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制造技術.即SLM，DED和 LIFT三種技術在多元金屬３D打印中的應用.并從宏觀到微觀介紹了其研究進展和發(fā)展趨勢,該文發(fā)表在近期出版的期刊《 Int. J. Extrem. Manuf》上.

文章摘要:

增材制造作為一種可以實現(xiàn)定制化的3D打印功能性的先進制造技術受到人們的廣泛關注。該技術具有自由設計，減少制造步驟，減少制造成本和減少制造流程的環(huán)節(jié)等優(yōu)點.然而,現(xiàn)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，需要開展兩種或者更多種的異類材料在一個部件中制造出來．因此，研究多材料的３D打印開始受到人們的關注.激光是當前廣泛的應用到金屬的3D打印的一種熱源．在這里，我們?yōu)榇蠹覉蟮懒艘约す饧夹g為基礎的宏觀到微觀的多元金屬的３D打印的研究進展和發(fā)展趨勢．在文章提到的激光為基礎的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(fā)向前轉移技術( laser-induced forward transfer， LIFT）這三種技術在多元金屬增材制造中的應用.其相關原理和工藝/材料的特征均給予了介紹.潛在的應用和面臨的挑戰(zhàn)也給予了討論.最后,該技術的未來研究方向和展望也給予了介紹.

全文概述:

增材制造(AM,又叫3D打印)是一種快速原型技術和制造技術,利用高能束流將粉末狀或者絲材通過熔化的辦法進行層層連接而形成三維實體材料的一種制造技術.AM制造技術同傳統(tǒng)的制造工藝相比較,其優(yōu)點在于高的制造效率,材料浪費少,制造流程短,可以制造復雜形狀的部件和減少部件制造的生產(chǎn)環(huán)節(jié).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(qū)均可以很小,從而使得其能量密度比較 高,能量就可以很好的控制,從而制造出精確的部件出來.因此,激光為能量源的3D打印技術得到了廣泛的應用，尤其是在制造高熔點金屬的AM制造上．宏觀尺寸的激光增材制造技術包括：以粉末床為基礎的SLM技術和激光能量直接沉積DED技術.進行微觀3D打印,實現(xiàn)微納制造的3D打印技術為激光誘發(fā)向前轉移技術( laser-induced forward transfer， LIFT）,激光微觀熔覆,顯微立體光刻(micro-stereolithography),雙光子光聚合(two-photon polymerization),激光直寫(laser direct writing (LDW)),脈沖激光沉積等.

多材料的增材制造開始受到廣泛關注.同常見的AM技術相比較,多元金屬材料的增材制造將材料的自由設計,例如將結構和功能集合在一起實現(xiàn)材料性能的定制(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制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(zhì),從而不能滿足功能器件的要求.因此,航空航天,國防,醫(yī)療和核電等工業(yè)可以得益于金屬為基礎的多元增材制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制造成本.

多元金屬增材制造技術,作為一種新問世的技術,仍然處于胚胎發(fā)育時期.Chen等人綜述了采用不同材料制造具有功能梯度的材料系統(tǒng),采用的材料為Ti基,Fe基體等,使用的是DED技術,同時采用SLM技術制備了梯度的支架.Yan等人則報道了采用L-DED技術制備功能梯度材料的研究進展．Mahmoud等人則報道了一個類似的綜述，制造對象是以骨科植入物的應用為目的的．Bandyopadhyay等人則報道了多元材料打印為基礎的聚合物材料，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(yōu)點．以DED為基礎的多元材料的增材制造方面的綜述比較多．需要注意的是，對以金屬為基礎的多原材料的增材制造的綜合性的綜述還比較少，尤其是涵蓋宏觀到微觀制造的，更是沒有，尤其是最近關于SLM和LIFT為基礎的多元材料的增材制造非常少見．在本文中，來自曼徹斯特大學的研究人員總結了近年來關于以金屬為基礎的多元金屬增材制造技術從宏觀到微觀尺寸的制造及其應用，尤其是以SLM和LIFT為基礎的多元金屬增材制造的工藝及其技術．對于該技術的潛在應用和面臨的挑戰(zhàn)以及未來的展望均給予了介紹．

