激光粉末床熔接多材料结构增材制造的最新进展（1）( 三 )

图3（a）和（b）显示了具有LPBF层内打印的CuSn10/4340钢多材料结构。 CuSn10和4340钢粉末不仅可以在不同的层中输送和打印，而且可以在单层的不同区域中输送和打印。材料分布的尺寸误差小于0.1?mm ，表明CuSn10/4340钢多材料结构的高打印精度（图3（a））。图3（b）显示了打印的CuSn10/4340齿轮零件，其中外轮廓（宽度为0.5?mm）和内部分别打印有CuSn10和4340钢。图3（c）显示了由CuSn10和316L不锈钢打印的斯芬克斯零件。图3（d）显示了由CuSn10环和316L叶片组成的涡轮盘。在叶片根部，材料逐渐从316L变为CuSn10 。

图3 通过LPBF进行层内打印的金属/金属多材料结构：（a）CuSn10/4340块部件，（b）CUSN110/4340齿轮部件，（c）狮身人面像的多色多材料雕像，以及（d）CuSn10/316L涡轮盘。
图4显示了LPBF打印的金属/陶瓷、金属/聚合物和金属/玻璃多材料结构。对于金属/陶瓷多材料结构，研究了1.2367型钢/ZrO2/Al2O3三明治状结构的可打印性。该结构包括顶部和底部的工具钢多孔结构和块体，以及中间的ZrO2 + Al2O3中间层(图4(a)) 。结果表明， 1.2367工具钢多孔结构与ZrO2+ Al2O3中间层的粘附强度为22 MPa 。对于金属/聚合物多材料结构， Chueh、Zhang等人(2020)研究了通过一种专有的多材料LPBF系统打印CuSn10/PA11杂化部件(图4(b)) 。结果表明， CuSn10和PA11之间保持了适当的距离，减少了CuSn10表面上的碳渣引起的“球化” 。对于金属/玻璃多材料结构， Zhang等人(2020)使用专有的喷嘴基多材料LPBF系统打印了一个成分变化的FGM部件，从铜合金到钠钙玻璃，其中包括玻璃、陶瓷基复合材料(CMC)、过渡、金属基复合材料(MMC)和铜区(图4(c)和(d)) 。在CMC侧和MMC侧观察到一个离散界面，其间没有氧化过渡层， FGM部分从金属侧的延性逐渐过渡到玻璃侧的脆性。

图4 由LPBF打印的金属/类金属多材料结构:(a) 1.2367钢模/ ZrO2 + Al2O3 ，(b) CuSn10/PA11 ，和(c d) CuSn10/钠钙玻璃。
2.2.界面微观结构
不同材料之间的界面微观结构对LPBF打印多材料结构的界面力学性能有重要影响。不同的复合材料类型可以形成不同的界面微观结构。至于金属/金属多材料结构，材料表现出类似的原子键以及物理和化学性质（熔化温度、热膨胀系数、热导率、元素组成等）。因此，在存在成分梯度变化的多材料界面处通常会产生熔合区，这有助于异种材料之间的强冶金结合。
如图5（a）所示，在316L/CuSn10多材料结构的界面处产生了宽度为550μm的熔合区，熔合区中Fe和Cu元素的数量逐渐变化。图5（b）显示了316L/C52400多材料结构界面处具有明显暗特征的类似熔合区。图5（c）显示了LPBF打印300马氏体时效钢/304不锈钢多材料结构界面处厚度高达120μm的互扩散区域。拉伸结果表明， 300马氏体时效钢与304不锈钢紧密结合，因为所有断裂均位于304不锈钢一侧，远离界面。在界面处的熔体池中可以观察到由密集的Marangoni对流引起的环形流动特征，表明在界面处发生了异种材料的强烈元素扩散。

图5 不同多种材料类型的各种组合的界面微观结构：（a）316L/CuSn10 ，（b）316L/C52400 ，（c）300马氏体时效钢/304不锈钢，（d）316L/钠钙玻璃，（e）1.2367工具钢/ ZrO2 + Al2O3 ，和（f ， g）CuSn10/PA11 。
然而，如果材料表现出巨大的不同原子键，以及物理和化学性质，如金属/陶瓷、金属/聚合物和金属/玻璃，则可能在其界面处产生明显的边界，而不是熔合区（图5（d–g））。它们的结合强度主要取决于机械联锁结构。图5（e）和（f）分别显示了钢/陶瓷和铜/聚合物多材料结构的不规则界面，这可以通过机械联锁结构提高异种材料之间的粘合强度。 LPBF打印件的粗糙表面通常是由于粉末粘附或不规则形状的熔体轨迹而获得的，这有助于在界面处形成机械联锁结构。
在金属/金属多材料零件中，其独特的微观结构特征（针状凝固组织、细化晶粒等）有助于加强界面结合。 Tan等人（2018）发现，由于Marangoni效应和界面处熔体池的表面张力梯度， 300级马氏体时效钢/T2铜多材料结构的界面沿Z轴方向容易形成元素扩散区（图6（a）和（b））。如图6（c）所示，可以观察到由Marangoni效应引起的熔体池中的循环流动。固液界面的温度梯度G和生长速率R可以确定凝固过程中微观结构的形态和尺寸。微结构的生长方向与最大温度梯度平行。凝固后，一些针状钢颗粒渗透到铜中，在界面处充当“加强肋” ，加强界面结合（图6（d））。此外， Bai等人（2020年）观察到，界面区域的晶粒小于316L/C52400铜多材料零件中每种材料的晶粒，这可能有助于界面硬化和裂纹抑制，如图6（e）所示。

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