《Composites Part B》綜述：激光增材制造中的原位合金化調(diào)控

來源：AMLetters

增材制造（AM）作為一種革命性的技術(shù)，在航空航天、汽車、國防及生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)中展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)制造方式相比，AM不僅具有按需定制、經(jīng)濟(jì)高效生產(chǎn)復(fù)雜近凈形狀部件和減少工具周期時(shí)間的優(yōu)勢，還能顯著提高生產(chǎn)靈活性。然而，AM一直依賴預(yù)合金化粉末作為原料，限制了其在合金成分開發(fā)上的潛力。為了解決這一問題，原位合金化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它通過在打印過程中將元素粉末進(jìn)行混合和均勻化，為合金的微觀結(jié)構(gòu)和成分提供了前所未有的控制手段。

粉末制備是粉末基礎(chǔ)增材制造的基礎(chǔ)步驟，對打印過程中最終產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。特別是在激光粉末床熔化（LPBF）技術(shù)中，球形粉末因其優(yōu)異的流動(dòng)性和均勻的堆積性能而成為首選。盡管使用高質(zhì)量的預(yù)合金化粉末可以提高打印精度，但其高昂的成本限制了合金設(shè)計(jì)的自由度。為了解決這一問題，研究人員開始利用激光平臺(tái)中的原位合金化技術(shù)，通過混合單一元素粉末，克服了預(yù)合金化粉末的必要性，從而拓寬了合金設(shè)計(jì)的邊界。然而，要在熔融狀態(tài)和成形狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)合金的均勻性仍面臨挑戰(zhàn)。

奧克蘭大學(xué)曹鵬團(tuán)隊(duì)深入探討了通過增材制造技術(shù)進(jìn)行金屬合金設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展，特別是通過粉末工程和先進(jìn)計(jì)算建模的結(jié)合，如何優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。文章詳細(xì)介紹了粉末準(zhǔn)備的預(yù)處理策略、原位合金化過程中固化控制的內(nèi)部和外部方法，以及如何通過優(yōu)化工藝參數(shù)和計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)化學(xué)均勻性。通過對這些先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)梳理，本文為推動(dòng)多金屬激光增材制造技術(shù)的發(fā)展提供了戰(zhàn)略框架，并指出了當(dāng)前技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未來的研究方向。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112443

圖 1.添加不同量 TiC 的 AA5024 的光鏡圖像：（a） 0%、（b） 1 wt.%、（c） 3 wt.%和（d） 5 wt.%

圖 2.激光增材制造鋁基合金和高熵合金的最新研究總結(jié)：不同添加量量對 AlSi10Mg 的影響 （a） – （c） 粉末混合物形態(tài)，（d） – （f） 粉末形態(tài)，（g）-（l） 打印缺陷。（m） Ti–12Mo 樣品的 BSE 圖像，（n） 熔池邊界點(diǎn)綴的高倍率 BSE 圖像，（o） Ti 的 EDS 映射，（p） Ti 的 EPMA 映射，（q） Mo 的 EDS 映射，（r） Mo 的 EPMA 映射。（s） 非球形 HDH-Ti 粉末、（t） 球磨 HDH-Ti 粉末的 LPBF 示意圖;（u） 通過 LPBF 制備的 CoCrFeMnNi HEA 中氧化物顆粒與滑移帶相交的 TEM 明場圖像，（v） 帶有 SAD 圖案的 TEM 暗場圖像揭示了基體中的 MnO 顆粒

圖3.使用衛(wèi)星化和化學(xué)鍍的粉末改性方法對基于激光的AM制造的Ti基合金的最新研究總結(jié):(a) LPBF使用各種粉末原料制備方法制造Ti6Al4V，對應(yīng)于在孔隙率、偏析和不均勻性方面觀察到的趨勢[6]。(b) (e) (h) (k)具有通過化學(xué)鍍涂覆的不同重量% Ni的Ti@Ni復(fù)合粉末的SEM圖像。(c) (f) (i) (l)是使用Ti@Ni復(fù)合粉末的打印成形樣品的SEM顯微結(jié)構(gòu)，而(c1) (f1) (i1) (l1)是相應(yīng)的放大圖。(d) (j) (m)是對應(yīng)于(c) (i) (l)的SEM圖像的EBSD反極圖(IPF ),( D1)是(d)的相應(yīng)放大圖。(g) (g1) (g2)是拉伸的3D打印樣品。(g3)是Ti-0.4Ni [36]的SEM斷口形貌。

