來(lái)自曼徹斯特大學(xué)的 Lin Li院士團(tuán)隊(duì)的綜述給出了采用三種激光增材制造技術(shù).即SLM，DED和 LIFT三種技術(shù)在多元金屬３D打印中的應(yīng)用.并從宏觀到微觀介紹了其研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì),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(shí)現(xiàn)定制化的3D打印功能性的先進(jìn)制造技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注。該技術(shù)具有自由設(shè)計(jì)，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(diǎn).然而,現(xiàn)存的金屬3D打印技術(shù),主要針對(duì)的是單一材料的打印.隨著對(duì)金屬3D打印部件需求的不斷增多，需要開(kāi)展兩種或者更多種的異類材料在一個(gè)部件中制造出來(lái)．因此，研究多材料的３D打印開(kāi)始受到人們的關(guān)注.激光是當(dāng)前廣泛的應(yīng)用到金屬的3D打印的一種熱源．在這里，我們?yōu)榇蠹覉?bào)道了以激光技術(shù)為基礎(chǔ)的宏觀到微觀的多元金屬的３D打印的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)．在文章提到的激光為基礎(chǔ)的３D打印技術(shù)包括:粉末床打印SLM,激光能量直接沉積技術(shù)DED和激光誘發(fā)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)( laser-induced forward transfer， LIFT）這三種技術(shù)在多元金屬增材制造中的應(yīng)用.其相關(guān)原理和工藝/材料的特征均給予了介紹.潛在的應(yīng)用和面臨的挑戰(zhàn)也給予了討論.最后,該技術(shù)的未來(lái)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(shù)和制造技術(shù),利用高能束流將粉末狀或者絲材通過(guò)熔化的辦法進(jìn)行層層連接而形成三維實(shí)體材料的一種制造技術(shù).AM制造技術(shù)同傳統(tǒng)的制造工藝相比較,其優(yōu)點(diǎn)在于高的制造效率,材料浪費(fèi)少,制造流程短,可以制造復(fù)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(lái)進(jìn)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(lái).因此,激光為能量源的3D打印技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在制造高熔點(diǎn)金屬的AM制造上．宏觀尺寸的激光增材制造技術(shù)包括：以粉末床為基礎(chǔ)的SLM技術(shù)和激光能量直接沉積DED技術(shù).進(jìn)行微觀3D打印,實(shí)現(xiàn)微納制造的3D打印技術(shù)為激光誘發(fā)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)( 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(xiě)(laser direct writing (LDW)),脈沖激光沉積等.

多材料的增材制造開(kāi)始受到廣泛關(guān)注.同常見(jiàn)的AM技術(shù)相比較,多元金屬材料的增材制造將材料的自由設(shè)計(jì),例如將結(jié)構(gòu)和功能集合在一起實(shí)現(xiàn)材料性能的定制(如局部的耐磨損,高的熱導(dǎo)率,絕熱,耐腐蝕等),甚至在3D打印部件中引入新的自由設(shè)計(jì).剛開(kāi)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(qiáng)振動(dòng)的場(chǎng)合.此外,聚合物材料通常缺少導(dǎo)電和導(dǎo)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(guó)防,醫(yī)療和核電等工業(yè)可以得益于金屬為基礎(chǔ)的多元增材制造技術(shù)的自由設(shè)計(jì)技術(shù),來(lái)進(jìn)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(shù),作為一種新問(wèn)世的技術(shù),仍然處于胚胎發(fā)育時(shí)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T(mén)i基,Fe基體等,使用的是DED技術(shù),同時(shí)采用SLM技術(shù)制備了梯度的支架.Yan等人則報(bào)道了采用L-DED技術(shù)制備功能梯度材料的研究進(jìn)展．Mahmoud等人則報(bào)道了一個(gè)類似的綜述，制造對(duì)象是以骨科植入物的應(yīng)用為目的的．Bandyopadhyay等人則報(bào)道了多元材料打印為基礎(chǔ)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(shù)所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)．以DED為基礎(chǔ)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(duì)以金屬為基礎(chǔ)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(méi)有，尤其是最近關(guān)于SLM和LIFT為基礎(chǔ)的多元材料的增材制造非常少見(jiàn)．在本文中，來(lái)自曼徹斯特大學(xué)的研究人員總結(jié)了近年來(lái)關(guān)于以金屬為基礎(chǔ)的多元金屬增材制造技術(shù)從宏觀到微觀尺寸的制造及其應(yīng)用，尤其是以SLM和LIFT為基礎(chǔ)的多元金屬增材制造的工藝及其技術(shù)．對(duì)于該技術(shù)的潛在應(yīng)用和面臨的挑戰(zhàn)以及未來(lái)的展望均給予了介紹．

