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导读:本文综述了多材料L-PBF的最新进展，包括多材料粉末沉积机理、熔池行为、印刷金属-金属、金属-陶瓷和金属-聚合物多材料组分的工艺特点以及潜在的应用。本文为第三部分。
5.1.2. LME
LME缺陷本质上是一种应力腐蚀开裂，可用Galvele的原子表面迁移率（ASM）模型描述，如图7所示。根据该模型，裂纹通过金属和离子从裂纹尖端扩散到裂纹壁表面而扩展。Fredriksson、Hansson和Olsson（2001）提出了Fe–Cu系统中LME诱导裂纹的形成机制。在激光熔炼过程中，液态铜扩散到铁颗粒中，产生了柯肯德尔效应。这导致空位扩散到其凝结的晶界，形成晶界裂纹，并填充液化的Cu。空位的凝聚和表面/界面自由能的变化提供了液态铜元素穿透铁晶界的驱动力。LME出现的两个先决条件如下：固体和液体金属之间的相容性低，固体和液体偶之间不存在金属间相（旧1980）。与铁素体不锈钢和镍合金不同，奥氏体不锈钢（如316L）在遇到液化铜合金时特别容易发生此类裂纹。Huang等人（2019）报告说，只要基底金属温度高于铜的熔点，LME诱发的裂纹就会继续扩展。
图7 ASM模型（Galvele 1987）。
5.1.3. 未熔合和元素分离
为了形成3D组件，L-PBF利用激光束提供的热量逐点、逐线、逐层熔化粉末颗粒。
如果激光能量密度不足，则相邻熔池的宽度或深度可能不够，从而导致熔池重叠不足。此外，如图8-a所示，由于未熔合而产生的缺陷，包括气孔和未熔融颗粒，可能出现在粉末床的固液界面接合处。L-PBF的粉末颗粒直径范围通常为15–45μm（高斯分布，平均直径约为20μm），粉末床层厚度通常超过30μm。因此，粉末层可以堆叠许多直径小于粉末层厚度的粉末颗粒，如图8-b1所示。粉末颗粒之间的多次散射（图8-b1和b2）可导致粉末的激光吸收率超过扁平固体块体金属的激光吸收率。然而，大多数激光能量被顶层粉末吸收，其次是亚表层粉末。只有大约1%的能量被基底/预熔粉末层颗粒吸收。在多材料L-PBF工艺中，同一层中的表面和亚表面粉末可能由不同的材料组成。它们的熔点和激光吸收率的差异很容易导致因未熔合而导致的缺陷。
图8 a）未熔合缺陷示意图，b1）理想粉末颗粒阵列辐照期间的典型射线，b2）粉末颗粒之间的多次散射。
两种材料熔点之间的巨大差异导致熔点较低的材料在熔化过程中蒸发。相比之下，熔点高的材料熔化不足。这可能导致缺陷，如元素偏析、气孔和粉末不溶性，最终会降低加工零件的机械性能。可通过均化热处理减少元素偏析。此外，在中等范围和高扫描速度下同时使用激光功率可以抑制低熔点金属元素的蒸发，并减少偏析。研究人员试图通过优化激光加工参数、孵化距离和激光功率、优化扫描策略以及使用top-hat激光轮廓来减少因未熔合而导致的缺陷。如果两种材料的熔点相似，则上述措施适用于抑制因未熔合而产生的缺陷。然而，如果其熔点之间的差异非常大，则上述策略的有效性可能会受到限制。
L-PBF印刷零件的表面粗糙度通常比传统加工产生的粗糙度差。因此，研究人员试图通过优化加工参数和模拟来改善L-PBF零件的表面质量。对于多种材料，材料界面处的不良表面质量可能是一个优势，因为它可以增加两种材料之间的接触面积，从而提高其冶金结合强度。熔池中Marangoni对流引起的循环流将两种材料彻底混合，导致陶瓷钢中出现锯齿状互锁微观结构。
使用元素Al+Si12粉末ASLM工艺生产的无支撑悬挑组件。
