《极端制造》｜多元金属材料激光增材制造概述：从宏观尺度到微观尺度( 二 ) ：《极端制造》

位于英国的曼彻斯特大学发展了一种以超声振动为基础的精密送粉装置，见图1(a)来实现SLM过程中的粉末材料的输送。这一办法是采用超声波在固体介质中来精确的控制精细粉末的输送，同时使用一个辐射的高频振动的微型振动电机来连续的将聚焦在喷嘴的粉末进行松散以确保粉末的稳定流动。超声振动装置的喷嘴的针径是粉末平均直径的20倍，以确保粉末的分散和粉末层所需要的厚度。然而，这也造成超声振动的粉末输送速度会比较低。为解决这一问题，曼彻斯特大学的研究人员将传统的粉末输送机理，点对点的真空粉末移除和点对点的超声粉末分配结合在一起来输送多材料到指定的位置。如图1a所示,主送粉A通过粉末刀或者刮刀来增加工艺的效率，一个微型的真空粉末移除办法和和一个超声粉末分配的办法用来精确的移除未熔化的粉末A和沉积第二次的粉末B ，两者是分别进行的。他们将这一装置集成到SLM系统中，见图3b所示，来打印一系列的多材料，见图1(c1)–(c3)) ，其组成为316L不锈钢和Cu10Sn铜合金粉末来验证该多材料打印系统的可行性。得益于该粉末分配系统的结构紧凑性，他们将6个粉末输送装置排列在一起来储存和沉积6种不同的粉末来制备出成分不同的粉末所制造的部件，并成功的制备出功能梯度的部件来，见图1(d1)和(d2)) 。功能梯度材料的优点在于其物理性能，优异的热性能可以梯度的从一种材料变化到另外一种材料，同时还可以避免由于材料性能的突然变化所带来的缺陷的形成。曼彻斯特大学已经实现了SLM技术制造多元材料并实现材料物理性能的定制。来自曼彻斯特大学的研究人会员将进一步的拓展上述技术的应用，将应用到打印金属/玻璃样品上，见图1e和金属/聚合物上，见图1f和金属/陶瓷样品上。

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▲图1.(a)曼彻斯特大学所发展的以SLM为基础的多材料打印的示意图;(b)相关的实验装置的示意图,(c1)–(c3)SLM技术制造的316l-Cu10Sn样品,(d1)316L-Cu10Sn功能梯度的涡轮盘样品;(d2)埃菲尔铁塔样品,(e)Cu10Sn-玻璃吊坠样品,(f)Cu10Sn-PA11样品
同传统的LSM技术打印单一材料相比较，在多元材料的SLM制造过程中，异种材料的连接是一个非常重要的话题。正如焊接异种材料一样,其工艺过程显著的影响着整个部件的性能。对于不同的材料组合，其相容性、可混合性以及材料的热性能都是在设计阶段需要考虑的问题。为了在SLM过程中实现多元材料获得理想的机械性能和冶金性能的接头，研究人员研究了不同的连接策略，包括直接连接、功能梯度连接和界面处过渡层连接等手段,如图2所示。早先的研究使用了不同的金属组合来进行多元材料的连接。

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▲图2.连接异种材料时的不同连接策略
Pan等人采用以激光为能量源的DED技术制造了In625-Cu双金属结构材料。 In625直接在Cu基材上进行制造，没有裂纹和有少量的气孔沿着界面被观察到。同纯粹的In625部件相比较，这一双金属部件呈现出提高的热导率。然而，面临的挑战是如何在双金属的结合区获得理想的连接层，因为两者材料的热-物理性质是显著不同的。功能梯度材料可以消除尖锐的界面所带来的问题和形成一个在两个材料之间平滑过渡的界面来。一个典型的功能梯度材料可以减少机械应力和热应力以增加部件的使用寿命。而且，有可能通过控制化学成分的变化来实现避免不应该出现的相的存在。 Onuike等人报道了以激光为基础的DED连接的制造的镍基合金(In718)/铜合金(GRCop-84)的双金属的比较结果：一种是直接在In718上沉积GRCop-84铜合金，另外一种则是成分梯度变化。结果显示，不同材料之间的性能的不匹配造成直接连接材料的失效。相反，功能梯度的材料具有异种材料的性能的定制，增加了其相容性和提高了异种材料之间的连接性能。 Zhang和Bandyopadhyay采用激光为能量的DED技术制造了Ti6Al4V-Al12Si材料，其结果见图3所示。其显微结构图显示了样品中不同区域的显微结构的变化，这主要受到激光功率和成分的双重影响的结果。

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▲图3.L-DED制造的Ti6Al4V-Ai12Si部件:(a)设计的功能梯度(FGM)的圆柱体的直径为12.7mm;(b)Ti6Al4V-Al12Si功能梯度材料(FGM)结构在表面精饰之后的结果,(c)激光扫描路径的角度分别为0?,60?,120?