激光粉末床熔融制備同種和異種金屬混合增材制造的最新進(jìn)展

來源： 長三角G60激光聯(lián)盟

阿聯(lián)酋哈利法科技大學(xué)的研究人員報(bào)道了激光粉末床熔融制備同種和異種金屬混合增材制造的最新進(jìn)展。相關(guān)論文以“Recent advancements in hybrid additive manufacturing of similar and dissimilar metals via laser powder bed fusion”為題發(fā)表在《Materials Science and Engineering: A》上。

重點(diǎn)：
-回顧了通過LPBF多材料和混合金屬增材制造的現(xiàn)有文獻(xiàn)。
-強(qiáng)調(diào)了同種金屬和異種金屬混合AM的復(fù)雜性對(duì)比。
-討論了混合AM零件的微觀結(jié)構(gòu)、電化學(xué)和力學(xué)特性。
-探討了混合金屬AM的應(yīng)用、局限性和未來發(fā)展方向。

增材制造（AM）是一項(xiàng)變革性技術(shù)，有助于高精度、定制化和高速度生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)。雖然傳統(tǒng)的金屬零件AM工藝傳統(tǒng)上只使用單一材料，但對(duì)由兩種或多種金屬混合制成的零件需求卻在不斷增長。本文全面回顧了使用激光粉末床熔融技術(shù)（LPBF）對(duì)金屬零件進(jìn)行多材料AM加工的最新進(jìn)展。深入分析了雙金屬LPBF零件的界面特征和性能，為了解同種金屬和異種金屬焊接過程中復(fù)雜的工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供了寶貴見解。此外，文章還探討了異種金屬混合3D打印中的固有挑戰(zhàn)，包括物理和化學(xué)性質(zhì)的實(shí)質(zhì)性差異、有害金屬間化合物的形成以及元素偏析。針對(duì)這些障礙，該研究深入探討了文獻(xiàn)中提出的各種策略，如調(diào)整工藝參數(shù)、整合第三種材料的夾層以及利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法。此外，研究還概述了混合LPBF結(jié)構(gòu)AM的應(yīng)用和未來發(fā)展方向，為這一快速發(fā)展領(lǐng)域的潛在研究提供了完整的路線圖。

圖 1.常見金屬AM工藝的分類。

圖 2.多材料結(jié)構(gòu)的分類。

圖 3.單工序多材料LPBF中的鋪粉方法。

圖 4.(a)2014年至2024年6月有關(guān)LPBF多材料金屬3D打印的出版物數(shù)量;(b)混合金屬零件的性能研究。(c)用于同種和異種金屬混合3D打印的材料組合。

圖 5.(a)顯示混合Al-Cu-Ni-Fe-Mg/AlSi10Mg零件界面區(qū)域的SEM圖，其中紅色虛線是在 AlSi10Mg第一固結(jié)層中出現(xiàn)的環(huán)流（馬蘭戈尼對(duì)流）。(b) AA2618/AlSi10Mg 混合部分界面的EBSD圖。

圖 6.(a)MS1/H13鋼的光學(xué)圖像；(b) H13/MS1鋼的BSE圖像；(c, d)CrMn/MS1鋼的光學(xué)圖像。

圖 7.（a-b）800 ℃ 熱處理4小時(shí)后鍛造基材/LPBF Ti-6Al-4V 混合零件不同放大倍數(shù)的掃描電鏡圖。(c）鍛造基材/LPBF Ti-6Al-4V 表面的光學(xué)圖像；小矩形 b、d和e分別代表 LPBF、熱影響區(qū)和鍛造區(qū)。

圖 8.激光功率和掃描速度對(duì)AlSi10Mg/Ti-6Al-4V混合材料界面質(zhì)量的影響。

圖 9.有/無銅夾層的Ti/Al多材料晶格的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和相應(yīng)的變形圖。

圖 10.LPBF 316不銹鋼/CuSn10 銅雙金屬界面的EBSD圖：（a）銅側(cè)，（b）316不銹鋼和界面區(qū)域，（c）（b）的Ⅰ區(qū)域，（d）（c）的Ⅱ區(qū)域。

圖 11.(a)鋼銅界面和(b)向鋼側(cè)延伸的界面缺陷的光學(xué)圖像。

圖 12.在316不銹鋼上混合打印CuSn10時(shí)裂紋的形成機(jī)理：（a）熔池的熔化和凝固過程，（b）凝固熔池中裂紋的形成。

圖 13.不同位置的銅鋼界面光學(xué)顯微照片：（a-c）鋼印在銅上，（c-e）銅印在鋼上。

圖 14.以不同掃描速度打印的T2銅/馬氏體時(shí)效鋼雙金屬界面。

圖 15.在三種掃描速度下制備的MS-Cu FGM樣品界面區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的CT分析