位于英國的曼徹斯特大學發(fā)展了一種以超聲振動為基礎的精密送粉裝置,見圖1(a)來實現(xiàn)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介質(zhì)中來精確的控制精細粉末的輸送,同時使用一個輻射的高頻振動的微型振動電機來連續(xù)的將聚焦在噴嘴的粉末進行松散以確保粉末的穩(wěn)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比較低.為解決這一問題,,曼徹斯特大學的研究人員將傳統(tǒng)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,一個微型的真空粉末移除辦法和和一個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,兩者是分別進行的.他們將這一裝置集成到SLM系統(tǒng)中,見圖3b所示,來打印一系列的多材料,見圖1 (c1)–(c3)) ,其組成為316L不銹鋼和Cu10Sn銅合金粉末來驗證該多材料打印系統(tǒng)的可行性.得益于該粉末分配系統(tǒng)的結構緊湊性,他們將6個粉末輸送裝置排列在一起來儲存和沉積6種不同的粉末來制備出成分不同的粉末所制造的部件,并成功的制備出功能梯度的部件來,見圖1 (d1) 和 (d2)).功能梯度材料的優(yōu)點在于其物理性能,優(yōu)異的熱性能可以梯度的從一種材料變化到另外一種材料,同時還可以避免由于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(jīng)實現(xiàn)了SLM技術制造多元材料并實現(xiàn)材料物理性能的定制.來自曼徹斯特大學的研究人會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(fā)展的以SLM為基礎的多材料打印的示意圖; (b)相關的實驗裝置的示意圖 , (c1)–(c3)SLM技術制造的 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.

同傳統(tǒng)的LSM技術打印單一材料相比較,在多元材料的SLM制造過程中,異種材料的連接是一個非常重要的話題.正如焊接異種材料一樣,其工藝過程顯著的影響著整個部件的性能.對于不同的材料組合,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.為了在SLM過程中實現(xiàn)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,功能梯度連接和界面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等人采用以激光為能量源的DED技術制造了In625-Cu雙金屬結構材料.In625直接在Cu基材上進行制造,沒有裂紋和有少量的氣孔沿著界面被觀察到.同純粹的In625部件相比較,這一雙金屬部件呈現(xiàn)出提高的熱導率.然而,面臨的挑戰(zhàn)是如何在雙金屬的結合區(qū)獲得理想的連接層,因為兩者材料的熱-物理性質(zhì)是顯著不同的.功能梯度材料可以消除尖銳的界面所帶來的問題和形成一個在兩個材料之間平滑過渡的界面來.一個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,有可能通過控制化學成分的變化來實現(xiàn)避免不應該出現(xiàn)的相的存在.Onuike等人報道了以激光為基礎的DED連接的制造的鎳基合金 (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制,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采用激光為能量的DED技術制造了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(qū)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制造的 Ti6Al4V-Ai12Si 部件: (a) 設計的功能梯度(FGM)的圓柱體的直徑為12.7mm; (b) Ti6Al4V-Al12Si 功能梯度材料(FGM) 結構在表面精飾之后的結果, (c) 激光掃描路徑的角度分別為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 銅合金多元材料的制備,見圖4.其界面采用 FIB, SEM, XRD, EDS 和 EBSD等手段進行了分析表征.結果發(fā)現(xiàn)Al2Cu 金屬間化合物相會在SLM制造后的 Al/Cu 連接界面處形成.SLM制造后的Al/Cu合金樣品的拉伸性能為176 ± 31 MPa,三點彎曲強度,對于Cu來說為200 MPa,對于Al來說為 500 MPa.進一步的分析則表明金屬間化合物的形成將界面處的斷裂機制從韌性斷裂向脆性的解理斷裂轉變.其顯微應為硬度在界面處變化較大,這是因為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)

一個非常重要的限制,限制微型的電子器件的制造的技術是粉末存儲器件的限制.后者主要取決于電極的尺寸.Shen等人報道了一個采用飛秒激光來減少石墨烯氧化物來制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 100 μm, f寬 8 μm, 間距為 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(zhì)浸潤其他的電極部件和造成干擾.整個過程的流程見圖5(a1).作者發(fā)現(xiàn)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(qū)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(huán)之后具有~100% 阻滯.

圖5 (a1) 激光直寫和LIFT用于制造的工藝流程圖 (a) 超微型的石墨烯微型超級電容器; (b1)–(b6) 制造石墨烯/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:

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

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,