位于英國(guó)的曼徹斯特大學(xué)發(fā)展了一種以超聲振動(dòng)為基礎(chǔ)的精密送粉裝置,見(jiàn)圖1(a)來(lái)實(shí)現(xiàn)SLM過(guò)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(lái)精確的控制精細(xì)粉末的輸送,同時(shí)使用一個(gè)輻射的高頻振動(dòng)的微型振動(dòng)電機(jī)來(lái)連續(xù)的將聚焦在噴嘴的粉末進(jìn)行松散以確保粉末的穩(wěn)定流動(dòng).超聲振動(dòng)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(dòng)的粉末輸送速度會(huì)比較低.為解決這一問(wèn)題,,曼徹斯特大學(xué)的研究人員將傳統(tǒng)的粉末輸送機(jī)理,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的真空粉末移除和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的超聲粉末分配結(jié)合在一起來(lái)輸送 多材料到指定的位置.如圖1a所示,主送粉A通過(guò)粉末刀或者刮刀來(lái)增加工藝的效率,一個(gè)微型的真空粉末移除辦法和和一個(gè)超聲粉末分配的辦法用來(lái)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(jìn)行的.他們將這一裝置集成到SLM系統(tǒng)中,見(jiàn)圖3b所示,來(lái)打印一系列的多材料,見(jiàn)圖1 (c1)–(c3)) ,其組成為316L不銹鋼和Cu10Sn銅合金粉末來(lái)驗(yàn)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(jié)構(gòu)緊湊性,他們將6個(gè)粉末輸送裝置排列在一起來(lái)儲(chǔ)存和沉積6種不同的粉末來(lái)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(lái),見(jiàn)圖1 (d1) 和 (d2)).功能梯度材料的優(yōu)點(diǎn)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(shí)還可以避免由于材料性能的突然變化所帶來(lái)的缺陷的形成.曼徹斯特大學(xué) 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了SLM技術(shù)制造多元材料并實(shí)現(xiàn)材料物理性能的定制.來(lái)自曼徹斯特大學(xué)的研究人會(huì)員將進(jìn)一步的拓展上述技術(shù)的應(yīng)用,將應(yīng)用到打印金屬/玻璃樣品上,見(jiàn)圖1e和金屬/聚合物上,見(jiàn)圖1f和金屬/陶瓷樣品上.

圖1(a) 曼徹斯特大學(xué)所發(fā)展的以SLM為基礎(chǔ)的多材料打印的示意圖; (b)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖 , (c1)–(c3)SLM技術(shù)制造的 316 l-Cu10Sn 樣品, (d1) 316 L-Cu10Sn功能梯度的渦輪盤(pán)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(shù)打印單一材料相比較,在多元材料的SLM制造過(guò)程中,異種材料的連接是一個(gè)非常重要的話題.正如焊接異種材料一樣,其工藝過(guò)程顯著的影響著整個(gè)部件的性能.對(duì)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(shè)計(jì)階段需要考慮的問(wèn)題.為了在SLM過(guò)程中實(shí)現(xiàn)多元材料獲得理想的機(jī)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(guò)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(lái)進(jìn)行多元材料的連接.

