來自曼徹斯特大學的 Lin Li院士團隊的綜述給出了采用三種激光增材製造技術.即SLM，DED和 LIFT三種技術在多元金屬３D打印中的應用.並從(cong) 宏觀到微觀介紹了其研究進展和發展趨勢,該文發表在近期出版的期刊《 Int. J. Extrem. Manuf》上.

文章摘要:

增材製造作為(wei) 一種可以實現定製化的3D打印功能性的先進製造技術受到人們(men) 的廣泛關(guan) 注。該技術具有自由設計，減少製造步驟，減少製造成本和減少製造流程的環節等優(you) 點.然而,現存的金屬3D打印技術,主要針對的是單一材料的打印.隨著對金屬3D打印部件需求的不斷增多，需要開展兩(liang) 種或者更多種的異類材料在一個(ge) 部件中製造出來．因此，研究多材料的３D打印開始受到人們(men) 的關(guan) 注.激光是當前廣泛的應用到金屬的3D打印的一種熱源．在這裏，我們(men) 為(wei) 大家報道了以激光技術為(wei) 基礎的宏觀到微觀的多元金屬的３D打印的研究進展和發展趨勢．在文章提到的激光為(wei) 基礎的３D打印技術包括:粉末床打印SLM,激光能量直接沉積技術DED和激光誘發向前轉移技術( laser-induced forward transfer， LIFT）這三種技術在多元金屬增材製造中的應用.其相關(guan) 原理和工藝/材料的特征均給予了介紹.潛在的應用和麵臨(lin) 的挑戰也給予了討論.最後,該技術的未來研究方向和展望也給予了介紹.

全文概述:

增材製造(AM,又叫3D打印)是一種快速原型技術和製造技術,利用高能束流將粉末狀或者絲(si) 材通過熔化的辦法進行層層連接而形成三維實體(ti) 材料的一種製造技術.AM製造技術同傳(chuan) 統的製造工藝相比較,其優(you) 點在於(yu) 高的製造效率,材料浪費少,製造流程短,可以製造複雜形狀的部件和減少部件製造的生產(chan) 環節.激光可以以很小的激光束來進行加熱熔化材料,因此其熔池和熱影響區均可以很小,從(cong) 而使得其能量密度比較 高,能量就可以很好的控製,從(cong) 而製造出精確的部件出來.因此,激光為(wei) 能量源的3D打印技術得到了廣泛的應用，尤其是在製造高熔點金屬的AM製造上．宏觀尺寸的激光增材製造技術包括：以粉末床為(wei) 基礎的SLM技術和激光能量直接沉積DED技術.進行微觀3D打印,實現微納製造的3D打印技術為(wei) 激光誘發向前轉移技術( laser-induced forward transfer， LIFT）,激光微觀熔覆,顯微立體(ti) 光刻(micro-stereolithography),雙光子光聚合(two-photon polymerization),激光直寫(xie) (laser direct writing (LDW)),脈衝(chong) 激光沉積等.

多材料的增材製造開始受到廣泛關(guan) 注.同常見的AM技術相比較,多元金屬材料的增材製造將材料的自由設計,例如將結構和功能集合在一起實現材料性能的定製(如局部的耐磨損,高的熱導率,絕熱,耐腐蝕等),甚至在3D打印部件中引入新的自由設計.剛開始的多元金屬增材製造主要局限在聚合物材料的打印上.然而,但聚合物材料不能滿足高溫,高載荷和強振動的場合.此外,聚合物材料通常缺少導電和導熱的性質,從(cong) 而不能滿足功能器件的要求.因此,航空航天,國防,醫療和核電等工業(ye) 可以得益於(yu) 金屬為(wei) 基礎的多元增材製造技術的自由設計技術,來進一步的提高功能的集成性和減少製造成本.

多元金屬增材製造技術,作為(wei) 一種新問世的技術,仍然處於(yu) 胚胎發育時期.Chen等人綜述了采用不同材料製造具有功能梯度的材料係統,采用的材料為(wei) Ti基,Fe基體(ti) 等,使用的是DED技術,同時采用SLM技術製備了梯度的支架.Yan等人則報道了采用L-DED技術製備功能梯度材料的研究進展．Mahmoud等人則報道了一個(ge) 類似的綜述，製造對象是以骨科植入物的應用為(wei) 目的的．Bandyopadhyay等人則報道了多元材料打印為(wei) 基礎的聚合物材料，金屬－金屬，金屬－陶瓷材料組合的打印以及該技術所帶來的優(you) 點．以DED為(wei) 基礎的多元材料的增材製造方麵的綜述比較多．需要注意的是，對以金屬為(wei) 基礎的多原材料的增材製造的綜合性的綜述還比較少，尤其是涵蓋宏觀到微觀製造的，更是沒有，尤其是最近關(guan) 於(yu) SLM和LIFT為(wei) 基礎的多元材料的增材製造非常少見．在本文中，來自曼徹斯特大學的研究人員總結了近年來關(guan) 於(yu) 以金屬為(wei) 基礎的多元金屬增材製造技術從(cong) 宏觀到微觀尺寸的製造及其應用，尤其是以SLM和LIFT為(wei) 基礎的多元金屬增材製造的工藝及其技術．對於(yu) 該技術的潛在應用和麵臨(lin) 的挑戰以及未來的展望均給予了介紹．

