激光粉末床融合多材料增材制造的最新進(jìn)展和科學(xué)挑戰(zhàn)（3）

江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀:本文綜述了多材料L-PBF的最新進(jìn)展,，包括多材料粉末沉積機(jī)理,、熔池行為,、印刷金屬-金屬,、金屬-陶瓷和金屬-聚合物多材料組分的工藝特點(diǎn)以及潛在的應(yīng)用,。本文為第三部分,。


5.1.2. LME
LME缺陷本質(zhì)上是一種應(yīng)力腐蝕開裂,，可用Galvele的原子表面遷移率（ASM）模型描述，如圖7所示,。根據(jù)該模型,，裂紋通過金屬和離子從裂紋尖端擴(kuò)散到裂紋壁表面而擴(kuò)展。Fredriksson,、Hansson和Olsson（2001）提出了Fe–Cu系統(tǒng)中LME誘導(dǎo)裂紋的形成機(jī)制,。在激光熔煉過程中，液態(tài)銅擴(kuò)散到鐵顆粒中,，產(chǎn)生了柯肯德爾效應(yīng),。這導(dǎo)致空位擴(kuò)散到其凝結(jié)的晶界，形成晶界裂紋,，并填充液化的Cu,。空位的凝聚和表面/界面自由能的變化提供了液態(tài)銅元素穿透鐵晶界的驅(qū)動(dòng)力,。LME出現(xiàn)的兩個(gè)先決條件如下：固體和液體金屬之間的相容性低,，固體和液體偶之間不存在金屬間相（舊1980）。與鐵素體不銹鋼和鎳合金不同,，奧氏體不銹鋼（如316L）在遇到液化銅合金時(shí)特別容易發(fā)生此類裂紋,。Huang等人（2019）報(bào)告說,，只要基底金屬溫度高于銅的熔點(diǎn)，LME誘發(fā)的裂紋就會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展,。

圖7 ASM模型（Galvele 1987）,。

5.1.3. 未熔合和元素分離

為了形成3D組件，L-PBF利用激光束提供的熱量逐點(diǎn),、逐線,、逐層熔化粉末顆粒。

如果激光能量密度不足,，則相鄰熔池的寬度或深度可能不夠,，從而導(dǎo)致熔池重疊不足。此外,，如圖8-a所示,，由于未熔合而產(chǎn)生的缺陷，包括氣孔和未熔融顆粒,，可能出現(xiàn)在粉末床的固液界面接合處,。L-PBF的粉末顆粒直徑范圍通常為15–45μm（高斯分布，平均直徑約為20μm）,，粉末床層厚度通常超過30μm,。因此，粉末層可以堆疊許多直徑小于粉末層厚度的粉末顆粒,，如圖8-b1所示,。粉末顆粒之間的多次散射（圖8-b1和b2）可導(dǎo)致粉末的激光吸收率超過扁平固體塊體金屬的激光吸收率。然而,，大多數(shù)激光能量被頂層粉末吸收,，其次是亞表層粉末。只有大約1%的能量被基底/預(yù)熔粉末層顆粒吸收,。在多材料L-PBF工藝中,，同一層中的表面和亞表面粉末可能由不同的材料組成。它們的熔點(diǎn)和激光吸收率的差異很容易導(dǎo)致因未熔合而導(dǎo)致的缺陷,。

圖8 a）未熔合缺陷示意圖,，b1）理想粉末顆粒陣列輻照期間的典型射線，b2）粉末顆粒之間的多次散射,。

兩種材料熔點(diǎn)之間的巨大差異導(dǎo)致熔點(diǎn)較低的材料在熔化過程中蒸發(fā),。相比之下，熔點(diǎn)高的材料熔化不足,。這可能導(dǎo)致缺陷,，如元素偏析、氣孔和粉末不溶性,，最終會(huì)降低加工零件的機(jī)械性能,�,？赏ㄟ^均化熱處理減少元素偏析。此外,，在中等范圍和高掃描速度下同時(shí)使用激光功率可以抑制低熔點(diǎn)金屬元素的蒸發(fā),，并減少偏析。研究人員試圖通過優(yōu)化激光加工參數(shù),、孵化距離和激光功率,、優(yōu)化掃描策略以及使用top-hat激光輪廓來減少因未熔合而導(dǎo)致的缺陷。如果兩種材料的熔點(diǎn)相似,，則上述措施適用于抑制因未熔合而產(chǎn)生的缺陷,。然而，如果其熔點(diǎn)之間的差異非常大,，則上述策略的有效性可能會(huì)受到限制,。

