《Composites Part B》综述：激光增材制造中的原位合金化调控

来源：AMLetters

增材制造（AM）作为一种革命性的技术，在航空航天、汽车、国防及生物医学等行业中展现了巨大的应用潜力。与传统制造方式相比，AM不仅具有按需定制、经济高效生产复杂近净形状部件和减少工具周期时间的优势，还能显著提高生产灵活性。然而，AM一直依赖预合金化粉末作为原料，限制了其在合金成分开发上的潜力。为了解决这一问题，原位合金化技术应运而生，它通过在打印过程中将元素粉末进行混合和均匀化，为合金的微观结构和成分提供了前所未有的控制手段。

粉末制备是粉末基础增材制造的基础步骤，对打印过程中最终产品的质量至关重要。特别是在激光粉末床熔化（LPBF）技术中，球形粉末因其优异的流动性和均匀的堆积性能而成为首选。尽管使用高质量的预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设计的自由度。为了解决这一问题，研究人员开始利用激光平台中的原位合金化技术，通过混合单一元素粉末，克服了预合金化粉末的必要性，从而拓宽了合金设计的边界。然而，要在熔融状态和成形状态下实现合金的均匀性仍面临挑战。

奥克兰大学曹鹏团队深入探讨了通过增材制造技术进行金属合金设计的最新进展，特别是通过粉末工程和先进计算建模的结合，如何优化微观结构和机械性能。文章详细介绍了粉末准备的预处理策略、原位合金化过程中固化控制的内部和外部方法，以及如何通过优化工艺参数和计算模型实现化学均匀性。通过对这些先进技术的系统梳理，本文为推动多金属激光增材制造技术的发展提供了战略框架，并指出了当前技术面临的挑战和未来的研究方向。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112443

图 1.添加不同量 TiC 的 AA5024 的光镜图像：（a） 0%、（b） 1 wt.%、（c） 3 wt.%和（d） 5 wt.%

图 2.激光增材制造铝基合金和高熵合金的最新研究总结：不同添加量量对 AlSi10Mg 的影响 （a） – （c） 粉末混合物形态，（d） – （f） 粉末形态，（g）-（l） 打印缺陷。（m） Ti–12Mo 样品的 BSE 图像，（n） 熔池边界点缀的高倍率 BSE 图像，（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 示意图;（u） 通过 LPBF 制备的 CoCrFeMnNi HEA 中氧化物颗粒与滑移带相交的 TEM 明场图像，（v） 带有 SAD 图案的 TEM 暗场图像揭示了基体中的 MnO 颗粒

图3.使用卫星化和化学镀的粉末改性方法对基于激光的AM制造的Ti基合金的最新研究总结:(a) LPBF使用各种粉末原料制备方法制造Ti6Al4V，对应于在孔隙率、偏析和不均匀性方面观察到的趋势[6]。(b) (e) (h) (k)具有通过化学镀涂覆的不同重量% Ni的Ti@Ni复合粉末的SEM图像。(c) (f) (i) (l)是使用Ti@Ni复合粉末的打印成形样品的SEM显微结构，而(c1) (f1) (i1) (l1)是相应的放大图。(d) (j) (m)是对应于(c) (i) (l)的SEM图像的EBSD反极图(IPF ),( D1)是(d)的相应放大图。(g) (g1) (g2)是拉伸的3D打印样品。(g3)是Ti-0.4Ni [36]的SEM断口形貌。

图4.使用CVD和静电自组装的粉末改性方法对基于激光的AM制造的铝基合金、CoCrMo和不锈钢基材料的最新研究总结:具有各种纳米颗粒附着的各种粉末原料的SEM图像(a) Al7075 + TiB2，(b) Ti6Al4V + ZrH2，(c) Al7075 + WC，(d) AlSi10Mg + WCs，(e) Fe粉末+ TiC，(f)晶格匹配的成核剂的示意图。(g)通过FBCVD涂覆有CNT的Ti6Al4V粉末的SEM图像。(h )( g)中标记区域的放大图。(CNT的高倍放大图像，显示了封装在管内的纳米颗粒催化剂的存在。(j)从复合粉末中提取的典型CNT的HRTEM分析。