圖2 連接異種材料時(shí)的不同連接策略

Pan等人采用以激光為能量源的DED技術(shù)制造了In625-Cu雙金屬結(jié)構(gòu)材料.In625直接在Cu基材上進(jìn)行制造,沒(méi)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(dǎo)率.然而,面臨的挑戰(zhàn)是如何在雙金屬的結(jié)合區(qū)獲得理想的連接層,因?yàn)閮烧卟牧系臒?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(lái)的問(wèn)題和形成一個(gè)在兩個(gè)材料之間平滑過(guò)渡的界面來(lái).一個(gè)典型的功能梯度材料可以減少機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力以增加部件的使用壽命.而且,有可能通過(guò)控制化學(xué)成分的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)避免不應(yīng)該出現(xiàn)的相的存在.Onuike等人報(bào)道了以激光為基礎(chǔ)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(jié)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(jié)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(shù)制造了Ti6Al4V-Al12Si材料,其結(jié)果見(jiàn)圖3所示.其顯微結(jié)構(gòu)圖顯示了樣品中不同區(qū)域的顯微結(jié)構(gòu)的變化,這主要受到激光功率和成分的雙重影響的結(jié)果.

圖3 L-DED制造的 Ti6Al4V-Ai12Si 部件: (a) 設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)在表面精飾之后的結(jié)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(xué)的研究人員采用SLM技術(shù)進(jìn)行了AlSi10Mg和 UNS C18400 銅合金多元材料的制備,見(jiàn)圖4.其界面采用 FIB, SEM, XRD, EDS 和 EBSD等手段進(jìn)行了分析表征.結(jié)果發(fā)現(xiàn)Al2Cu 金屬間化合物相會(huì)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(diǎn)彎曲強(qiáng)度,對(duì)于Cu來(lái)說(shuō)為200 MPa,對(duì)于Al來(lái)說(shuō)為 500 MPa.進(jìn)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(jī)制從韌性斷裂向脆性的解理斷裂轉(zhuǎn)變.其顯微應(yīng)為硬度在界面處變化較大,這是因?yàn)榻饘匍g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(xué)的成果)

一個(gè)非常重要的限制,限制微型的電子器件的制造的技術(shù)是粉末存儲(chǔ)器件的限制.后者主要取決于電極的尺寸.Shen等人報(bào)道了一個(gè)采用飛秒激光來(lái)減少石墨烯氧化物來(lái)制造微型超級(jí)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(zhǎng)度為 100 μm, f寬 8 μm, 間距為 2 μm.緊接著,作者使用LIFT技術(shù)來(lái)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(rùn)其他的電極部件和造成干擾.整個(gè)過(guò)程的流程見(jiàn)圖5(a1).作者發(fā)現(xiàn)介孔結(jié)構(gòu)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(kuò)散和提高超級(jí)電容器的電化學(xué)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(xiě)和LIFT用于制造的工藝流程圖 (a) 超微型的石墨烯微型超級(jí)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(jié)構(gòu)

展望:

在過(guò)去的幾十年里,以激光為能源的AM制造技術(shù)經(jīng)過(guò)了廣泛的研究,,對(duì)不同材料的組合進(jìn)行研究以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)工藝過(guò)程中在一個(gè)部件上實(shí)現(xiàn)打印異種材料,同時(shí)實(shí)踐也證明不同的AM制造技術(shù)可以用來(lái)加工多元金屬部件,實(shí)現(xiàn)從達(dá)到米級(jí)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(chǔ)的多元材料的AM制造從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).激光為基礎(chǔ)的多元材料增材制造技術(shù)具有很多顯著的優(yōu)點(diǎn),同傳統(tǒng)工藝相比較,如簡(jiǎn)化了工藝制造流程,增加了設(shè)計(jì)的自由度和減少了原型制造的成本和時(shí)間等.多元材料增材制造技術(shù)未來(lái)的應(yīng)用將會(huì)是多學(xué)科交叉融合的結(jié)果,包括機(jī)械工程,制造工程,材料科學(xué),電子,光子,生物學(xué)和其他學(xué)科等.如何將復(fù)合制造系統(tǒng)整合到一起,實(shí)現(xiàn)部件的長(zhǎng)期的服役可靠性尚需要進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)域從航空航天到能源等領(lǐng)域的應(yīng)用和工業(yè)界的人士的不斷參與,終究會(huì)找到解決辦法.

文章來(lái)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(xiàn):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,