L-PBF印刷零件的表面粗糙度通常比傳統(tǒng)加工產(chǎn)生的粗糙度差。因此,，研究人員試圖通過優(yōu)化加工參數(shù)和模擬來改善L-PBF零件的表面質(zhì)量,。對(duì)于多種材料，材料界面處的不良表面質(zhì)量可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì),，因?yàn)樗�可以增加兩種材料之間的接觸面積,，從而提高其冶金結(jié)合強(qiáng)度。熔池中Marangoni對(duì)流引起的循環(huán)流將兩種材料徹底混合,，導(dǎo)致陶瓷鋼中出現(xiàn)鋸齒狀互鎖微觀結(jié)構(gòu),。

使用元素Al+Si12粉末ASLM工藝生產(chǎn)的無(wú)支撐懸挑組件。

各種粉末混合物元素密度和液體粘度的巨大差異也可能導(dǎo)致元素分離（包括元素富集區(qū)的分離和擴(kuò)散不足）,。材料質(zhì)量密度較高的元素沉入熔池底部,，并在熔池邊界附近聚集,。在FGM設(shè)計(jì)中,，高密度和低密度材料應(yīng)分別放置在底部和頂部。平滑的材料梯度過渡也抑制了成分偏析,。熱處理可以微調(diào)相分布和轉(zhuǎn)變,，釋放內(nèi)應(yīng)力，從而改善力學(xué)性能,。為了避免元素偏析,，使用L-PBF原位合金化可能是一種替代解決方案。該方法使用激光束直接從元素粉末混合物中熔化并形成合金,。它為新材料的研究提供了靈活性,，并產(chǎn)生了高通量生產(chǎn)率，如顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料,、高熵合金和金屬間化合物,。與預(yù)合金粉末相比,，粉末混合法具有元素組成靈活、粉末粒度可控性高,、成本低,、時(shí)效性好等優(yōu)點(diǎn)。盡管有這些明顯的優(yōu)勢(shì),，L-PBF原位合金化方法也有缺點(diǎn),，例如重復(fù)性差、粉末未熔化以及試樣中的高度不均勻區(qū)域,。L-PBF處理的微觀結(jié)構(gòu)的均勻性主要取決于混合粉末的粒度和混合方法,。

SLM過程中飛濺產(chǎn)生的示意圖。（a）一束激光正在工作,，熔池上方的感應(yīng)反沖壓力產(chǎn)生粉末和液滴飛濺,。（b）兩個(gè)激光束緊密工作，產(chǎn)生更多飛濺,。

金屬粉末混合物中一種金屬的低激光吸收率可能導(dǎo)致多材料L-PBF工藝中未熔合,。Oliveira、Lalonde和Ma（2020）提出了減少填充距離或?qū)雍穸鹊慕ㄗh,，以增加激光束穿透深度,，并抑制因未熔合而導(dǎo)致的缺陷。

5.1.4. 金屬陶瓷元件L-PBF面臨的挑戰(zhàn)

陶瓷是由金屬和非金屬元素組成的固體化合物,。它類似于具有晶粒聚集體,、晶粒和晶界的金屬。然而,，它們與金屬有著根本的不同：它們不包含大量的自由電子,，通過離子鍵、共價(jià)鍵或這兩者的高度穩(wěn)定組合而合并,。因此,，通過L-PBF加工金屬-陶瓷復(fù)合粉末具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榻饘俸吞沾傻木�體結(jié)構(gòu)不同,，導(dǎo)致熔點(diǎn)差異很大,。陶瓷晶體的強(qiáng)鍵會(huì)使元素?cái)U(kuò)散極其困難。它們的熱膨脹系數(shù)相差很大,，導(dǎo)致陶瓷側(cè)的接頭和裂紋處產(chǎn)生顯著的熱應(yīng)力,。粘結(jié)表面上的脆性和玻璃相削弱了陶瓷性能。

熱循環(huán)前的顯微鏡圖像Al6082-SiO2測(cè)試零件,。

研究人員已成功地將超快激光用于陶瓷和玻璃的焊接,。因此，使用超快激光作為L(zhǎng)-PBF的能量輸入可能有助于實(shí)現(xiàn)金屬-陶瓷零件的直接打印。此外,，將AM方法與其他加工方法相結(jié)合也是處理金屬-陶瓷材料的解決方案,。

