通過激光粉末床熔合技術(shù)實現(xiàn)多材料界面結(jié)合強(qiáng)度的增強(qiáng)

南極熊導(dǎo)讀：隨著汽車行業(yè)對降低能耗的需求日益增長，汽車輕量化已成為關(guān)鍵趨勢。鋁合金以低密度特性成為實現(xiàn)輕量化的重要材料，但單一材料難以滿足汽車零部件的多樣化需求。因此，結(jié)合鋼鐵和鋁合金的多材料的3D打印零部件，展現(xiàn)了在汽車領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

△研究人員采用高性能多材料3D打印技術(shù)制造的輕量化懸架塔汽車零部件

2024年12月18日，南極熊獲悉，日本東北大學(xué)(Tohoku University)材料研究中心與新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造孵化中心的研究團(tuán)隊，已在多材料3D打印技術(shù)領(lǐng)域取得新的進(jìn)展。通過激光粉末床熔合（LPBF）技術(shù)制造輕質(zhì)且耐用汽車零件，為汽車制造業(yè)帶來了新的可能性。

△研究成果已發(fā)在《增材制造》雜志，題目為“通過控制激光束粉末床熔合中的液/固界面實現(xiàn)鋼/鋁合金多材料增材制造”（傳送門）

多材料3D打印技術(shù)憑借其在制造過程中的獨特靈活性，已成為增材制造領(lǐng)域備受關(guān)注的焦點。然而，該技術(shù)在實際應(yīng)用中面臨挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)涉及到不同金屬材料組合時，例如鋼和鋁。這些金屬界面容易形成脆性金屬間化合物，導(dǎo)致材料雖然變得更輕，但強(qiáng)度卻有所下降。

△使用不同掃描速度下的L-PBF獲得的鋼/鋁合金界面

輕質(zhì)高強(qiáng)度鋼鋁合金的多材料3D打印技術(shù)

這項研究的目的是生產(chǎn)一種重量輕但不影響強(qiáng)度的鋼鋁合金。為此，研究團(tuán)隊采用了激光粉末床熔合（LPBF）技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)通過提高激光掃描速度，可以顯著減少脆性金屬間化合物（例如Al5Fe2和Al13Fe4）的形成。研究者提出，高速掃描引發(fā)的非平衡凝固過程有助于最小化溶質(zhì)分配，從而降低材料弱點的產(chǎn)生。結(jié)果，最終產(chǎn)品展現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)合界面強(qiáng)度。

東北大學(xué)特聘助理教授Seungkyun Yim強(qiáng)調(diào)：“簡單地將兩種金屬并置并不能保證它們能夠自發(fā)地結(jié)合。我們必須深入理解原位合金化的過程。”

△使用不同掃描速度下的L-PBF獲得的鋼/鋁合金多材料界面強(qiáng)度

依托于這一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊成功制造出了他們認(rèn)為是世界上首個采用定制幾何形狀的全尺寸汽車多材料部件——懸架塔的原型。該研究小組計劃將這些研究成果擴(kuò)展至其它需要解決類似金屬粘合問題的材料組合，以實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

這項研究不僅為多材料3D打印技術(shù)的應(yīng)用開辟了新的道路，也為汽車制造業(yè)的輕量化和性能提升提供了新的解決方案。隨著多材料3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，預(yù)計未來將有更多高性能、輕質(zhì)化的零件被應(yīng)用到汽車及其它工業(yè)領(lǐng)域。