图5.含各种合金元素的Ti基合金原位合金化的微观结构观察:(a)pre-β边界附近的超细片状共析和过共析Ti2Cu颗粒。(b)板条内的贫铜区域，而富铜区域突出了Ti2Cu颗粒。(c) BSE图像显示了打印成形的Ti64-(4.5%)316L的熔岩状微观结构。(d)放大的BSE图像显示了针状α′马氏体和超细β晶粒共存的熔岩状异质微观结构。(e)细针状α′的透射电镜。超细孪晶结构的透射电镜。(g)和(h)是打印成形Ti64-(4.5%)316L的EBSD图像。

图6.具有各种合金元素的钛基合金的原位合金化的显微结构观察:(a)具有各种成分的打印成形钛氧铁合金的EBSD图像。(b)不同成分的打印成形钛氧铁合金的BSE图像。(c)设计建造的Ti6Al4V的STEM-EDS绘图。(d)设计建造的UTM合金的STEM-EDS绘图。(e)设计制造的Ti6Al4V的相图，(f)设计制造的UTM合金的相图。

图7. (a)不同硅含量为0 wt%, 1 wt%, 2 wt%, 3 wt%和4 wt%的打印成形铝硅合金的EBSD IPF图。(b)从α-Al电池获得的制造合金的TEM高角度环形暗场(HADDF)图像和EDX映射。(c)应力消除退火后从α-Al电池获得的合金的TEM高角度环形暗场(HADDF)图像和EDX映射。(d)二元铝合金中的平均晶粒尺寸是Q值的函数。(e)具有不同石墨烯(Gr)含量的AlSi12的EBSD图。

图8.使用各种孕育剂的钛基合金、铝基合金和不锈钢原位合金的微观结构观察总结:(a)Ti6Al4v、Ti6Al4V+B和Ti6Al4V+LaB6的SEM图像。(SLMed纳米TiB2修饰的AlSi10Mg样品(NTD-铝)中细胞的干细胞HAADF图像以及铝、硅、镁、钛和硼的相应EDX图谱。(TiB2强化316L不锈钢的EBSD图像。

图9.用TiC孕育剂原位合金化不锈钢的显微组织观察:(a)不同TiC含量的15-5PH/TiC金属基复合材料的SEM图像。(b)15-5PH/TiC MMCs的EDS绘图。

图10.MMAM使用非原位控制方法实现CET和晶粒细化的总结:(a)使用NiCr中间层的Ti6Al4V + SS410的横截面SEM图像。(Inconel 718和Ti6Al4V制造的双金属结构中界面处的EDS映射。(c)梯度材料Ti-Ta结构。(d)改进的GPA机和分级材料。(e)ti 6 al 4v的反极图，说明超声波振动如何影响晶粒细化和CET。(f)显示超声波振动效果的熔池示意图。

图11.在MMAM使用动力学建模控制相变概述:(a)和(b)显示了两个等距视图，显示了LDED中的3D温度场和速度场。(c)-(g)in 718 WAAM样品热历史的FEM热模型。和(h)-(m)表示基于热历史通过JAMK方法计算的IN718超合金WAAM的中间截面上的相分布。

图12.使用相场模型预测固态相变的概述:(a)和(b)受工艺变量影响的熔池几何形状。(a)水平切片和(b)纵向切片。和(c)至(e)显示了不同冷却速率下的α + β微观结构。(c) 5摄氏度/秒，(d) 10摄氏度/秒，(e) 20摄氏度/秒。(f)使用FVM模式的单一轨道。红色矩形高亮显示中心平面。(g)从热流体模拟(左)和实验结果(右)获得的横截面的比较，熔化的用红色表示。(h)中心平面的温度梯度场。(I)中心平面处的冷却速率场(j)凝固熔池区域1、2和3中的微观结构的放大图。从(k)区域1的顶部观察到的受激枝晶结构；(l)第二区；(m)第三区。(n)-(q)显示了AlSi10Mg LPBF过程CA模拟，用于分析不同部分的熔合边界成核。(n)宽度中部的横向(TD)截面；(o)–(q)在(n)中描述的不同建造方向(BD)部分。

图13.MMAM利用模型控制缺陷综述。(a)-(e)显示了不同阴影间距下相邻轨道的模拟结果。(f)-(i)是具有不同组成和激光功率(50微米层厚度)的第二扫描层的横截面，(f)和(I)显示由低体积能量密度引起的不连续轨迹，导致成球效应、未熔合和孔隙，(g)和(h)用较高VED形成的连续轨迹。(j)-(m)显示了具有不同激光功率的Ti25Nb10Ta的顶表面形貌:(j)180W；230W；(l) 280W和(m) 330W。(n)至(r)显示了说明熔池和小孔形成的时间快照。

