《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)濟高效生產(chǎn)復(fù)雜近凈形狀部件和減少工具周期時間的優(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)運而生，它通過在打印過程中將元素粉末進行混合和均勻化,，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)計的自由度,。為了解決這一問題，研究人員開始利用激光平臺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)計的邊界,。然而,，要在熔融狀態(tài)和成形狀態(tài)下實現(xiàn)合金的均勻性仍面臨挑戰(zhàn)。

奧克蘭大學(xué)曹鵬團隊深入探討了通過增材制造技術(shù)進行金屬合金設(shè)計的最新進展,，特別是通過粉末工程和先進計算建模的結(jié)合,，如何優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)和機械性能。文章詳細介紹了粉末準備的預(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)和計算模型實現(xiàn)化學(xué)均勻性。通過對這些先進技術(shù)的系統(tǒng)梳理,，本文為推動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β晶粒共存的熔巖狀異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。(e)細針狀α′的透射電鏡,。超細孿晶結(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)計建造的Ti6Al4V的STEM-EDS繪圖,。(d)設(shè)計建造的UTM合金的STEM-EDS繪圖。(e)設(shè)計制造的Ti6Al4V的相圖,，(f)設(shè)計制造的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)中細胞的干細胞HAADF圖像以及鋁,、硅、鎂,、鈦和硼的相應(yīng)EDX圖譜,。(TiB2強化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現(xiàn)CET和晶粒細化的總結(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)改進的GPA機和分級材料。(e)ti 6 al 4v的反極圖,，說明超聲波振動如何影響晶粒細化和CET,。(f)顯示超聲波振動效果的熔池示意圖。

圖11.在MMAM使用動力學(xué)建�,？刂葡嘧兏攀�:(a)和(b)顯示了兩個等距視圖,，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)和實驗結(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間快照。

圖14.總結(jié)了增強MMAM過程控制的建模方法,。(a)具有不同熱靜置時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)測準確性,，將實驗結(jié)果與來自生成式機器學(xué)習(xí)模型的模擬進行比較。(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熔池動力學(xué)模擬概要:(a)和(NiAl表面混合物的形成:白色(Ni)和藍色(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運動,，而紅色實線箭頭表示3D圓周運動,。(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,，(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算模型輔助的處理條件的優(yōu)化。通過最近的實例強調(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分析有可能在粉末原料設(shè)計中實現(xiàn)特定位置的微觀結(jié)構(gòu)和增強的機械性能,。

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)晶粒細化劑至關(guān)重要，該細化劑在凝固過程中提供最大的成核位點,，同時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),、計算流體動力學(xué)(CFD)和流體體積(VOF)法等計算工具對于預(yù)測和控制熔池行為,、相變和缺陷形成是不可或缺的。通過將實驗數(shù)據(jù)與這些模型相結(jié)合,，有可能優(yōu)化處理條件,，而不依賴于大量的反復(fù)試驗。此外,，綜述討論了增強模型的需要,，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)動的仿真平臺為提高這些模型的準確性和速度提供了新的機會。

這篇綜述強調(diào)了先進粉末原料制備,、凝固控制和計算模型的集成對于在激光輔助制造中實現(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，以及強大的計算工具,，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時監(jiān)測，以及拓撲優(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,、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)十項科研項目,，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 (ASM),，材料研究學(xué)會(MRS)會員,、新西蘭皇家學(xué)會 (RSNZ)會員；上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室客座教授,；北京科技大學(xué)客座教授,；中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室客座高級科學(xué)家。

個人資料來源：https://clxy.chd.edu.cn/info/1264/9079.htm

Wuxin Yang,，奧克蘭大學(xué)博士后,。

個人資料來源：https://profiles.auckland.ac.nz/wuxin-yang