5.1.5. 金屬-聚合物組件L-PBF面臨的挑戰(zhàn)

混合金屬/聚合物混合物的L-PBF面臨的挑戰(zhàn)是如何避免低熔點(diǎn)聚合物粉末的分解和氣化。產(chǎn)生的煙霧對(duì)金屬熔池產(chǎn)生不利影響,。解決這一問題的策略之一是使用熔點(diǎn)盡可能相似的金屬和聚合物粉末,。此外，在部件設(shè)計(jì)中,，金屬和聚合物部件設(shè)置在一定的距離,，以避免由于熔融金屬熱影響區(qū)的高溫導(dǎo)致聚合物的熱分解。將L-PBF與其他AM方法集成也是一種替代解決方案,。這種混合AM處理可以逐步實(shí)現(xiàn),。首先，使用L-PBF打印高熔點(diǎn)的金屬零件,。然后,，將半成品放入SLA設(shè)備中，以打印低熔點(diǎn)聚合物,。這種方法的缺點(diǎn)是SLA的加工自由度可能會(huì)受到預(yù)成形金屬零件的限制,。

（a） 15倍拉伸比的PP/MMT/LMPA纖維的納米CT圖像，綠色帶為L(zhǎng)MPA,，藍(lán)色區(qū)域?yàn)镻P基質(zhì)46,。（b） LMPA導(dǎo)電填料和環(huán)氧樹脂的圖像。

5.2. 其他技術(shù)挑戰(zhàn)

5.2.1. 廢舊粉末混合物的回收

異種粉末的交叉污染是多材料L-PBF工藝中難以避免的常見問題,，這將增加材料的制造成本,。雖然與使用刀片的盲撒粉相比，選擇性粉末沉積具有更高的粉末利用率和相應(yīng)的更少污染的粉末,，但在加工過程中用作支撐材料的未熔化粉末仍然會(huì)導(dǎo)致一定量的粉末交叉污染,。受污染的粉末不能直接重復(fù)使用，因?yàn)樗鼤?huì)降低材料性能并導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)缺陷,。因此,，根據(jù)所用粉末材料的物理特性差異，開發(fā)一種合適的方法來從所用粉末材料中分離污染物至關(guān)重要,。

Seidel 等（2018）證明了通過磁性方法分離工具鋼（X3NiCoMoTi18-9-5）粉末和銅合金（CuCr1Zr）粉末,。

Chivel描述了將具有不同粒度分布的不同粉末材料用于多種材料AM并通過篩分重復(fù)使用粉末的原理。

Woidasky描述了一套基于材料流動(dòng)性的材料分離技術(shù),。粉末材料的球形度和表面粗糙度顯著影響粉末顆粒的流動(dòng)性。因此,，可以根據(jù)不同形狀和粗糙度的粉末材料的流動(dòng)性來分離不同的粉末材料（例如,，將球形粉末和不規(guī)則形狀的粉末一起使用）。

如果粉末材料具有相似的粒度分布,，但具有不同的材料密度,，則各種材料的顆粒質(zhì)量范圍可能不同,。在這種情況下，粒子慣性法可用于分離粉末材料,。

（a） 15倍拉伸比的PP/MMT/LMPA纖維的納米CT圖像,，綠色帶為L(zhǎng)MPA，藍(lán)色區(qū)域?yàn)镻P基體,。（b） LMPA導(dǎo)電填料和環(huán)氧樹脂的圖像,。

5.2.2. 建模和仿真挑戰(zhàn)

基于上述綜述，目前的多材料L-PBF過程建模通常涉及介觀尺度的熱力學(xué)模擬,，揭示了多材料L-PBF過程中的熔池發(fā)展,。

所有微觀建模方法都需要通過宏觀或介觀建模獲得熱歷史信息（包括溫度、冷卻速率和溫度梯度）,。因此,，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)多材料L-PBF的熱歷史至關(guān)重要。獲得準(zhǔn)確熱歷史的一個(gè)重要不確定性與高溫范圍內(nèi)的材料特性有關(guān),。這些特性包括材料密度,、比熱、表面張力系數(shù),、粘度,、激光吸收率、熱導(dǎo)率以及材料熔化和汽化的潛熱,。目前,，關(guān)于混合材料普遍物理性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還不夠充分。這妨礙了在介觀和微觀尺度上準(zhǔn)確預(yù)測(cè)多材料L-PBF結(jié)果的校準(zhǔn)建模,。

