激光粉末床融合多材料增材制造的最新進展和科學挑戰(zhàn)（3）

江蘇激光聯(lián)盟

導讀:本文綜述了多材料L-PBF的最新進展，包括多材料粉末沉積機理、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以及潛在的應用。本文為第三部分。


5.1.2. LME
LME缺陷本質上是一種應力腐蝕開裂，可用Galvele的原子表面遷移率（ASM）模型描述，如圖7所示。根據該模型，裂紋通過金屬和離子從裂紋尖端擴散到裂紋壁表面而擴展。Fredriksson、Hansson和Olsson（2001）提出了Fe–Cu系統(tǒng)中LME誘導裂紋的形成機制。在激光熔煉過程中，液態(tài)銅擴散到鐵顆粒中，產生了柯肯德爾效應。這導致空位擴散到其凝結的晶界，形成晶界裂紋，并填充液化的Cu?？瘴坏哪酆捅砻?界面自由能的變化提供了液態(tài)銅元素穿透鐵晶界的驅動力。LME出現的兩個先決條件如下：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特別容易發(fā)生此類裂紋。Huang等人（2019）報告說，只要基底金屬溫度高于銅的熔點，LME誘發(fā)的裂紋就會繼續(xù)擴展。

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、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，從而導致熔池重疊不足。此外，如圖8-a所示，由于未熔合而產生的缺陷，包括氣孔和未熔融顆粒，可能出現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。它們的熔點和激光吸收率的差異很容易導致因未熔合而導致的缺陷。

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。

兩種材料熔點之間的巨大差異導致熔點較低的材料在熔化過程中蒸發(fā)。相比之下，熔點高的材料熔化不足。這可能導致缺陷，如元素偏析、氣孔和粉末不溶性，最終會降低加工零件的機械性能?？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使用激光功率可以抑制低熔點金屬元素的蒸發(fā)，并減少偏析。研究人員試圖通過優(yōu)化激光加工參數、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致的缺陷。如果兩種材料的熔點相似，則上述措施適用于抑制因未熔合而產生的缺陷。然而，如果其熔點之間的差異非常大，則上述策略的有效性可能會受到限制。

L-PBF印刷零件的表面粗糙度通常比傳統(tǒng)加工產生的粗糙度差。因此，研究人員試圖通過優(yōu)化加工參數和模擬來改善L-PBF零件的表面質量。對于多種材料，材料界面處的不良表面質量可能是一個優(yōu)勢，因為它可以增加兩種材料之間的接觸面積，從而提高其冶金結合強度。熔池中Marangoni對流引起的循環(huán)流將兩種材料徹底混合，導致陶瓷鋼中出現鋸齒狀互鎖微觀結構。

使用元素Al+Si12粉末ASLM工藝生產的無支撐懸挑組件。

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致元素分離（包括元素富集區(qū)的分離和擴散不足）。材料質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設計中，高密度和低密度材料應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。熱處理可以微調相分布和轉變，釋放內應力，從而改善力學性能。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，并產生了高通量生產率，如顆粒增強金屬基復合材料、高熵合金和金屬間化合物。與預合金粉末相比，粉末混合法具有元素組成靈活、粉末粒度可控性高、成本低、時效性好等優(yōu)點。盡管有這些明顯的優(yōu)勢，L-PBF原位合金化方法也有缺點，例如重復性差、粉末未熔化以及試樣中的高度不均勻區(qū)域。L-PBF處理的微觀結構的均勻性主要取決于混合粉末的粒度和混合方法。

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

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層厚度的建議，以增加激光束穿透深度，并抑制因未熔合而導致的缺陷。

