无裂纹的双金属！铜-钢多材料3D打印获突破！

| 3DScienceValley · 2024/03/11

根据3D科学谷《金属与金属 l 多材料和蜂窝超材料的3D打印设计、特性、应用、挑战》一文，多材料AM-增材制造为设计具有改进性能的复杂、功能性、高度个性化和高附价产品提供了多种机会，不同比例的材料集成可以定制组件的性能，包括电学、热学、机械、光学和多功能性能。

然而多材料中的不同材料属性的严重不匹配也可能导致界面缺陷。根据论文《Effects of beam shaping on copper-steel interfaces in multi-material laser beam powder bed fusion》，来自苏黎世联邦理工学院的先进制造实验室，瑞士Paul Scherrer 研究所的中子散射和成像实验室，洛桑联邦理工学院 (EPFL)的热机械冶金实验室以及苏黎世联邦理工学院的金属物理与技术实验室的科学家率先在多材料激光粉末床融合中使用激光束整形，通过深入研究铜钢组合，解决了界面处的脆化现象，即铜污染裂纹 (CCC)，将界面处的材料混合限制在几十微米内。与传统的高斯光束激光器相比，这不仅显着减少了界面缺陷，而且改变了多材料结构的微观结构。

▲ 光束影响加工结果
© 苏黎世联邦理工学院

首先，由于铜合金和钢的热膨胀系数(CTEs)差异大，导致在铜合金-不锈钢界面处产生大量失配应变和残余应力，可能引起开裂。其次，这两种合金在固态和液态下是互不相溶的，从而需重点关注其界面结构完整性。第三，观察在冷却两种合金的熔融混合物时发现，钢先凝固导致液态铜合金渗入其晶界。在凝固过程中，铜合金发生收缩，导致材料产生液化裂纹。因此，传统的加工方法如铸造等，无法成功混合铜-钢合金。

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

光束整形

多材料增材制造工艺能够创建具有复杂几何形状的双金属结构，这是其他方法无法制造的。例如，将铜合金和不锈钢合并到单个组件中可以利用铜的高导电性和导热性以及钢的机械强度和耐磨性。这种集成可用于发电、传热和电子等多个领域。

▲ 多材料3D打印
© 3D科学谷白皮书

根据3D科学谷《金属与金属 l 多材料和蜂窝超材料的3D打印设计、特性、应用、挑战》一文，传统的钢-铜多材料组件制造包括以下步骤：焊接、热轧和复合铸造。然而，多材料AM-增材制造技术可以在优化的工艺条件下一步生产出机械性能得到改善的 316 L/CuSn10 不锈钢铜合金组件，并防止界面处出现裂纹且实现晶格设计，这在传统制造方法中是不可能的。

为了克服 LPBF 过程中的多次送粉和弱结合限制，此前，研究人员提出了一种内部开发的原位粉末混合装置，用于使用 LPBF 制造纯 Fe、Fe/Al-12Si（体积比 55:45）和 Al-12Si 多材料产品，由于混合 Fe，其表现出足够强的结合，尽管获得了可喜的结果，但 Fe/Al-12Si 复合材料的可加工性显示出缺乏尺寸精度。

开裂主要是铜渗透到钢的晶界中，从而当钢内存在拉应力时促进晶间裂纹。此前，许多研究人员尝试制造具有尖锐界面的铜钢结构。然而，熔化过程导致界面处化学成分逐渐转变，形成混合区。

苏黎世联邦理工学院和其研究合作伙伴利用光束整形为制造高度定义的界面创造了机会。虽然缺乏在多材料应用的增材制造背景下使用光束整形的记录实例，但可以从此前密切相关的领域收集有价值的见解。此前，根据《一文洞悉或将深刻影响L-PBF激光粉末床金属3D打印的光束整形技术》所述，2021年德国弗劳恩霍夫Fraunhofer IAPT（增材生产技术研究所）在一个令人惊讶的公告中展示了一个正在进行的项目结果，该项目质疑高斯激光光束轮廓是否真的是L-PBF 激光粉末床金属3D打印的最有效路径。激光光束一般为能量非均匀分布的高斯光束,因此,在诸如激光加工、激光焊接、激光雕刻、激光打孔、激光核物理、生物医学工程以等技术领域,因能量非均匀分布将引起局部温度过高而影响激光与物质间的相互作用,进而限制了其应用。因此,需要将高斯光束整形成为能量均匀分布的平顶光束,以消除能量不均引起的不良效果。Fraunhofer通过将 nLIGHT / Optoprim Germany GmbH 公司的环形模式激光器集成到市售的 L-PBF 激光粉末床金属3D打印系统中，并通过 Materialise Control 平台和 Materialise Build Processor 软件的开放系统架构进行控制，以进一步挖掘金属3D打印如何提高质量控制和提升生产力的潜力。

