(dǎo)致在相對(duì)脆性的基體中形成強(qiáng)硬的強(qiáng)化相，從而控制了激光能量輸入。這有助于增加相對(duì)強(qiáng)硬的界面α-Ti相的比例和減少其他脆性相。

4.5. 鈦合金雙金屬的L-PBF
Ti5Al2.5Sn和Ti6Al4 V具有令人滿意的抗氧化性以及良好的冶金兼容性和焊接性；因此，它們可以通過激光焊接等焊接方法輕松連接。Wei等人（2020）證明，L-PBF也適用于加工由這兩種材料組成的復(fù)雜零件。Ti5Al2.5Sn和Ti6Al4之間的窄無缺陷冶金結(jié)合界面 觀察到元素相互擴(kuò)散的V層。界面結(jié)合強(qiáng)度超過Ti5Al2.5Sn層。

Ti6Al4中的Ti和Ni元素 V和In718分別在冶金上不相容，并產(chǎn)生脆性金屬間相，如TiNi3和Ti2Ni。Scaramuccia等人（2020年）報(bào)告稱，當(dāng)In718含量超過20%時(shí)，在L-PBF制造的Ti6Al4V–In718 FGM中廣泛觀察到Ti2Ni引起的裂紋 重量百分比（%）。

4.6. 金屬-聚合物組件的L-PBF
Chueh等人（2020年）結(jié)合了兩種AM方法，即L-PPF和FDM，用于加工金屬聚合物（SS-PET）零件。特殊設(shè)計(jì)的聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)（圖5-i）允許PET與SS形成聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)。SS–PET接頭表現(xiàn)出令人滿意的剪切和拉伸強(qiáng)度。在另一項(xiàng)研究中，Chueh等人（2020年）設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的雙振動(dòng)粉末沉積裝置，用于分配輕質(zhì)低流動(dòng)性聚合物粉末（PA11）。使用該設(shè)備，他們成功地制造了Cu10Sn–PA11 FGM樣品（圖5-j），并進(jìn)一步研究了激光熔融過程中金屬和聚合物之間的相互作用（Chueh，Zhang，et al.2020）。他們指出，由于這兩種材料的熔點(diǎn)存在顯著差異，在設(shè)計(jì)金屬-聚合物零件時(shí)必須避免這兩種材料的直接接觸，以防止聚合物因金屬的高熔點(diǎn)而蒸發(fā)。他們還發(fā)現(xiàn)，在Cu10Sn粉末中添加少量PA11（5 vol%）可顯著改善L-PBF處理的Cu10Sn的表面質(zhì)量。

4.7. 金屬陶瓷/玻璃組件的L-PBF
金屬-陶瓷復(fù)合材料可以顯著提高零件的表面硬度、耐磨性、化學(xué)惰性和溫度穩(wěn)定性。Trenke、Müller和Rolshofen（2006）提出了L-PBF過程中三種可能的金屬-陶瓷粉末組合：層狀金屬-陶瓷、金屬-陶瓷粉末復(fù)合材料和熔融金屬層上的陶瓷涂層，這些都可以通過L-PBF生產(chǎn)。Koopmann、Voigt和Niendorf（2019）發(fā)現(xiàn)熔融陶瓷無法完全粘結(jié)到鋼表面。然而，采用重熔策略后，粘結(jié)強(qiáng)度提高，從而在金屬-陶瓷界面形成鋸齒狀互鎖微觀結(jié)構(gòu)。

硼化物增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料是一種很有前途的航空航天材料。例如，成分分級(jí)渦輪葉片的AM采用此類材料。TiB相的形成源于Ti和TiB2之間的原位反應(yīng)，該反應(yīng)由高功率激光照射觸發(fā)。Shishkovsky、Kakovkina和Sherbakov（2017）的一項(xiàng)類似研究也報(bào)告了這種現(xiàn)象。

Zhang等人（2019）提出了L-PBF制造的金屬-蘇打-石灰玻璃吊墜，并在材料界面實(shí)現(xiàn)了令人滿意的機(jī)械粘合。作者還報(bào)告了缺陷，包括熱影響區(qū)（HAZ）中的玻璃顆粒熔化不足以及熔融玻璃層中的裂紋。在另一項(xiàng)調(diào)查中，展示了金屬-玻璃FGM樣品。這些樣品的橫截面如圖5k所示。材料界面未觀察到元素?cái)U(kuò)散，斷裂發(fā)生在靠近陶瓷基復(fù)合材料區(qū)的界面處。

激光熔化后每個(gè)粉末比率的垂直梯度結(jié)構(gòu)和表面視圖示意圖，（a）金屬相，（b）15%玻璃（MMC），（c）35%玻璃（過渡相），（d）65%玻璃（CMC），（e）玻璃相，（f）銅合金和玻璃之間的界面，無FGM。

無論材料性能是否兼容，在L-PBF中處理的兩種材料之間的界面通常表現(xiàn)出令人滿意的冶金結(jié)合。值得注意的是，對(duì)于雙金屬L-PBF，如果兩種金屬的晶格參數(shù)不匹配、元素不相容或熔點(diǎn)相差很大，則很容易出現(xiàn)缺陷（包括金屬間相、LME、微裂紋和未熔合）。