位於(yu) 英國的曼徹斯特大學發展了一種以超聲振動為(wei) 基礎的精密送粉裝置,見圖1(a)來實現SLM過程中的粉末材料的輸送.這一辦法是采用超聲波在固體(ti) 介質中來精確的控製精細粉末的輸送,同時使用一個(ge) 輻射的高頻振動的微型振動電機來連續的將聚焦在噴嘴的粉末進行鬆散以確保粉末的穩定流動.超聲振動裝置的噴嘴的針徑是粉末平均直徑的20倍,以確保粉末的分散和粉末層所需要的厚度.然而,這也造成超聲振動的粉末輸送速度會(hui) 比較低.為(wei) 解決(jue) 這一問題,,曼徹斯特大學的研究人員將傳(chuan) 統的粉末輸送機理,點對點的真空粉末移除和點對點的超聲粉末分配結合在一起來輸送 多材料到指定的位置.如圖1a所示,主送粉A通過粉末刀或者刮刀來增加工藝的效率,一個(ge) 微型的真空粉末移除辦法和和一個(ge) 超聲粉末分配的辦法用來精確的移除未熔化的粉末A和沉積第二次的粉末B,兩(liang) 者是分別進行的.他們(men) 將這一裝置集成到SLM係統中,見圖3b所示,來打印一係列的多材料,見圖1 (c1)–(c3)) ,其組成為(wei) 316L不鏽鋼和Cu10Sn銅合金粉末來驗證該多材料打印係統的可行性.得益於(yu) 該粉末分配係統的結構緊湊性,他們(men) 將6個(ge) 粉末輸送裝置排列在一起來儲(chu) 存和沉積6種不同的粉末來製備出成分不同的粉末所製造的部件,並成功的製備出功能梯度的部件來,見圖1 (d1) 和 (d2)).功能梯度材料的優(you) 點在於(yu) 其物理性能,優(you) 異的熱性能可以梯度的從(cong) 一種材料變化到另外一種材料,同時還可以避免由於(yu) 材料性能的突然變化所帶來的缺陷的形成.曼徹斯特大學 已經實現了SLM技術製造多元材料並實現材料物理性能的定製.來自曼徹斯特大學的研究人會(hui) 員將進一步的拓展上述技術的應用,將應用到打印金屬/玻璃樣品上,見圖1e和金屬/聚合物上,見圖1f和金屬/陶瓷樣品上.

圖1(a) 曼徹斯特大學所發展的以SLM為(wei) 基礎的多材料打印的示意圖; (b)相關(guan) 的實驗裝置的示意圖 , (c1)–(c3)SLM技術製造的 316 l-Cu10Sn 樣品, (d1) 316 L-Cu10Sn功能梯度的渦輪盤樣品 ;(d2) 埃菲爾鐵塔樣品, (e) Cu10Sn-玻璃吊墜樣品, (f ) Cu10Sn-PA11 樣品.

同傳(chuan) 統的LSM技術打印單一材料相比較,在多元材料的SLM製造過程中,異種材料的連接是一個(ge) 非常重要的話題.正如焊接異種材料一樣,其工藝過程顯著的影響著整個(ge) 部件的性能.對於(yu) 不同的材料組合,其相容性,可混合性以及材料的熱性能都是在設計階段需要考慮的問題.為(wei) 了在SLM過程中實現多元材料獲得理想的機械性能和冶金性能的接頭,研究人員研究了不同的連接策略,包括直接連接,功能梯度連接和界麵處過渡層連接等手段,如圖2所示.早先的研究使用了不同的金屬組合來進行多元材料的連接.

圖2 連接異種材料時的不同連接策略

Pan等人采用以激光為(wei) 能量源的DED技術製造了In625-Cu雙金屬結構材料.In625直接在Cu基材上進行製造,沒有裂紋和有少量的氣孔沿著界麵被觀察到.同純粹的In625部件相比較,這一雙金屬部件呈現出提高的熱導率.然而,麵臨(lin) 的挑戰是如何在雙金屬的結合區獲得理想的連接層,因為(wei) 兩(liang) 者材料的熱-物理性質是顯著不同的.功能梯度材料可以消除尖銳的界麵所帶來的問題和形成一個(ge) 在兩(liang) 個(ge) 材料之間平滑過渡的界麵來.一個(ge) 典型的功能梯度材料可以減少機械應力和熱應力以增加部件的使用壽命.而且,有可能通過控製化學成分的變化來實現避免不應該出現的相的存在.Onuike等人報道了以激光為(wei) 基礎的DED連接的製造的鎳基合金 (In718)/銅合金 (GRCop-84) 的雙金屬的比較結果:一種是直接在In 718上沉積 GRCop-84銅合金,另外一種則是成分梯度變化.結果顯示,不同材料之間的性能的不匹配造成直接連接材料的失效.相反,功能梯度的材料具有異種材料的性能的定製,增加了其相容性和提高了異種材料之間的連接性能.Zhang和 Bandyopadhyay采用激光為(wei) 能量的DED技術製造了Ti6Al4V-Al12Si材料,其結果見圖3所示.其顯微結構圖顯示了樣品中不同區域的顯微結構的變化,這主要受到激光功率和成分的雙重影響的結果.