圖4.使用CVD和靜電自組裝的粉末改性方法對基于激光的AM制造的鋁基合金、CoCrMo和不銹鋼基材料的最新研究總結(jié):具有各種納米顆粒附著的各種粉末原料的SEM圖像(a) Al7075 + TiB2，(b) Ti6Al4V + ZrH2，(c) Al7075 + WC，(d) AlSi10Mg + WCs，(e) Fe粉末+ TiC，(f)晶格匹配的成核劑的示意圖。(g)通過FBCVD涂覆有CNT的Ti6Al4V粉末的SEM圖像。(h )( g)中標(biāo)記區(qū)域的放大圖。(CNT的高倍放大圖像，顯示了封裝在管內(nèi)的納米顆粒催化劑的存在。(j)從復(fù)合粉末中提取的典型CNT的HRTEM分析。

圖5.含各種合金元素的Ti基合金原位合金化的微觀結(jié)構(gòu)觀察:(a)pre-β邊界附近的超細(xì)片狀共析和過共析Ti2Cu顆粒。(b)板條內(nèi)的貧銅區(qū)域，而富銅區(qū)域突出了Ti2Cu顆粒。(c) BSE圖像顯示了打印成形的Ti64-(4.5%)316L的熔巖狀微觀結(jié)構(gòu)。(d)放大的BSE圖像顯示了針狀α′馬氏體和超細(xì)β晶粒共存的熔巖狀異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。(e)細(xì)針狀α′的透射電鏡。超細(xì)孿晶結(jié)構(gòu)的透射電鏡。(g)和(h)是打印成形Ti64-(4.5%)316L的EBSD圖像。

圖6.具有各種合金元素的鈦基合金的原位合金化的顯微結(jié)構(gòu)觀察:(a)具有各種成分的打印成形鈦氧鐵合金的EBSD圖像。(b)不同成分的打印成形鈦氧鐵合金的BSE圖像。(c)設(shè)計(jì)建造的Ti6Al4V的STEM-EDS繪圖。(d)設(shè)計(jì)建造的UTM合金的STEM-EDS繪圖。(e)設(shè)計(jì)制造的Ti6Al4V的相圖，(f)設(shè)計(jì)制造的UTM合金的相圖。

圖7. (a)不同硅含量為0 wt%, 1 wt%, 2 wt%, 3 wt%和4 wt%的打印成形鋁硅合金的EBSD IPF圖。(b)從α-Al電池獲得的制造合金的TEM高角度環(huán)形暗場(HADDF)圖像和EDX映射。(c)應(yīng)力消除退火后從α-Al電池獲得的合金的TEM高角度環(huán)形暗場(HADDF)圖像和EDX映射。(d)二元鋁合金中的平均晶粒尺寸是Q值的函數(shù)。(e)具有不同石墨烯(Gr)含量的AlSi12的EBSD圖。

圖8.使用各種孕育劑的鈦基合金、鋁基合金和不銹鋼原位合金的微觀結(jié)構(gòu)觀察總結(jié):(a)Ti6Al4v、Ti6Al4V+B和Ti6Al4V+LaB6的SEM圖像。(SLMed納米TiB2修飾的AlSi10Mg樣品(NTD-鋁)中細(xì)胞的干細(xì)胞HAADF圖像以及鋁、硅、鎂、鈦和硼的相應(yīng)EDX圖譜。(TiB2強(qiáng)化316L不銹鋼的EBSD圖像。

圖9.用TiC孕育劑原位合金化不銹鋼的顯微組織觀察:(a)不同TiC含量的15-5PH/TiC金屬基復(fù)合材料的SEM圖像。(b)15-5PH/TiC MMCs的EDS繪圖。