5.2.3. 實(shí)驗(yàn)方法的挑戰(zhàn)

激光AM工藝容易形成缺陷,，對(duì)于多材料L-PBF，缺陷控制更具挑戰(zhàn)性,。在多材料零件中,，每種材料成分可能需要最佳工藝參數(shù)，尤其是如果該零件為FGM結(jié)構(gòu),。因此,，基于傳統(tǒng)試錯(cuò)測(cè)試方法和簡(jiǎn)單正交實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)工作量可能會(huì)大幅增加，無(wú)疑會(huì)大幅增加用于研究的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本,。實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)和人工智能預(yù)測(cè)方法有助于得出最佳工藝參數(shù)并減少實(shí)際物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)量,。Rankouhi等人報(bào)告了使用機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化316L–Cu復(fù)合材料的L-PBF加工參數(shù)。此外,，許多研究人員已經(jīng)實(shí)施了機(jī)器學(xué)習(xí)算法,，以分析共軸/離軸傳感技術(shù)（例如高溫計(jì)、高速攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)）收集的熔池信息，用于缺陷識(shí)別和分類,。這種技術(shù)也有助于提高印刷質(zhì)量和研究效率,。

5.2.4. 生產(chǎn)效率

與AM方法（如L-DED）相比，L-PBF需要在熔化之前進(jìn)行材料沉積,，因此沉積效率很低,。雖然多材料鋪展方法解決了多材料空間分布的問題，但它們使得多材料L-PBF中的粉末鋪展過程更加耗時(shí),，從而降低了生產(chǎn)效率,。基于本文報(bào)道的新型粉末鋪展機(jī)制,，開發(fā)高效,、高質(zhì)量的異種粉末鋪展裝置，是多材料L-PBF工業(yè)化應(yīng)用和商業(yè)化的前提,。

5.2.5. 多材料構(gòu)件設(shè)計(jì)軟件面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的單材料零件可以用通常的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件建模,，該軟件只需要幾何圖形作為輸入。對(duì)于多材料零件,，應(yīng)定義其不同的材料特性,、空間分布和幾何形狀�,；�于體素建模的3D CAD軟件可以實(shí)現(xiàn)這一功能,。市場(chǎng)上有幾種相關(guān)的軟件工具，如ParaMatters和Monolith,。然而,，這些工具通常用于聚合物材料的MMAM；它們是否適用于L-PBF工藝中其他材料的MMAM尚不確定,。

6,、多材料L-PBF的潛在應(yīng)用

多材料L-PBF應(yīng)用通常將不同材料的物理特性的優(yōu)勢(shì)結(jié)合到一個(gè)零件中，以衍生出一種使用傳統(tǒng)加工方法難以實(shí)現(xiàn)的特殊功能,。

7,、結(jié)論

本文綜述了多材料L-PBF的最新研究進(jìn)展。還討論了潛在的挑戰(zhàn)和應(yīng)用,。

選擇性粉末沉積技術(shù)的發(fā)展使多材料L-PBF成為可能,，研究人員已經(jīng)展示了使用該方法處理的一系列多材料樣品。通常,，經(jīng)L-PBF處理的多金屬樣品在材料界面處表現(xiàn)出良好的冶金結(jié)合,。然而，材料物理性能的變化和兼容性不足很容易導(dǎo)致缺陷,，例如高熔點(diǎn)的未熔化粉末,、裂紋,、脆性金屬間化合物和界面處的LME,。雖然用L-PBF生產(chǎn)雜化金屬-陶瓷和金屬-聚合物組合物在技術(shù)上是可行的,，但還需要進(jìn)一步深入的材料科學(xué)研究。

多材料L-PBF是可行的,，具有廣闊的應(yīng)用前景,。然而，目前的技術(shù)成熟度仍不足以直接用于工業(yè)應(yīng)用,；因此,，必須進(jìn)一步研究該技術(shù)。特別是,，必須對(duì)相變,、熱力學(xué)計(jì)算、建模和數(shù)值模擬進(jìn)行理論研究,。這些調(diào)查對(duì)于提高流程效率以及減少流程缺陷和成本至關(guān)重要,。


來源：Recent progress and scientific challenges in multi-material additive manufacturing via laser-based powder bed fusion, Virtual and Physical Prototyping，DOI: 10.1080/17452759.2021.1928520