圖 16.顯示銅/鋼雙金屬界面的SEM（a）和光學(xué)顯微照（b）。

圖 17.使用不同加工參數(shù)打印的五條軌跡中鐵的EDS 圖：能量密度從(a)到(e)依次遞增:(a) 216 W, 800 mm/s (b) 162 W, 400 mm/s (c) 324 W, 800 mm/s (d) 216 W, 400 mm/s (e) 540 W, 800 mm/s。

圖 18.高溫處理后界面的BSE圖，可觀察到延性浸裂(DDC)和Laves相的存在。

圖 19.316L/W樣品在固溶熱處理前后的顯微圖。(a、d代表316L區(qū)域，（b、e）代表界面區(qū)域，（c、f）代表W區(qū)域。(a)、(b)和(c)中的圖像顯示的是熱處理前的樣品，而(d)、(e)和(f)中的圖像顯示的是熱處理后的樣品。

圖 20.通過LPBF生產(chǎn)的Ti-6Al-4V/CoCrMo混合零件的截面SEM圖。

圖 21.混合增材制造的應(yīng)用。

圖 22.與異種合金組合相關(guān)的主要挑戰(zhàn)。

圖 23.混合金屬增材制造零件的未來發(fā)展方向。

利用LPBF等技術(shù)，增材制造改變了3D零件的生產(chǎn)，提供了設(shè)計(jì)靈活性、降低了成本，并有可能用多種材料制造出復(fù)雜的3D混合零件。本文對(duì)最先進(jìn)的LPBF多材料金屬增材制造技術(shù)進(jìn)行了全面綜述，主要發(fā)現(xiàn)如下：
1.通過LPBF連接同種合金并沒有帶來獨(dú)特的挑戰(zhàn)。Al-Al、Fe-Fe 和 Ti-Ti 接頭主要表現(xiàn)出良好的冶金結(jié)合。然而，焊接鐵-鐵接頭更容易出現(xiàn)凝固裂紋。

2.通過LPBF連接異種合金面臨著重大挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)是所考慮的材料組合所特有的。連接鋁和鈦合金的主要挑戰(zhàn)是形成脆性的鋁鈦金屬間化合物，而連接銅和鋼合金的主要挑戰(zhàn)在于熱物理性能的差異和銅向鋼中的遷移，這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的開裂。相比之下，連接鋼和鎳超合金的主要挑戰(zhàn)在于晶界中的元素偏析以及隨后形成的脆性拉維斯相和碳化物。盡管如此，與焊接相比，LPBF的聚焦激光能量和即時(shí)冷卻可減少鋼-鎳超合金對(duì)的偏析程度。

3.兩種金屬合金界面上的成分梯度可通過逐漸改變成分來增強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度，降低界面上的殘余熱應(yīng)力，提高混合零件的力學(xué)性能。然而，在成分梯度中連接異種金屬合金對(duì)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閮煞N合金之間的暴露程度增加會(huì)增加有害效應(yīng)的可能性，如元素偏析、脆性金屬間相形成和液態(tài)金屬脆化。通過仔細(xì)優(yōu)化不同成分下的工藝參數(shù)，可以減少界面缺陷。
4.添加中間層或使用均勻激光分布已被證明可成功限制混合和缺陷的形成。

5.合理地選擇中間層材料可能會(huì)阻礙異種合金的混合，反而會(huì)誘發(fā)強(qiáng)化相的形成。例如，在鋁-鈦接合處添加銅夾層可阻礙脆性鋁-鈦金屬間相的形成，轉(zhuǎn)而形成強(qiáng)化銅-鋁和銅-鈦相。
6.盡管在該領(lǐng)域發(fā)表了大量論文，但對(duì)通過LPBF制造的多材料零件的剪切、腐蝕和疲勞行為仍然缺乏了解。

通過LPBF進(jìn)行混合打印具有廣泛的應(yīng)用，可分為三個(gè)主要領(lǐng)域：(i) 經(jīng)濟(jì)高效地制造復(fù)雜零件，(ii) 通過連接兩種或多種材料優(yōu)化性能和功能，以及(iii)修復(fù)受損零件。綜述文件強(qiáng)調(diào)了未來的發(fā)展方向，預(yù)計(jì)將優(yōu)先整合成分梯度以及先進(jìn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和機(jī)器學(xué)習(xí)工具，以增強(qiáng)多材料AM工藝，從而有望在各行各業(yè)實(shí)現(xiàn)重大創(chuàng)新。


論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.146833

相關(guān)鏈接：
Hybrid metal additive manufacturing: A state–of–the-art review，Advances inIndustrial and Manufacturing Engineering，doi.org/10.1016/j.aime.2021.100032