各种粉末混合物元素密度和液体粘度的巨大差异也可能导致元素分离（包括元素富集区的分离和扩散不足）。材料质量密度较高的元素沉入熔池底部，并在熔池边界附近聚集。在FGM设计中，高密度和低密度材料应分别放置在底部和顶部。平滑的材料梯度过渡也抑制了成分偏析。热处理可以微调相分布和转变，释放内应力，从而改善力学性能。为了避免元素偏析，使用L-PBF原位合金化可能是一种替代解决方案。该方法使用激光束直接从元素粉末混合物中熔化并形成合金。它为新材料的研究提供了灵活性，并产生了高通量生产率，如颗粒增强金属基复合材料、高熵合金和金属间化合物。与预合金粉末相比，粉末混合法具有元素组成灵活、粉末粒度可控性高、成本低、时效性好等优点。尽管有这些明显的优势，L-PBF原位合金化方法也有缺点，例如重复性差、粉末未熔化以及试样中的高度不均匀区域。L-PBF处理的微观结构的均匀性主要取决于混合粉末的粒度和混合方法。
SLM过程中飞溅产生的示意图。（a）一束激光正在工作，熔池上方的感应反冲压力产生粉末和液滴飞溅。（b）两个激光束紧密工作，产生更多飞溅。
金属粉末混合物中一种金属的低激光吸收率可能导致多材料L-PBF工艺中未熔合。Oliveira、Lalonde和Ma（2020）提出了减少填充距离或层厚度的建议，以增加激光束穿透深度，并抑制因未熔合而导致的缺陷。
5.1.4. 金属陶瓷元件L-PBF面临的挑战
陶瓷是由金属和非金属元素组成的固体化合物。它类似于具有晶粒聚集体、晶粒和晶界的金属。然而，它们与金属有着根本的不同：它们不包含大量的自由电子，通过离子键、共价键或这两者的高度稳定组合而合并。因此，通过L-PBF加工金属-陶瓷复合粉末具有挑战性，因为金属和陶瓷的晶体结构不同，导致熔点差异很大。陶瓷晶体的强键会使元素扩散极其困难。它们的热膨胀系数相差很大，导致陶瓷侧的接头和裂纹处产生显著的热应力。粘结表面上的脆性和玻璃相削弱了陶瓷性能。
热循环前的显微镜图像Al6082-SiO2测试零件。
研究人员已成功地将超快激光用于陶瓷和玻璃的焊接。因此，使用超快激光作为L-PBF的能量输入可能有助于实现金属-陶瓷零件的直接打印。此外，将AM方法与其他加工方法相结合也是处理金属-陶瓷材料的解决方案。
5.1.5. 金属-聚合物组件L-PBF面临的挑战
混合金属/聚合物混合物的L-PBF面临的挑战是如何避免低熔点聚合物粉末的分解和气化。产生的烟雾对金属熔池产生不利影响。解决这一问题的策略之一是使用熔点尽可能相似的金属和聚合物粉末。此外，在部件设计中，金属和聚合物部件设置在一定的距离，以避免由于熔融金属热影响区的高温导致聚合物的热分解。将L-PBF与其他AM方法集成也是一种替代解决方案。这种混合AM处理可以逐步实现。首先，使用L-PBF打印高熔点的金属零件。然后，将半成品放入SLA设备中，以打印低熔点聚合物。这种方法的缺点是SLA的加工自由度可能会受到预成形金属零件的限制。
（a） 15倍拉伸比的PP/MMT/LMPA纤维的纳米CT图像，绿色带为LMPA，蓝色区域为PP基质46。（b） LMPA导电填料和环氧树脂的图像。
5.2. 其他技术挑战
5.2.1. 废旧粉末混合物的回收
异种粉末的交叉污染是多材料L-PBF工艺中难以避免的常见问题，这将增加材料的制造成本。虽然与使用刀片的盲撒粉相比，选择性粉末沉积具有更高的粉末利用率和相应的更少污染的粉末，但在加工过程中用作支撑材料的未熔化粉末仍然会导致一定量的粉末交叉污染。受污染的粉末不能直接重复使用，因为它会降低材料性能并导致微观结构缺陷。因此，根据所用粉末材料的物理特性差异，开发一种合适的方法来从所用粉末材料中分离污染物至关重要。
Seidel 等（2018）证明了通过磁性方法分离工具钢（X3NiCoMoTi18-9-5）粉末和铜合金（CuCr1Zr）粉末。
Chivel描述了将具有不同粒度分布的不同粉末材料用于多种材料AM并通过筛分重复使用粉末的原理。
Woidasky描述了一套基于材料流动性的材料分离技术。粉末材料的球形度和表面粗糙度显著影响粉末颗粒的流动性。因此，可以根据不同形状和粗糙度的粉末材料的流动性来分离不同的粉末材料（例如，将球形粉末和不规则形状的粉末一起使用）。