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-陶瓷復合粉末具有挑戰(zhàn)性，因為金屬和陶瓷的晶體結構不同，導致熔點差異很大。陶瓷晶體的強鍵會使元素擴散極其困難。它們的熱膨脹系數相差很大，導致陶瓷側的接頭和裂紋處產生顯著的熱應力。粘結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-PBF的能量輸入可能有助于實現金屬-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)是如何避免低熔點聚合物粉末的分解和氣化。產生的煙霧對金屬熔池產生不利影響。解決這一問題的策略之一是使用熔點盡可能相似的金屬和聚合物粉末。此外，在部件設計中，金屬和聚合物部件設置在一定的距離，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處理可以逐步實現。首先，使用L-PBF打印高熔點的金屬零件。然后，將半成品放入SLA設備中，以打印低熔點聚合物。這種方法的缺點是SLA的加工自由度可能會受到預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LMPA，藍色區(qū)域為PP基質46。（b） LMPA導電填料和環(huán)氧樹脂的圖像。

5.2. 其他技術挑戰(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導致一定量的粉末交叉污染。受污染的粉末不能直接重復使用，因為它會降低材料性能并導致微觀結構缺陷。因此，根據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并通過篩分重復使用粉末的原理。

Woidasky描述了一套基于材料流動性的材料分離技術。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性。因此，可以根據不同形狀和粗糙度的粉末材料的流動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LMPA，藍色區(qū)域為PP基體。（b） LMPA導電填料和環(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，準確預測多材料L-PBF的熱歷史至關重要。獲得準確熱歷史的一個重要不確定性與高溫范圍內的材料特性有關。這些特性包括材料密度、比熱、表面張力系數、粘度、激光吸收率、熱導率以及材料熔化和汽化的潛熱。目前，關于混合材料普遍物理性質的實驗數據還不夠充分。這妨礙了在介觀和微觀尺度上準確預測多材料L-PBF結果的校準建模。

5.2.3. 實驗方法的挑戰(zhàn)

激光AM工藝容易形成缺陷，對于多材料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，尤其是如果該零件為FGM結構。因此，基于傳統(tǒng)試錯測試方法和簡單正交實驗的實驗工作量可能會大幅增加，無疑會大幅增加用于研究的時間和經濟成本。實驗的統(tǒng)計設計和人工智能預測方法有助于得出最佳工藝參數并減少實際物理實驗的數量。Rankouhi等人報告了使用機器學習優(yōu)化316L–Cu復合材料的L-PBF加工參數。此外，許多研究人員已經實施了機器學習算法，以分析共軸/離軸傳感技術（例如高溫計、高速攝像機和紅外攝像機）收集的熔池信息，用于缺陷識別和分類。這種技術也有助于提高印刷質量和研究效率。

5.2.4. 生產效率

與AM方法（如L-DED）相比，L-PBF需要在熔化之前進行材料沉積，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，從而降低了生產效率?；诒疚膱蟮赖男滦头勰╀佌箼C制，開發(fā)高效、高質量的異種粉末鋪展裝置，是多材料L-PBF工業(yè)化應用和商業(yè)化的前提。

5.2.5. 多材料構件設計軟件面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的單材料零件可以用通常的計算機輔助設計（CAD）軟件建模，該軟件只需要幾何圖形作為輸入。對于多材料零件，應定義其不同的材料特性、空間分布和幾何形狀?；隗w素建模的3D CAD軟件可以實現這一功能。市場上有幾種相關的軟件工具，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的潛在應用

多材料L-PBF應用通常將不同材料的物理特性的優(yōu)勢結合到一個零件中，以衍生出一種使用傳統(tǒng)加工方法難以實現的特殊功能。

7、結論

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

選擇性粉末沉積技術的發(fā)展使多材料L-PBF成為可能，研究人員已經展示了使用該方法處理的一系列多材料樣品。通常，經L-PBF處理的多金屬樣品在材料界面處表現出良好的冶金結合。然而，材料物理性能的變化和兼容性不足很容易導致缺陷，例如高熔點的未熔化粉末、裂紋、脆性金屬間化合物和界面處的LME。雖然用L-PBF生產雜化金屬-陶瓷和金屬-聚合物組合物在技術上是可行的，但還需要進一步深入的材料科學研究。

多材料L-PBF是可行的，具有廣闊的應用前景。然而，目前的技術成熟度仍不足以直接用于工業(yè)應用；因此，必須進一步研究該技術。特別是，必須對相變、熱力學計算、建模和數值模擬進行理論研究。這些調查對于提高流程效率以及減少流程缺陷和成本至關重要。


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