成分梯度变化与参数调节同步的多材料SLM成形制造

来源：江苏激光联盟

采用SLM技术进行了多材料的制备；使用真空系统来对污染进行了消除和减少；成分梯度变化和参数的调节可以同时在3D成形的时候同步进行；并实现了Ti到Ta和IN718到GRCop-42等材料的梯度变化。

成果简介：采用SLM技术进行功能梯度材料的制备为制造具有空间定制性能的复杂部件提供了便利。一个新颖的SLM设备被研制出来来实现多材料的梯度制备，该设备可以实现材料的梯度成分在水平和垂直方向上同时实现，可以将前一层不需要的粉末进行清理，局部的参数调节变化以及梯度材料的分散熔化和复杂形状的梯度成分的制备。多材料的定向制备的复合材料的功能同时采用Ti到Ta和Ni基超级合金IN 718到Cu合金GRCop-42的制备来显示出该技术用来定制、局部特殊动能材料的制备效果。

1. 背景简介
从一种材料成分在空间过渡到另外换一种成分对于实现基于功能要求的材料性能的定制具有十分重要的意义。早先的AM技术在多材料金属系统上使用较多的是采用金属直接沉积技术，这是因为该技术可以直接将原材料非常容易的在不同的成分点上进行输送材料。然而，尽管发展了直接沉积的多材料沉积技术，但制备出具有精细结构的尺寸特征的复杂形状的部件仍然具有十分重要的潜在的需求。

SLM技术已经显示出可以在垂直方向和水平方向上进行制备梯度材料。大多数的SLM多材料系统采用的办法是综合利用多个粉末输送系统，如送粉器和传统的粉末铺展系统来实现的。定制的、开环控制的和工艺参数系统均需要可以实现工艺参数随着材料的成分进行改变，此时的新颖的粉末输送系统实现点对点的沉积。额外的，为了避免随后沉积的粉末造成的污染，需要对前一层的粉末进行清洁。一个综合了这些能力的设备需要可以制备复杂的结构且同时实现在3D空间的梯度材料的制备。在本文中，一个新颖的SLM设备被设计出来实现多材料的制备，即实现在垂直方向和水平方向上的梯度材料的同时制备，前一沉积层粉末材料的清理、局部工艺参数的条件、梯度材料在熔化温度的弥散分布和复杂形状的制备且具有在3D空间的梯度成分变化。

2. 材料和工艺
该新颖的SLM设备可以实现梯度合金的制备（GAP），具有的能力为在任意三维空间实现局部材料成分的定制变化。该GAP系统的示意图见图1所示，并同时给出了描述这一设备的每一粉末成分输送的流程图，包括粉末的输送、沉积、熔化和随后的粉末清理。

图1 GAP机器显示标记组件和流程图用来描述操作的步骤

这一GAP设备使用的粉末送粉器来将粉末输送到制定的位置，该送粉器依照传统的粉末供应系统来填充粉末床。这一材料的混合结构在加工之前就进行创建，然后分离成单独的送粉输送器或粉末供应系统。横向部件的组成为一个在 ×6的光学实验板跨距的GAP设备上和包含一个再涂覆、多材料送粉器和真空喷嘴等。

当送粉器中的粉末材料需要进行沉积的时候，使用引脚序列进行释放来打开腔，而一个二次电机则移动送粉器并沉积粉末到将要沉积的理想区域的下一个线的位置。然后重新涂覆粉末铺展到另外一层并使用激光进行选择性的熔化。最后，不需要的粉末自前一层进行清理以避免造成污染。采用两个不同的办法来实施，一个是使用真空泵或一个微小的脉冲激光。这一微小的脉冲激光是一种纳秒激光，可以在物体表面制造出等离子而形成一个毛刷来将多余的粉末清理掉，如果选择合适的扫描速度和激光脉冲的话。然而，微型激光移除的粉末会在部件的边缘重新分布，并且所有的粉末不能完全移除干净，这会对部件随后的熔化造成污染。一个新的办法是使用真空泵来代替微型脉冲激光。这一真空泵可以代替微小激光来实现粉末清理。这一真空喷嘴可以到达任何一个位置并且选择性的移除早先沉积的粉末。这一真空的办法可以得到非常干净的表面并避免了可能的粉末污染。这一被真空吸收的粉末继续储存以备下一次的使用。这样制造的体积就下降一个厚度，直至整个部件实现制造。

不同的加工参数和扫描策略应用来沉积不同的材料以实现不同材料的熔化。点对点的加工参数的变化用于适应多材料部件的制造和促进开环控制的AM制造。这一软件使得编程来对所有的加工参数进行批处理，包括正确的位置、铺展粉末、应用特定的加工参数和控制真空喷嘴等。