圖10.MMAM使用非原位控制方法實(shí)現(xiàn)CET和晶粒細(xì)化的總結(jié):(a)使用NiCr中間層的Ti6Al4V + SS410的橫截面SEM圖像。(Inconel 718和Ti6Al4V制造的雙金屬結(jié)構(gòu)中界面處的EDS映射。(c)梯度材料Ti-Ta結(jié)構(gòu)。(d)改進(jìn)的GPA機(jī)和分級材料。(e)ti 6 al 4v的反極圖，說明超聲波振動(dòng)如何影響晶粒細(xì)化和CET。(f)顯示超聲波振動(dòng)效果的熔池示意圖。

圖11.在MMAM使用動(dòng)力學(xué)建模控制相變概述:(a)和(b)顯示了兩個(gè)等距視圖，顯示了LDED中的3D溫度場和速度場。(c)-(g)in 718 WAAM樣品熱歷史的FEM熱模型。和(h)-(m)表示基于熱歷史通過JAMK方法計(jì)算的IN718超合金WAAM的中間截面上的相分布。

圖12.使用相場模型預(yù)測固態(tài)相變的概述:(a)和(b)受工藝變量影響的熔池幾何形狀。(a)水平切片和(b)縱向切片。和(c)至(e)顯示了不同冷卻速率下的α + β微觀結(jié)構(gòu)。(c) 5攝氏度/秒，(d) 10攝氏度/秒，(e) 20攝氏度/秒。(f)使用FVM模式的單一軌道。紅色矩形高亮顯示中心平面。(g)從熱流體模擬(左)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果(右)獲得的橫截面的比較，熔化的用紅色表示。(h)中心平面的溫度梯度場。(I)中心平面處的冷卻速率場(j)凝固熔池區(qū)域1、2和3中的微觀結(jié)構(gòu)的放大圖。從(k)區(qū)域1的頂部觀察到的受激枝晶結(jié)構(gòu)；(l)第二區(qū)；(m)第三區(qū)。(n)-(q)顯示了AlSi10Mg LPBF過程CA模擬，用于分析不同部分的熔合邊界成核。(n)寬度中部的橫向(TD)截面；(o)–(q)在(n)中描述的不同建造方向(BD)部分。

圖13.MMAM利用模型控制缺陷綜述。(a)-(e)顯示了不同陰影間距下相鄰軌道的模擬結(jié)果。(f)-(i)是具有不同組成和激光功率(50微米層厚度)的第二掃描層的橫截面，(f)和(I)顯示由低體積能量密度引起的不連續(xù)軌跡，導(dǎo)致成球效應(yīng)、未熔合和孔隙，(g)和(h)用較高VED形成的連續(xù)軌跡。(j)-(m)顯示了具有不同激光功率的Ti25Nb10Ta的頂表面形貌:(j)180W；230W；(l) 280W和(m) 330W。(n)至(r)顯示了說明熔池和小孔形成的時(shí)間快照。

圖14.總結(jié)了增強(qiáng)MMAM過程控制的建模方法。(a)具有不同熱靜置時(shí)間的樣品中的孔隙度。(b)在第5層、第10層、第15層和第20層評估了逐層失真的預(yù)測準(zhǔn)確性，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與來自生成式機(jī)器學(xué)習(xí)模型的模擬進(jìn)行比較。(c)使用梁模型、全三維模型和全三維模型的相應(yīng)Von Mises應(yīng)力模擬的晶格結(jié)構(gòu)變形。(d)彎曲路徑打印成形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果。

圖15.MMAM熔池動(dòng)力學(xué)模擬概要:(a)和(NiAl表面混合物的形成:白色(Ni)和藍(lán)色(Al)。(c)基材(NiAl)內(nèi)部的小孔和熔池。(d)-(f)摩爾組成的內(nèi)部視圖。黃色虛線箭頭表示中心平面上的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而紅色實(shí)線箭頭表示3D圓周運(yùn)動(dòng)。(g)Re和Pe的示意圖和定義，對(h)小孔深度、(I)液體速度和(j)熔池尺寸的影響。(k)在該Ti和Nb原位合金化期間固化軌跡的俯視圖和(l)縱向截面圖。黑線表示熔池邊界。代表性模擬結(jié)果說明了(m)熔體流動(dòng)，(n)表面張力梯度，以及(o)沿橫截面的溫度梯度。

