激光粉末床熔接多材料结构增材制造的最新进展（1）( 二 )
LPBF的多材料结构主要由离散多材料和复合材料制成 。 然而 ， 使用复合材料在多材料零件内的预定位置控制不同成分的变化具有挑战性 。 在离散多材料的打印策略上已经进行了大量的努力 。 目前 ， 使用LPBF打印多材料结构有三种主要策略：（i）LPBF过程直接在基板上进行 ， 多材料部分由基板和打印层组成；（ii）通过在单个打印过程中手动更换另一种粉末来打印多材料零件；以及（iii）可以修改LPBF机器的粉末供给系统以打印多材料零件 。 特别是 ， 第三种策略最有希望通过编程实现在一个可打印层内和不同层之间精确打印不同材料 。
图1显示了多材料结构的LPBF制造概况 ， 包括其配置、材料类型和关键技术问题 。 根据不同材料的分布 ， LPBF打印多材料结构可分为层间和层内打印结构 。 典型的多种材料类型有金属/金属、金属/陶瓷、金属/玻璃和金属/聚合物 。 对于这些多种材料类型 ， 实现无孔隙和无裂纹的界面并实现强结合是最关键的 。 多材料LPBF工艺中的关键技术问题包括粉末输送系统的开发、打印前多材料结构的数据准备、热力学计算和工艺模拟以及粉末交叉污染和回收 。
图1 多材料结构的LPBF制造概述 ， 涉及其配置、材料类型和关键技术问题 。
鉴于在多材料LPBF中日益重要的作用 ， 对于界面微观结构和缺陷的形成机理以及界面结合的强化方法仍然缺乏讨论 。 此外 ， 需要全面解决多材料LPBF及其潜在应用中的技术挑战（包括设备、数据、工艺、材料） 。 为此 ， 本文全面回顾了通过LPBF的多材料结构 ， 包括界面特性（包括多材料类型、界面微观结构、缺陷等）、LPBF打印多材料结构的强化方法、关键技术问题以及打印产品的潜在应用 。 在第1节和第2节简要介绍后 ， 将回顾LPBF打印的多材料结构的界面特征 ， 包括代表性的多材料类型、界面微观结构和多材料结构缺陷 ， 并总结和讨论界面增强方法 。 第3节将介绍和讨论多材料结构LPBF工艺中的关键技术问题 ， 包括设备开发、数据准备、热力学计算和工艺模拟以及粉末交叉污染和回收 。 第4节将说明通过LPBF的多材料结构在各个行业（特别是生物医学、电子、航空航天和珠宝）中的潜在应用 。 最后 ， 第5节将总结关于多材料LPBF发展中的挑战和机遇的观点 。
2.界面特征和加固方法
2.1.LPBF的多种材料类型
最近 ， 大量研究证明了LPBF工艺用于多材料结构的可行性 。 在这些多材料类型中 ， 金属/金属多材料结构在LPBF打印中最受欢迎 。 用于多材料LPBF的金属粉末材料包括铁基合金、钛合金、铝合金、铜合金、镍基合金等 。 316L不锈钢（SS）和Ti6Al4?V广泛用于LPBF打印金属/金属多材料结构 。 对于金属/陶瓷多材料结构 ， 陶瓷材料通常用于提高金属材料的硬度和耐磨性 ， 陶瓷的绝缘性能可用于制造金属/陶瓷集成电路和传感器 。 然而 ， 由于使用粉末床AM技术制造金属/陶瓷多材料结构具有不同的原子键、热膨胀系数和金属与陶瓷之间的较差润湿性 ， 因此制造金属/瓷多材料结构很有挑战性 。 金属/玻璃和金属/聚合物多材料结构的打印也面临同样的挑战 。
典型的L-PBF构建腔室和工艺示意图 。 白色字体表示机器部件 ， 黑色字体表示关键加工参数 。
目前 ， 大多数研究报告了具有层间打印的多材料结构（图2） 。 这些多材料结构的特点是材料分布在构建方向上的变化 。 在层间LPBF打印多材料结构中 ， 界面的形成及其特性仍然是有待研究的重点 。 Sing等人（2015年）在al/Cu层压板的界面处获得了良好的冶金结合（图2（a）） ， 并在界面处发现了金属间化合物Al2Cu 。 Liu等人（2014年）通过LPBF生产了316L/C18400多材料样品（图2（b）） ， 并在316L/C1 8400界面观察到大量铁和铜元素扩散 。 316L/CuSn10/18Ni300/CoCrMo多材料结构是用LPBF制造的（图2（c）） ， 其沿着构造方向表现出高度自由的材料分布 。 具体而言 ， 通过在界面层中采用岛扫描和层间交错扫描策略 ， 实现了具有良好接头强度的316L/CuSn10双金属结构（图2（d）） 。 在本研究中 ， 316L和CuSn10之间获得了良好的结合界面 ， 熔合区宽度为～550?μm 。 316L/CuSn10界面的微观结构表明 ， CuSn10区域存在球形富铁颗粒 ， 一些较细的富铜颗粒嵌入球形富铁粒子中 。 在界面处观察到晶粒跨越熔体池边界的外延生长 。 LPBF打印316L/CuSn10多材料结构的极限强度为423.3 MPa， ?优于通过常规工艺制造的钢/铜多材料结构（150-300?MPa） 。
图2 通过LPBF进行层间打印的金属/金属多材料结构：（a）AlSi10Mg/C18400 ， （b）316L/C1840 ， （c）316/CuSn10/18Ni300/CoCrMo ， 和（d）316L/CuSn10 。 BD是指构建方向 。
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