3. 研究结果
  图2 显示的为梯度制备的成分为高含量的Ti（大约95%）和混合Ti/Ta的部件的SEM分析结果，为在水平和垂直方向的分析结果。AM制造过程中复杂的热行为包括定向的热历史。在垂直方向上的材料的梯度将会经受不同的热历史，同水平方向的材料相比较。此外，原始材料在熔池中混合的时候需要将两种不同的熔池连接在一起（这为垂直梯度），二者边边连接（水平梯度）。这一界面处形成的显微结构将会变化和其影响需要在不同的方向进行充分理解。

图2 SEM 图像显示出材料成分梯度变化在（a）垂直方向Ti/Ta在顶部变化和（b）在水平方向 Ti/Ta 变化的研究结果

采用这一GAP系统，在不同的方向实现复杂形状部件的梯度成分制造时可能的。如图3所示为采用该系统制备的几个实际的例子，Ti到 Ta 和 IN 718到 GRCop-42铜合金。这些部件的制备实现了在水平方向和垂直方向的制备。其在三维空间进行梯度成分制备的可行性也给予了展示。

图3 制备的几种成分梯度变化的实际案例：（a）Ti到Ta成分在垂直方向梯度变化的 同心圆样品；（b）In 718到GRCo-42在水平方向成分变化的圆盘；（c）制备出的Ti到Ta成分梯度变化时在水平方形和垂直方向均变化的样品

制备316L SS/IN 718 多材料的研究结果
首先对SLM制备的316L SS/IN 718 多材料的界面特征首次进行了分析和表征；研究发现界面区域由一个混合的熔化区域所组成和单独的316L SS和IN 718所组成；低的孔隙率和几乎无裂纹的存在在混合的熔化区的形成表明在界面处形成了良好的冶金结合；IN718合金呈现出较高的硬度，这是因为该合金中存在较大分数比例的HAGBs和LAGBs，见图4所示。

图4 上图：完整的制造示意图和显微组织进行分析测试的位置 （制备的材料为316L SS/IN 718 ）

中间图：EDX 面分布得到的界面处的 (a) Fe 和 (b) Ni

制备Fe/ Al-12Si的结果
在这一工作中，SLM原型系统显示了制备Fe/ Al-12Si的能力。其可行性通过原位合金化不同的元素来实现。在这一初步的研究工作中，Fe/ Al-12Si部件制造时，首先是纯Fe和Al-12Si粉末分别进行研究。在第二次的时候，一个55/45体积比例的Fe/ Al-12Si混合物的二次相进行加工制备。最后，沉积部件由Fe, Fe/Al-12Si和 Al-12Si来显示SLM AM制造梯度多材料的能力。

图5 上部图：  a) 制造Fe/Al-12Si时的多材料概念图； b)带气氛室的多材料SLM制造系统；c) 设计的粉末输送系统；d) 混合粉末的工作原理；e) 纯Fe的粉末质量m的输送曲线的校准； f) Al-12Si 随着施加的电压（A）和振动时间 (tv)的变化的关系图，误差函数显示的微均值的95%的可信度

下图：制造的Fe/Al-12Si多材料的样品和不同层的横截面的观察结果

4. 结论
本技术所介绍的新颖的SLM系统可以实现多材料制备的显著改进。该GAP系统综合的传统的粉末铺展来将粉末输送到适宜的位置。为了移除前一沉积的粉末以方便后一层的沉积和避免污染，使用微小脉冲激光进行粉末的清理或真空泵，而真空泵的清理策略是最佳选择。参数的选择可以在材料的沉积的同时来进行而实现在熔化温度的分离。接下来可以实现多材料沉积在水平方向和垂直方向的成功实现。多材料且在多个方向进行成功沉积的案例给予了展示，如Ti到 Ta和 IN 718到 GRCop-42。

文章来源：Multi-material laser powder bed fusion additive manufacturing in 3-dimensions, Manufacturing Letters，Available online 24 July 2021，

In Press, Corrected Proof,https://doi.org/10.1016/j.mfglet.2021.07.011
参考资料：1，Interfacial characterisation of multi-material 316L stainless steel/Inconel 718 fabricated by laser powder bed fusion,Materials Letters,Volume 284, Part 1, 1 February 2021, 128928,https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128928
2，Multi-material selective laser melting of Fe/Al-12Si components,Manufacturing Letters,Volume 11, January 2017, Pages 8-11,https://doi.org/10.1016/j.mfglet.2017.01.002