圖3 L-DED製造的 Ti6Al4V-Ai12Si 部件: (a) 設計的功能梯度(FGM)的圓柱體(ti) 的直徑為(wei) 12.7mm; (b) Ti6Al4V-Al12Si 功能梯度材料(FGM) 結構在表麵精飾之後的結果, (c) 激光掃描路徑的角度分別為(wei) 0, 60, 120.

如新加坡南洋理工大學的研究人員采用SLM技術進行了AlSi10Mg和 UNS C18400 銅合金多元材料的製備,見圖4.其界麵采用 FIB, SEM, XRD, EDS 和 EBSD等手段進行了分析表征.結果發現Al2Cu 金屬間化合物相會(hui) 在SLM製造後的 Al/Cu 連接界麵處形成.SLM製造後的Al/Cu合金樣品的拉伸性能為(wei) 176 ± 31 MPa,三點彎曲強度,對於(yu) Cu來說為(wei) 200 MPa,對於(yu) Al來說為(wei) 500 MPa.進一步的分析則表明金屬間化合物的形成將界麵處的斷裂機製從(cong) 韌性斷裂向脆性的解理斷裂轉變.其顯微應為(wei) 硬度在界麵處變化較大,這是因為(wei) 金屬間化合物形成的緣故.

圖4 Al合金/Cu合金電連接器和拉伸樣品(南洋理工大學的成果)

一個(ge) 非常重要的限製,限製微型的電子器件的製造的技術是粉末存儲(chu) 器件的限製.後者主要取決(jue) 於(yu) 電極的尺寸.Shen等人報道了一個(ge) 采用飛秒激光來減少石墨烯氧化物來製造微型超級電容器的微型電極材料,如圖5(a2)所示,這些電極的手指所具有的長度為(wei) 100 μm, f寬 8 μm, 間距為(wei) 2 μm.緊接著,作者使用LIFT技術來精確的滴下電解液滴到每一電極的頂部以避免額外的電解質浸潤其他的電極部件和造成幹擾.整個(ge) 過程的流程見圖5(a1).作者發現介孔結構在石墨烯和小尺寸的電極且具有窄寬度和小掃描間距的區域形成,可以有效的提高離子的擴散和提高超級電容器的電化學性能,包括高的單位電容 (6.3 mF cm2和 105 F cm3)和在1000次循環之後具有~100% 阻滯.

圖5 (a1) 激光直寫(xie) 和LIFT用於(yu) 製造的工藝流程圖 (a) 超微型的石墨烯微型超級電容器; (b1)–(b6) 製造石墨烯/鎳基泡沫電極的工藝流程, (b7)–(b9) 在不同階段的鎳基泡沫的顯微結構

展望:

在過去的幾十年裏,以激光為(wei) 能源的AM製造技術經過了廣泛的研究,,對不同材料的組合進行研究以實現在一個(ge) 工藝過程中在一個(ge) 部件上實現打印異種材料,同時實踐也證明不同的AM製造技術可以用來加工多元金屬部件,實現從(cong) 達到米級的尺度的部件,小到微米尺度的器件.這些研究為(wei) 以激光為(wei) 基礎的多元材料的AM製造從(cong) 實驗室走向商業(ye) 應用奠定了堅實的基礎.激光為(wei) 基礎的多元材料增材製造技術具有很多顯著的優(you) 點,同傳(chuan) 統工藝相比較,如簡化了工藝製造流程,增加了設計的自由度和減少了原型製造的成本和時間等.多元材料增材製造技術未來的應用將會(hui) 是多學科交叉融合的結果,包括機械工程,製造工程,材料科學,電子,光子,生物學和其他學科等.如何將複合製造係統整合到一起,實現部件的長期的服役可靠性尚需要進一步的研究.解決(jue) 這些挑戰需要我們(men) 不斷的努力,但隨著應用領域從(cong) 航空航天到能源等領域的應用和工業(ye) 界的人士的不斷參與(yu) ,終究會(hui) 找到解決(jue) 辦法.

文章來源:,Chao Wei et al 2021 Int. J. Extrem. Manuf. 3 012003,An overview of laser-based multiple metallic material additive manufacturing: from macro- to micro-scales.

參考文獻:Interfacial characterization of SLM parts in multi-material processing: Intermetallic phase formation between AlSi10Mg and C18400 copper alloy,Materials Characterization,,Volume 107, September 2015, Pages 220-227,