根據(jù)3D科學(xué)谷《金屬與金屬 l 多材料和蜂窩超材料的3D打印設(shè)計、特性、應(yīng)用、挑戰(zhàn)》一文，多材料AM-增材制造為設(shè)計具有改進性能的復(fù)雜、功能性、高度個性化和高附價產(chǎn)品提供了多種機會，不同比例的材料集成可以定制組件的性能，包括電學(xué)、熱學(xué)、機械、光學(xué)和多功能性能。

然而多材料中的不同材料屬性的嚴重不匹配也可能導(dǎo)致界面缺陷。根據(jù)論文《Effects of beam shaping on copper-steel interfaces in multi-material laser beam powder bed fusion》，來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的先進制造實驗室，瑞士Paul Scherrer 研究所的中子散射和成像實驗室，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL)的熱機械冶金實驗室以及蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的金屬物理與技術(shù)實驗室的科學(xué)家率先在多材料激光粉末床融合中使用激光束整形， 通過深入研究銅鋼組合，解決了界面處的脆化現(xiàn)象，即銅污染裂紋 (CCC)，將界面處的材料混合限制在幾十微米內(nèi)。 與傳統(tǒng)的高斯光束激光器相比，這不僅顯著減少了界面缺陷，而且改變了多材料結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)。

▲ 光束影響加工結(jié)果

© 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

首先，由于銅合金和鋼的熱膨脹系數(shù)(CTEs)差異大，導(dǎo)致在銅合金-不銹鋼界面處產(chǎn)生大量失配應(yīng)變和殘余應(yīng)力，可能引起開裂。其次，這兩種合金在固態(tài)和液態(tài)下是互不相溶的，從而需重點關(guān)注其界面結(jié)構(gòu)完整性。第三，觀察在冷卻兩種合金的熔融混合物時發(fā)現(xiàn)，鋼先凝固導(dǎo)致液態(tài)銅合金滲入其晶界。在凝固過程中，銅合金發(fā)生收縮，導(dǎo)致材料產(chǎn)生液化裂紋。因此，傳統(tǒng)的加工方法如鑄造等，無法成功混合銅-鋼合金。

《Laser powder bed fusion of immiscible steel and bronze: A compositional gradient approach for optimum constituent combination》

光束整形

多材料增材制造工藝能夠創(chuàng)建具有復(fù)雜幾何形狀的雙金屬結(jié)構(gòu)，這是其他方法無法制造的。 例如，將銅合金和不銹鋼合并到單個組件中可以利用銅的高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及鋼的機械強度和耐磨性。 這種集成可用于發(fā)電、傳熱和電子等多個領(lǐng)域。

▲ 多材料3D打印

© 3D科學(xué)谷白皮書

根據(jù)3D科學(xué)谷《金屬與金屬 l 多材料和蜂窩超材料的3D打印設(shè)計、特性、應(yīng)用、挑戰(zhàn)》一文，傳統(tǒng)的鋼-銅 多材料 組件制造包括以下步驟：焊接、熱軋和復(fù)合鑄造。然而，多材料AM-增材制造技術(shù)可以在優(yōu)化的工藝條件下一步生產(chǎn)出機械性能得到改善的 316 L/CuSn10 不銹鋼銅合金組件，并防止界面處出現(xiàn)裂紋且實現(xiàn)晶格設(shè)計，這在傳統(tǒng)制造方法中是不可能的。

為了克服 LPBF 過程中的多次送粉和弱結(jié)合限制，此前，研究人員提出了一種內(nèi)部開發(fā)的原位粉末混合裝置，用于使用 LPBF 制造純 Fe、Fe/Al-12Si（體積比 55:45）和 Al-12Si 多材料產(chǎn)品，由于混合 Fe，其表現(xiàn)出足夠強的結(jié)合，盡管獲得了可喜的結(jié)果，但 Fe/Al-12Si 復(fù)合材料的可加工性顯示出缺乏尺寸精度。