此前，慕尼黑工业大学 (TUM) 的研究也发现，光束整形可以控制不锈钢 316L 的微观结构和材料性能。不同的 AFX 光束形状可以优化熔体轨迹的几何形状和温度分布，从而控制晶粒生长方向和织构，进而决定材料特性。通过对晶粒生长的这种战略控制，可以微调由此产生的组件特性。例如，可以使组件的某些部分特别坚硬或柔韧，而无需任何额外的后处理。使用复杂的暴光策略，也可以在单个组件内改变属性。

双金属

苏黎世联邦理工学院及其研究合作伙伴发现，在多材料应用的背景下，光束整形的环模式配置似乎有望实现界面化学成分的离散转变。由于环模激光器与较小的熔池纵横比和较小的穿透深度相关，因此它应该降低稀释度，从而产生比高斯光束更清晰的界面。值得注意的是，环形模式激光器之前尚未用于多材料L-PBF激光粉末床金属3D打印。因此，苏黎世联邦理工学院及其研究合作伙伴的研究旨在研究环模激光器产生较浅熔池的潜力是否可以外推到多材料L-PBF激光粉末床金属3D打印领域，以最大限度地减少铜-钢组合中的晶间裂纹。此外，研究人员还研究了光束整形是否对多材料样品的微观结构产生其他影响。

在本研究中，通过在 316L 不锈钢上制造CuCrZr，首次在多材料L-PBF激光粉末床金属3D打印领域检验了环模激光器的使用。使用环形模式和高斯光束源生产的样本的比较分析揭示了以下结果：

- 使用高斯和环模激光源实现了致密的单一材料 CuCrZr 零件（相对密度 > 99%）。然而，从单一材料研究中确定的最佳加工参数不能直接转移到多材料样本上。事实上，使用具有相同参数的高斯光束，从单材料打印到多材料打印，已观察到锁孔现象大幅增加。环形模式没有观察到相同的趋势，因为在这种情况下能量在光束区域内分布更均匀，从而减少了局部加热。因此，建议直接在不同的结构中进行多材料样本的处理窗口研究，而不是使用单一材料。

- 使用环形模式激光源可以使通过多材料L-PBF激光粉末床金属3D打印制造的 CuCrZr 和 316L 之间的界面更加清晰，从 316L 过渡到 CuCrZr 需要大约 50 μm。相反，使用高斯光束源生产的所有 20 层 CuCrZr 都保留了残余钢，产生了超过 1180 μm 的混合区。

- 与高斯光束相比，环模激光束源的使用提高了 CuCrZr 和 316L 之间的界面质量，无孔隙且裂纹不那么严重就证明了这一点。孔隙率的缺失可归因于激光强度在光束直径上更均匀的分布，从而抑制了匙孔，而混合和裂纹的减少可归因于形成的较浅熔池。

- 就最终的微观结构而言，与环模激光源相比，高斯光束在 CuCrZr 内产生了更小、更等轴的晶粒凝固，这可能与铜合金中溶解的更高量的 Fe 相关。这增加了异质成核并可能导致无分区凝固。

- 用环模激光打印的具有 20 个 CuCrZr 层的样本显示出细长的晶粒，正如定向凝固所预期的那样，以及平行于构建方向的晶体织构，这是通过多材料L-PBF激光粉末床金属3D打印制造的 FCC 材料的特征。

国内进展

国内方面，此前，浙江工业大学激光先进制造研究院分享了一项激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术制备的钢/铜多材料研究成果。该研究成果来自于北京科技大学张百成团队，研究了激光粉末床熔融（LPBF）制备的Cu10Sn-SS316L（青铜-奥氏体316L不锈钢）成分梯度合金的显微组织和力学性能，实现了纳米级铁颗粒的弥散分布控制。相关研究成果以题为“Laser powder bed fusion of immiscible steel and bronze: A compositional gradient approach for optimum constituent combination”的论文发表在材料学TOP期刊《Acta Materials》上。

为了解决这一问题，北京科技大学张百成团队研究了激光粉末床熔融（LPBF）制备的Cu10Sn-SS316L（青铜-奥氏体316L不锈钢）成分梯度合金的显微组织和力学性能。通过实验筛选，发现在80%Cu10Sn-20%SS316L的成分配比下，沉积部件具有远高于两种原材料的力学性能（UTS>800 MPa，EL>9%）。通过实验观察与模拟研究，在LPBF微观熔池中，在马尔戈尼效应以及熔池末端声波作用下，双液相被进一步分散均匀化。同时，在超快冷速（106~107K/s）的条件下，富铜液相发生了纳米尺度下的旋节分解，最终形成了弥散分布在铜基体中的纳米级BCC相球形铁颗粒结构，这种纳米结构在材料形变过程中起到钉扎作用，从而提高了力学性能。这一发现为高能束增材制造材料设计与性能优化提供了一条崭新的思路。