主要結(jié)論

本綜述全面探討了多種金屬通過基于激光的AM原位合金化的各個(gè)方面，涵蓋了從原材料操作的打印成形前處理到打印成形中的處理步驟，包括凝固行為的控制和由計(jì)算模型輔助的處理?xiàng)l件的優(yōu)化。通過最近的實(shí)例強(qiáng)調(diào)了利用各種方法來定制打印零件的微結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)勢，同時(shí)也討論了挑戰(zhàn)和未來的研究方向。從打印成形過程的每個(gè)階段得出的主要結(jié)論總結(jié)如下:

在打印成形前處理步驟中，簡要討論了粉末在材料規(guī)模和工藝規(guī)模改性中的作用。增材制造合金設(shè)計(jì)的初始階段受到雜質(zhì)最少的高質(zhì)量增材制造兼容粉末的高成本的阻礙。然而，新穎的粉末改性方法和對混合方法、原材料特性和工藝條件的適當(dāng)分析有可能在粉末原料設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)特定位置的微觀結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的機(jī)械性能。

在打印過程中，可以通過使用β穩(wěn)定劑和孕育劑以及外部方法（包括超聲波處理和電磁攪拌）改變合金化學(xué)成分來有意定制凝固，以控制增材制造過程中的凝固。開發(fā)晶粒細(xì)化劑至關(guān)重要，該細(xì)化劑在凝固過程中提供最大的成核位點(diǎn)，同時(shí)防止成核顆粒在高度瞬態(tài)增材制造過程中溶解。這些方法有助于細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)、減少孔隙率并防止相偏析。此外，掃描速度、層厚和熱輸入等工藝參數(shù)的優(yōu)化可以控制熱梯度和凝固速率，這對于實(shí)現(xiàn)所需的相分布和避免缺陷至關(guān)重要。
相場建模、離散單元法(DEM)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)和流體體積(VOF)法等計(jì)算工具對于預(yù)測和控制熔池行為、相變和缺陷形成是不可或缺的。通過將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與這些模型相結(jié)合，有可能優(yōu)化處理?xiàng)l件，而不依賴于大量的反復(fù)試驗(yàn)。此外，綜述討論了增強(qiáng)模型的需要，以捕捉激光、粉末、熔池和固相之間的復(fù)雜相互作用，特別是在多金屬系統(tǒng)中。新興的GPU驅(qū)動(dòng)的仿真平臺(tái)為提高這些模型的準(zhǔn)確性和速度提供了新的機(jī)會(huì)。

這篇綜述強(qiáng)調(diào)了先進(jìn)粉末原料制備、凝固控制和計(jì)算模型的集成對于在激光輔助制造中實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的多金屬合金化的重要性。將內(nèi)部合金操作與控制凝固的外部方法相結(jié)合的整體方法，以及強(qiáng)大的計(jì)算工具，對于優(yōu)化打印成形過程至關(guān)重要。未來的研究應(yīng)集中在完善這些技術(shù)和探索傳感器融合的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及拓?fù)鋬?yōu)化，以充分利用多金屬調(diào)幅的潛力。

作者簡介

Prof. Peng Cao（曹鵬） ，奧克蘭大學(xué)教授，在輕合金成分設(shè)計(jì)、金屬粉末近凈成形技術(shù)、新能源材料與器件等領(lǐng)域作了大量開創(chuàng)性工作，在新西蘭已經(jīng)主持完成了數(shù)十項(xiàng)科研項(xiàng)目，在包括Science Advances, Angewandte Chemie 、Acta Materialia和Chemical Engineerign Journal 等國際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文230篇，出版專著（含章節(jié)）10本�，F(xiàn)任美國金屬學(xué)會(huì) (ASM)，材料研究學(xué)會(huì)(MRS)會(huì)員、新西蘭皇家學(xué)會(huì) (RSNZ)會(huì)員；上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室客座教授；北京科技大學(xué)客座教授；中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室客座高級科學(xué)家。

個(gè)人資料來源：https://clxy.chd.edu.cn/info/1264/9079.htm

Wuxin Yang，奧克蘭大學(xué)博士后。

個(gè)人資料來源：https://profiles.auckland.ac.nz/wuxin-yang