5 多材料L-PBF的討論和挑戰(zhàn)

5.1. 材料科學(xué)挑戰(zhàn)
雖然L-PBF可用于制造bi材料和FGM結(jié)構(gòu)，但它在材料科學(xué)方面仍面臨挑戰(zhàn)，包括了解脆性金屬間相形成、LME、未熔合和元素偏析現(xiàn)象。如果兩種材料的晶格不匹配，元素缺乏溶解性，或者兩種材料的熔點(diǎn)和密度相差很大，則可能會(huì)出現(xiàn)這些缺陷。下面討論這些缺陷的形成機(jī)制和解決方案。

5.1.1. 脆性金屬間相

在L-PBF中異種金屬的熔化過程中，金屬中的元素按照一定數(shù)量的原子進(jìn)行擴(kuò)散和結(jié)合。這可能導(dǎo)致新相（即金屬間相），其晶格類型與母材完全不同。如果組成合金的元素的電子層結(jié)構(gòu)、原子半徑和晶體類型相對(duì)不同，則很容易形成這種新相。這些金屬間相通常相當(dāng)脆，并且具有高硬度值和熔點(diǎn)，這會(huì)在凝固部件中產(chǎn)生缺陷，例如裂紋�？梢詰�(yīng)用三種技術(shù)來克服金屬間相引起的問題。

（1）相圖計(jì)算（CALPHAD）

對(duì)無機(jī)材料的物理性質(zhì)有相當(dāng)大影響的一個(gè)重要特征是相。相圖由實(shí)驗(yàn)測(cè)量和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)分析組成，為理解材料在不同溫度和成分下的特性提供了基本信息�；�于實(shí)驗(yàn)和熱力學(xué)分析的相圖計(jì)算通常被稱為CALPHAD，Kaufman和Bernstein首先介紹了CALPHAD。

CALPHAD方法根據(jù)每個(gè)組分相（即氣相、液相、固溶體和化合物）的晶體結(jié)構(gòu)建立熱力學(xué)模型。通過評(píng)估和篩選多材料系統(tǒng)在一定溫度和壓力下的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)，可以確定材料系統(tǒng)中各相的吉布斯自由能。在此步驟中，必須對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行擬合和優(yōu)化。最后，使用CALPHAD建立了多組分材料系統(tǒng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。圖6顯示了CALPHAD方法的流程。CALPHAD是一種有用的熱力學(xué)計(jì)算方法，可用于確定多組分系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)。此外，它也是材料動(dòng)力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)演化模擬的熱力學(xué)基礎(chǔ)。因此，CALPHAD方法被廣泛用于新材料和新工藝的研發(fā)。

圖6 CALPHAD流程圖（Xu et al.2016）。

CALPHAD方法是一種有用的技術(shù)，用于顯示梯度金屬材料L-DED和L-PBF制造凝固階段金屬間相的驅(qū)動(dòng)力、沉淀成核動(dòng)力學(xué)和溶質(zhì)偏析/分配。正確選擇相平衡計(jì)算（Bobbio，Otis，Paul，et al.2017）或非平衡熱力學(xué)計(jì)算（Liu et al.2020）可以為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)L-DED中FGM的相形成提供關(guān)鍵信息。該方法在功能梯度材料L-DED的研究中得到了廣泛應(yīng)用，值得在多材料L-PBF的研究中應(yīng)用。金屬間相的形成與材料的組成比直接相關(guān)。因此，在功能梯度材料中，可以根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果人工設(shè)計(jì)材料A到B的過渡路徑。這使得跳過產(chǎn)生金屬間相的材料比范圍成為可能，從而從根本上避免產(chǎn)生這些有害相（Reichardt 2017）。冷卻速度對(duì)FGM AM期間的相變和晶粒生長有重要影響（Bobbio、Otis、Paul等，2017）。因此，可以使用CALPHAD方法根據(jù)相圖預(yù)測(cè)加工過程中的相形成，并且可以將加工溫度控制在理想范圍內(nèi)，以避免出現(xiàn)第二相（Bobbio et al.2018）。

CALPHAD流程圖。

（2）在兩種基材之間添加過渡層

脆性金屬間相問題的另一個(gè)實(shí)際解決方案是添加過渡層，過渡層由與兩種基材相關(guān)的具有良好冶金兼容性的元素組成。過渡層防止兩種基材之間的直接接觸，從而最終阻止金屬間化合物的形成。

（3）增加材料延展性的第三種金屬元素

在多材料L-PBF工藝中加入少量第三種金屬元素是提高金屬間相延展性的潛在解決方案。例如，通過添加0.02–0.05 對(duì)于脆性多晶Ni3Al，Ni3Al的室溫拉伸伸長率可從約0–40%–50%增加。通過用Ni和Fe部分替換Co3V金屬間相中的Co，Co3V的晶格可以從非塑性六角形結(jié)構(gòu)（D019）轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄悦嫘牧⒎浇Y(jié)構(gòu)（L12）。

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.