激光粉末床熔融制备同种和异种金属混合增材制造的最新进展

来源： 长三角G60激光联盟

阿联酋哈利法科技大学的研究人员报道了激光粉末床熔融制备同种和异种金属混合增材制造的最新进展。相关论文以“Recent advancements in hybrid additive manufacturing of similar and dissimilar metals via laser powder bed fusion”为题发表在《Materials Science and Engineering: A》上。

重点：
-回顾了通过LPBF多材料和混合金属增材制造的现有文献。
-强调了同种金属和异种金属混合AM的复杂性对比。
-讨论了混合AM零件的微观结构、电化学和力学特性。
-探讨了混合金属AM的应用、局限性和未来发展方向。

增材制造（AM）是一项变革性技术，有助于高精度、定制化和高速度生产复杂结构。虽然传统的金属零件AM工艺传统上只使用单一材料，但对由两种或多种金属混合制成的零件需求却在不断增长。本文全面回顾了使用激光粉末床熔融技术（LPBF）对金属零件进行多材料AM加工的最新进展。深入分析了双金属LPBF零件的界面特征和性能，为了解同种金属和异种金属焊接过程中复杂的工艺-结构-性能关系提供了宝贵见解。此外，文章还探讨了异种金属混合3D打印中的固有挑战，包括物理和化学性质的实质性差异、有害金属间化合物的形成以及元素偏析。针对这些障碍，该研究深入探讨了文献中提出的各种策略，如调整工艺参数、整合第三种材料的夹层以及利用机器学习算法。此外，研究还概述了混合LPBF结构AM的应用和未来发展方向，为这一快速发展领域的潜在研究提供了完整的路线图。

图 1.常见金属AM工艺的分类。

图 2.多材料结构的分类。

图 3.单工序多材料LPBF中的铺粉方法。

图 4.(a)2014年至2024年6月有关LPBF多材料金属3D打印的出版物数量;(b)混合金属零件的性能研究。(c)用于同种和异种金属混合3D打印的材料组合。

图 5.(a)显示混合Al-Cu-Ni-Fe-Mg/AlSi10Mg零件界面区域的SEM图，其中红色虚线是在 AlSi10Mg第一固结层中出现的环流（马兰戈尼对流）。(b) AA2618/AlSi10Mg 混合部分界面的EBSD图。

图 6.(a)MS1/H13钢的光学图像；(b) H13/MS1钢的BSE图像；(c, d)CrMn/MS1钢的光学图像。

图 7.（a-b）800 ℃ 热处理4小时后锻造基材/LPBF Ti-6Al-4V 混合零件不同放大倍数的扫描电镜图。(c）锻造基材/LPBF Ti-6Al-4V 表面的光学图像；小矩形 b、d和e分别代表 LPBF、热影响区和锻造区。

图 8.激光功率和扫描速度对AlSi10Mg/Ti-6Al-4V混合材料界面质量的影响。

图 9.有/无铜夹层的Ti/Al多材料晶格的压缩应力-应变曲线和相应的变形图。

图 10.LPBF 316不锈钢/CuSn10 铜双金属界面的EBSD图：（a）铜侧，（b）316不锈钢和界面区域，（c）（b）的Ⅰ区域，（d）（c）的Ⅱ区域。

图 11.(a)钢铜界面和(b)向钢侧延伸的界面缺陷的光学图像。

图 12.在316不锈钢上混合打印CuSn10时裂纹的形成机理：（a）熔池的熔化和凝固过程，（b）凝固熔池中裂纹的形成。

图 13.不同位置的铜钢界面光学显微照片：（a-c）钢印在铜上，（c-e）铜印在钢上。

图 14.以不同扫描速度打印的T2铜/马氏体时效钢双金属界面。

图 15.在三种扫描速度下制备的MS-Cu FGM样品界面区域内进行的CT分析

图 16.显示铜/钢双金属界面的SEM（a）和光学显微照（b）。

图 17.使用不同加工参数打印的五条轨迹中铁的EDS 图：能量密度从(a)到(e)依次递增:(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。

图 18.高温处理后界面的BSE图，可观察到延性浸裂(DDC)和Laves相的存在。

图 19.316L/W样品在固溶热处理前后的显微图。(a、d代表316L区域，（b、e）代表界面区域，（c、f）代表W区域。(a)、(b)和(c)中的图像显示的是热处理前的样品，而(d)、(e)和(f)中的图像显示的是热处理后的样品。

图 20.通过LPBF生产的Ti-6Al-4V/CoCrMo混合零件的截面SEM图。

图 21.混合增材制造的应用。

图 22.与异种合金组合相关的主要挑战。

图 23.混合金属增材制造零件的未来发展方向。

利用LPBF等技术，增材制造改变了3D零件的生产，提供了设计灵活性、降低了成本，并有可能用多种材料制造出复杂的3D混合零件。本文对最先进的LPBF多材料金属增材制造技术进行了全面综述，主要发现如下：
1.通过LPBF连接同种合金并没有带来独特的挑战。Al-Al、Fe-Fe 和 Ti-Ti 接头主要表现出良好的冶金结合。然而，焊接铁-铁接头更容易出现凝固裂纹。

2.通过LPBF连接异种合金面临着重大挑战，这些挑战是所考虑的材料组合所特有的。连接铝和钛合金的主要挑战是形成脆性的铝钛金属间化合物，而连接铜和钢合金的主要挑战在于热物理性能的差异和铜向钢中的迁移，这两种情况都会导致严重的开裂。相比之下，连接钢和镍超合金的主要挑战在于晶界中的元素偏析以及随后形成的脆性拉维斯相和碳化物。尽管如此，与焊接相比，LPBF的聚焦激光能量和即时冷却可减少钢-镍超合金对的偏析程度。

3.两种金属合金界面上的成分梯度可通过逐渐改变成分来增强结合强度，降低界面上的残余热应力，提高混合零件的力学性能。然而，在成分梯度中连接异种金属合金对具有挑战性，因为两种合金之间的暴露程度增加会增加有害效应的可能性，如元素偏析、脆性金属间相形成和液态金属脆化。通过仔细优化不同成分下的工艺参数，可以减少界面缺陷。
4.添加中间层或使用均匀激光分布已被证明可成功限制混合和缺陷的形成。

5.合理地选择中间层材料可能会阻碍异种合金的混合，反而会诱发强化相的形成。例如，在铝-钛接合处添加铜夹层可阻碍脆性铝-钛金属间相的形成，转而形成强化铜-铝和铜-钛相。
6.尽管在该领域发表了大量论文，但对通过LPBF制造的多材料零件的剪切、腐蚀和疲劳行为仍然缺乏了解。

通过LPBF进行混合打印具有广泛的应用，可分为三个主要领域：(i) 经济高效地制造复杂零件，(ii) 通过连接两种或多种材料优化性能和功能，以及(iii)修复受损零件。综述文件强调了未来的发展方向，预计将优先整合成分梯度以及先进的实时监控和机器学习工具，以增强多材料AM工艺，从而有望在各行各业实现重大创新。


论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.146833

相关链接：
Hybrid metal additive manufacturing: A state–of–the-art review，Advances inIndustrial and Manufacturing Engineering，doi.org/10.1016/j.aime.2021.100032