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，则各种材料的颗粒质量范围可能不同。在这种情况下，粒子惯性法可用于分离粉末材料。
（a） 15倍拉伸比的PP/MMT/LMPA纤维的纳米CT图像，绿色带为LMPA，蓝色区域为PP基体。（b） LMPA导电填料和环氧树脂的图像。
5.2.2. 建模和仿真挑战
基于上述综述，目前的多材料L-PBF过程建模通常涉及介观尺度的热力学模拟，揭示了多材料L-PBF过程中的熔池发展。
所有微观建模方法都需要通过宏观或介观建模获得热历史信息（包括温度、冷却速率和温度梯度）。因此，准确预测多材料L-PBF的热历史至关重要。获得准确热历史的一个重要不确定性与高温范围内的材料特性有关。这些特性包括材料密度、比热、表面张力系数、粘度、激光吸收率、热导率以及材料熔化和汽化的潜热。目前，关于混合材料普遍物理性质的实验数据还不够充分。这妨碍了在介观和微观尺度上准确预测多材料L-PBF结果的校准建模。
5.2.3. 实验方法的挑战
激光AM工艺容易形成缺陷，对于多材料L-PBF，缺陷控制更具挑战性。在多材料零件中，每种材料成分可能需要最佳工艺参数，尤其是如果该零件为FGM结构。因此，基于传统试错测试方法和简单正交实验的实验工作量可能会大幅增加，无疑会大幅增加用于研究的时间和经济成本。实验的统计设计和人工智能预测方法有助于得出最佳工艺参数并减少实际物理实验的数量。Rankouhi等人报告了使用机器学习优化316L–Cu复合材料的L-PBF加工参数。此外，许多研究人员已经实施了机器学习算法，以分析共轴/离轴传感技术（例如高温计、高速摄像机和红外摄像机）收集的熔池信息，用于缺陷识别和分类。这种技术也有助于提高印刷质量和研究效率。
5.2.4. 生产效率
与AM方法（如L-DED）相比，L-PBF需要在熔化之前进行材料沉积，因此沉积效率很低。虽然多材料铺展方法解决了多材料空间分布的问题，但它们使得多材料L-PBF中的粉末铺展过程更加耗时，从而降低了生产效率。基于本文报道的新型粉末铺展机制，开发高效、高质量的异种粉末铺展装置，是多材料L-PBF工业化应用和商业化的前提。
5.2.5. 多材料构件设计软件面临的挑战
传统的单材料零件可以用通常的计算机辅助设计（CAD）软件建模，该软件只需要几何图形作为输入。对于多材料零件，应定义其不同的材料特性、空间分布和几何形状。基于体素建模的3D CAD软件可以实现这一功能。市场上有几种相关的软件工具，如ParaMatters和Monolith。然而，这些工具通常用于聚合物材料的MMAM；它们是否适用于L-PBF工艺中其他材料的MMAM尚不确定。
6、多材料L-PBF的潜在应用
多材料L-PBF应用通常将不同材料的物理特性的优势结合到一个零件中，以衍生出一种使用传统加工方法难以实现的特殊功能。
7、结论
本文综述了多材料L-PBF的最新研究进展。还讨论了潜在的挑战和应用。
选择性粉末沉积技术的发展使多材料L-PBF成为可能，研究人员已经展示了使用该方法处理的一系列多材料样品。通常，经L-PBF处理的多金属样品在材料界面处表现出良好的冶金结合。然而，材料物理性能的变化和兼容性不足很容易导致缺陷，例如高熔点的未熔化粉末、裂纹、脆性金属间化合物和界面处的LME。虽然用L-PBF生产杂化金属-陶瓷和金属-聚合物组合物在技术上是可行的，但还需要进一步深入的材料科学研究。
多材料L-PBF是可行的，具有广阔的应用前景。然而，目前的技术成熟度仍不足以直接用于工业应用；因此，必须进一步研究该技术。特别是，必须对相变、热力学计算、建模和数值模拟进行理论研究。这些调查对于提高流程效率以及减少流程缺陷和成本至关重要。
来源：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
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