開裂主要是銅滲透到鋼的晶界中，從而當鋼內(nèi)存在拉應(yīng)力時促進晶間裂紋。此前，許多研究人員嘗試制造具有尖銳界面的銅鋼結(jié)構(gòu)。然而，熔化過程導(dǎo)致界面處化學(xué)成分逐漸轉(zhuǎn)變，形成混合區(qū)。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和其研究合作伙伴利用光束整形為制造高度定義的界面創(chuàng)造了機會。雖然缺乏在多材料應(yīng)用的增材制造背景下使用光束整形的記錄實例，但可以從此前密切相關(guān)的領(lǐng)域收集有價值的見解。此前，根據(jù)《一文洞悉或?qū)⑸羁逃绊慙-PBF激光粉末床金屬3D打印的光束整形技術(shù)》所述，2021年德國弗勞恩霍夫Fraunhofer IAPT（增材生產(chǎn)技術(shù)研究所）在一個令人驚訝的公告中展示了一個正在進行的項目結(jié)果，該項目質(zhì)疑高斯激光光束輪廓是否真的是L-PBF 激光粉末床金屬3D打印的最有效路徑。激光光束一般為能量非均勻分布的高斯光束,因此,在諸如激光加工、激光焊接、激光雕刻、激光打孔、激光核物理、生物醫(yī)學(xué)工程以等技術(shù)領(lǐng)域,因能量非均勻分布將引起局部溫度過高而影響激光與物質(zhì)間的相互作用,進而限制了其應(yīng)用。因此,需要將高斯光束整形成為能量均勻分布的平頂光束,以消除能量不均引起的不良效果。Fraunhofer通過將 nLIGHT / Optoprim Germany GmbH 公司的環(huán)形模式激光器集成到市售的 L-PBF 激光粉末床金屬3D打印系統(tǒng)中，并通過 Materialise Control 平臺和 Materialise Build Processor 軟件的開放系統(tǒng)架構(gòu)進行控制，以進一步挖掘金屬3D打印如何提高質(zhì)量控制和提升生產(chǎn)力的潛力。

此前，慕尼黑工業(yè)大學(xué) (TUM) 的研究也發(fā)現(xiàn)，光束整形可以控制不銹鋼 316L 的微觀結(jié)構(gòu)和材料性能。不同的 AFX 光束形狀可以優(yōu)化熔體軌跡的幾何形狀和溫度分布，從而控制晶粒生長方向和織構(gòu)，進而決定材料特性。通過對晶粒生長的這種戰(zhàn)略控制，可以微調(diào)由此產(chǎn)生的組件特性。例如，可以使組件的某些部分特別堅硬或柔韌，而無需任何額外的后處理。使用復(fù)雜的暴光策略，也可以在單個組件內(nèi)改變屬性。

雙金屬

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院及其研究合作伙伴發(fā)現(xiàn)，在多材料應(yīng)用的背景下，光束整形的環(huán)模式配置似乎有望實現(xiàn)界面化學(xué)成分的離散轉(zhuǎn)變。由于環(huán)模激光器與較小的熔池縱橫比和較小的穿透深度相關(guān)，因此它應(yīng)該降低稀釋度，從而產(chǎn)生比高斯光束更清晰的界面。值得注意的是，環(huán)形模式激光器之前尚未用于多材料L-PBF激光粉末床金屬3D打印。因此，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院及其研究合作伙伴的研究旨在研究環(huán)模激光器產(chǎn)生較淺熔池的潛力是否可以外推到多材料L-PBF激光粉末床金屬3D打印領(lǐng)域，以最大限度地減少銅-鋼組合中的晶間裂紋。此外，研究人員還研究了光束整形是否對多材料樣品的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生其他影響。

© 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

在本研究中，通過在 316L 不銹鋼上制造CuCrZr，首次在多材料L-PBF激光粉末床金屬3D打印領(lǐng)域檢驗了環(huán)模激光器的使用。使用環(huán)形模式和高斯光束源生產(chǎn)的樣本的比較分析揭示了以下結(jié)果：