图14.总结了增强MMAM过程控制的建模方法。(a)具有不同热静置时间的样品中的孔隙度。(b)在第5层、第10层、第15层和第20层评估了逐层失真的预测准确性，将实验结果与来自生成式机器学习模型的模拟进行比较。(c)使用梁模型、全三维模型和全三维模型的相应Von Mises应力模拟的晶格结构变形。(d)弯曲路径打印成形网格结构的模拟结果。

图15.MMAM熔池动力学模拟概要:(a)和(NiAl表面混合物的形成:白色(Ni)和蓝色(Al)。(c)基材(NiAl)内部的小孔和熔池。(d)-(f)摩尔组成的内部视图。黄色虚线箭头表示中心平面上的流动运动，而红色实线箭头表示3D圆周运动。(g)Re和Pe的示意图和定义，对(h)小孔深度、(I)液体速度和(j)熔池尺寸的影响。(k)在该Ti和Nb原位合金化期间固化轨迹的俯视图和(l)纵向截面图。黑线表示熔池边界。代表性模拟结果说明了(m)熔体流动，(n)表面张力梯度，以及(o)沿横截面的温度梯度。

主要结论

本综述全面探讨了多种金属通过基于激光的AM原位合金化的各个方面，涵盖了从原材料操作的打印成形前处理到打印成形中的处理步骤，包括凝固行为的控制和由计算模型辅助的处理条件的优化。通过最近的实例强调了利用各种方法来定制打印零件的微结构和性能的优势，同时也讨论了挑战和未来的研究方向。从打印成形过程的每个阶段得出的主要结论总结如下:

在打印成形前处理步骤中，简要讨论了粉末在材料规模和工艺规模改性中的作用。增材制造合金设计的初始阶段受到杂质最少的高质量增材制造兼容粉末的高成本的阻碍。然而，新颖的粉末改性方法和对混合方法、原材料特性和工艺条件的适当分析有可能在粉末原料设计中实现特定位置的微观结构和增强的机械性能。

在打印过程中，可以通过使用β稳定剂和孕育剂以及外部方法（包括超声波处理和电磁搅拌）改变合金化学成分来有意定制凝固，以控制增材制造过程中的凝固。开发晶粒细化剂至关重要，该细化剂在凝固过程中提供最大的成核位点，同时防止成核颗粒在高度瞬态增材制造过程中溶解。这些方法有助于细化晶粒结构、减少孔隙率并防止相偏析。此外，扫描速度、层厚和热输入等工艺参数的优化可以控制热梯度和凝固速率，这对于实现所需的相分布和避免缺陷至关重要。
相场建模、离散单元法(DEM)、计算流体动力学(CFD)和流体体积(VOF)法等计算工具对于预测和控制熔池行为、相变和缺陷形成是不可或缺的。通过将实验数据与这些模型相结合，有可能优化处理条件，而不依赖于大量的反复试验。此外，综述讨论了增强模型的需要，以捕捉激光、粉末、熔池和固相之间的复杂相互作用，特别是在多金属系统中。新兴的GPU驱动的仿真平台为提高这些模型的准确性和速度提供了新的机会。

这篇综述强调了先进粉末原料制备、凝固控制和计算模型的集成对于在激光辅助制造中实现优异的多金属合金化的重要性。将内部合金操作与控制凝固的外部方法相结合的整体方法，以及强大的计算工具，对于优化打印成形过程至关重要。未来的研究应集中在完善这些技术和探索传感器融合的实时监测，以及拓扑优化，以充分利用多金属调幅的潜力。

作者简介

Prof. Peng Cao（曹鹏） ，奥克兰大学教授，在轻合金成分设计、金属粉末近净成形技术、新能源材料与器件等领域作了大量开创性工作，在新西兰已经主持完成了数十项科研项目，在包括Science Advances, Angewandte Chemie 、Acta Materialia和Chemical Engineerign Journal 等国际学术期刊上发表学术论文230篇，出版专著（含章节）10本。现任美国金属学会 (ASM)，材料研究学会(MRS)会员、新西兰皇家学会 (RSNZ)会员；上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室客座教授；北京科技大学客座教授；中南大学粉末冶金国家重点实验室客座高级科学家。

个人资料来源：https://clxy.chd.edu.cn/info/1264/9079.htm

Wuxin Yang，奥克兰大学博士后。

个人资料来源：https://profiles.auckland.ac.nz/wuxin-yang