- 使用高斯和環(huán)模激光源實現(xiàn)了致密的單一材料 CuCrZr 零件（相對密度 > 99%）。然而，從單一材料研究中確定的最佳加工參數(shù)不能直接轉(zhuǎn)移到多材料樣本上。事實上，使用具有相同參數(shù)的高斯光束，從單材料打印到多材料打印，已觀察到鎖孔現(xiàn)象大幅增加。環(huán)形模式?jīng)]有觀察到相同的趨勢，因為在這種情況下能量在光束區(qū)域內(nèi)分布更均勻，從而減少了局部加熱。因此，建議直接在不同的結(jié)構(gòu)中進行多材料樣本的處理窗口研究，而不是使用單一材料。

- 使用環(huán)形模式激光源可以使通過多材料L-PBF激光粉末床金屬3D打印制造的 CuCrZr 和 316L 之間的界面更加清晰，從 316L 過渡到 CuCrZr 需要大約 50 μm。相反，使用高斯光束源生產(chǎn)的所有 20 層 CuCrZr 都保留了殘余鋼，產(chǎn)生了超過 1180 μm 的混合區(qū)。

- 與高斯光束相比，環(huán)模激光束源的使用提高了 CuCrZr 和 316L 之間的界面質(zhì)量，無孔隙且裂紋不那么嚴重就證明了這一點。孔隙率的缺失可歸因于激光強度在光束直徑上更均勻的分布，從而抑制了匙孔，而混合和裂紋的減少可歸因于形成的較淺熔池。

- 就最終的微觀結(jié)構(gòu)而言，與環(huán)模激光源相比，高斯光束在 CuCrZr 內(nèi)產(chǎn)生了更小、更等軸的晶粒凝固，這可能與銅合金中溶解的更高量的 Fe 相關(guān)。這增加了異質(zhì)成核并可能導(dǎo)致無分區(qū)凝固。

- 用環(huán)模激光打印的具有 20 個 CuCrZr 層的樣本顯示出細長的晶粒，正如定向凝固所預(yù)期的那樣，以及平行于構(gòu)建方向的晶體織構(gòu)，這是通過多材料L-PBF激光粉末床金屬3D打印制造的 FCC 材料的特征。

國內(nèi)進展

國內(nèi)方面，此前，浙江工業(yè)大學(xué)激光先進制造研究院分享了一項激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技術(shù)制備的鋼/銅多材料研究成果。該研究成果來自于北京科技大學(xué)張百成團隊，研究了激光粉末床熔融（LPBF）制備的Cu10Sn-SS316L（青銅-奧氏體316L不銹鋼）成分梯度合金的顯微組織和力學(xué)性能，實現(xiàn)了納米級鐵顆粒的彌散分布控制。相關(guān)研究成果以題為“Laser powder bed fusion of immiscible steel and bronze: A compositional gradient approach for optimum constituent combination”的論文發(fā)表在材料學(xué)TOP期刊《Acta Materials》上。

為了解決這一問題，北京科技大學(xué)張百成團隊研究了激光粉末床熔融（LPBF）制備的Cu10Sn-SS316L（青銅-奧氏體316L不銹鋼）成分梯度合金的顯微組織和力學(xué)性能。通過實驗篩選，發(fā)現(xiàn)在80%Cu10Sn-20%SS316L的成分配比下，沉積部件具有遠高于兩種原材料的力學(xué)性能（UTS>800 MPa，EL>9%）。通過實驗觀察與模擬研究，在LPBF微觀熔池中，在馬爾戈尼效應(yīng)以及熔池末端聲波作用下，雙液相被進一步分散均勻化。同時，在超快冷速（106~107K/s）的條件下，富銅液相發(fā)生了納米尺度下的旋節(jié)分解，最終形成了彌散分布在銅基體中的納米級BCC相球形鐵顆粒結(jié)構(gòu)，這種納米結(jié)構(gòu)在材料形變過程中起到釘扎作用，從而提高了力學(xué)性能。這一發(fā)現(xiàn)為高能束增材制造材料設(shè)計與性能優(yōu)化提供了一條嶄新的思路。