江苏省激光器同盟前言

文中具体描述了多材料L-PBF的最新消息，包含多材料粉末堆积原理、熔池个人行为、包装印刷金属-金属、金属-瓷器和金属-高聚物多材料成分的工艺特点及其不确定性的运用。文中为第三部分。

5.1.2. LME

LME缺点本质上是一种晶间腐蚀裂开，可以用Galvele的分子表层电子密度（ASM）实体模型叙述，如下图7所显示。依据该实体模型，裂痕根据金属和正离子从裂痕顶尖蔓延到裂痕壁表层而拓展。Fredriksson、Hansson和Olsson（2001）提出了Fe–Cu系统中LME诱发裂痕的形成机制。在激光器冶炼过程中，液体铜蔓延到铁颗粒物中，产生了柯肯德尔效用。这导致位置蔓延到其凝固的位错，产生位错裂痕，并添充汽化的Cu。位置的凝结和表层/页面活化能的转变提供了液体含铜高透过铁位错的推动力。LME发生的2个前提条件如下所示：固体和液体金属中间的相溶性低，固体和液体偶中间不会有金属间相（旧1980）。与430不锈钢和镍基合金不一样，低合金钢（如316L）在碰到汽化合金铜时特别容易产生该类裂痕。Huang等（2019）汇报说，只需底材金属环境温度高过铜的熔点，LME引起的裂缝便会再次拓展。

图7 ASM实体模型（Galvele 1987）。

5.1.3. 未熔合和原素分离出来

为了更好地产生3D部件，L-PBF运用激光给予的发热量分步骤、逐线、逐级熔融粉末颗粒物。

假如激光器比能量不够，则邻近熔池的间距或深层很有可能不足，进而导致熔池重合不够。除此之外，如下图8-a所示，因为未熔合而发生的缺点，包含出气孔和未熔化颗粒物，很有可能发生在粉末床的非均相页面相接处。L-PBF的粉末颗粒物孔径范畴一般为15–45μm（伽马分布，均值直径大约为20μm），粉末料层薄厚一般超出30μm。因而，粉末层能够层叠很多孔径低于粉末层壁厚的粉末颗粒物，如下图8-b1所显示。粉末颗粒物相互间的数次透射（图8-b1和b2）可导致粉末的激光器消化率超出平扁固态块材金属的激光器消化率。但是，大部分激光器动能被高层粉末消化吸收，其次是亚表面粉末。仅有大概1%的热量被底材/预熔粉末层颗粒物消化吸收。在多材料L-PBF加工工艺中，同一层中的表层和亚表面粉末很有可能由不一样的材料构成。他们的熔点和激光器消化率的差别非常容易导致因未熔合而导致的缺点。

图8 a）未熔合缺点平面图，b1）理想化粉末颗粒物列阵辐照度期内的典型性放射线，b2）粉末颗粒物相互间的数次透射。

二种材料熔点中间的极大差别导致熔点较低的材料在熔化过程中挥发。比较之下，熔点高的材料熔融不够。这很有可能导致缺点，如原素缩松、出气孔和粉末不可溶，最后会减少加工零件的物理性能。可根据均化热处理工艺降低原素缩松。除此之外，在中等水平范畴和高扫描速度下与此同时应用激光功率能够抑止低熔点金属原素的挥发，并降低缩松。研究人员尝试根据提升激光切割加工主要参数、卵化距离和激光功率、提升扫描仪对策及其使用top-hat激光器轮廊来降低因未熔合而导致的缺点。假如二种材料的熔点类似，则以上对策适用抑止因未熔合而发生的缺点。但是，假如其熔点中间的差别非常大，则以上对策的实效性可能会受限制。

L-PBF包装印刷零件的外表粗糙度一般比传统式生产加工发生的表面粗糙度差。因而，研究人员尝试根据提升加工参数和仿真模拟来改进L-PBF零件的表面粗糙度。针对多种多样材料，材料页面处的欠佳表层质量可能是一个优点，因为它能提升二种材料中间的接触面积，进而增强其冶金工业结合强度。熔池中Marangoni热对流造成的循环系统流将二种材料完全混和，导致瓷器钢中发生锯齿形自锁互锁微观结构。

应用原素Al Si12粉末ASLM加工工艺生产制造的无支撑点悬挑脚手架部件。

各种各样粉末混合物质原素相对密度和液体粘度的极大差别也可能导致原素分离出来（包含原素富集区的剥离和蔓延不够）。材料质量密度较高的原素沉到熔池底端，并在熔池界限周边集聚。在FGM设计中，密度高的和密度低材料应各自置放在底端和顶端。光滑的材料梯度方向衔接也遏制了成份缩松。热处理工艺能够调整相遍布和变化，释放出来热应力，进而改进物理性能。为了防止原素缩松，应用L-PBF原点细晶强化可能是一种取代解决方法。该方式应用激光立即从原素粉末混合物质中熔融并产生铝合金。它为新材料的科学研究提供了协调能力，并产生了高通量测序生产效率，如颗粒物提高金属基复合型材料、高熵合金和金属间有机化合物。与预铝合金粉末对比，粉末混合法具备元素组成灵便、粉末粒度分布可操控性高、低成本、及时性好等优势。虽然有这种突出的优点，L-PBF原点细晶强化方式也是有缺陷，比如可重复性差、粉末未熔融及其试件中的相对高度不均匀地区。L-PBF解决的微观结构的均匀性关键在于混和粉末的粒度分布和混和方式。

SLM过程中溅出造成的平面图。（a）一束激光器正在工作，熔池上边的磁感应反冲力工作压力造成粉末和液体溅出。（b）2个激光密切工作中，造成大量喷溅。

金属粉末混合物质中一种金属的低激光器消化率很有可能导致多材料L-PBF加工工艺中未熔合。Oliveira、Lalonde和Ma（2020）提出了降低添充间距或层壁厚的提议，以提升激光透过深层，并遏制因未熔合而导致的缺点。

5.1.4. 金属瓷器元器件L-PBF面临的难题

瓷器是由金属和非金属元素组成的固态有机化合物。它类似具备晶体嵌段聚合、晶体和晶界的金属。但是，他们与金属拥有压根的不一样：他们不包含很多的自由电荷，根据离子键、化学键或这二者的相对高度平稳组成而合拼。因而，根据L-PBF生产加工金属-瓷器复合型粉末具备趣味性，由于金属和瓷砖的分子结构不一样，导致熔点差别非常大。瓷器结晶的强键会使原素蔓延极为艰难。他们的线膨胀系数相距非常大，导致瓷器侧的接口和裂痕处造成明显的内应力。粘接表层上的延性和夹层玻璃相消弱了瓷器特性。

热力循环前的光学显微镜图象Al6082-SiO2检测零件。

研究人员已成功地将极快激光器用以瓷器和安全玻璃的电焊焊接。因而，应用极快激光器做为L-PBF的动能键入很有可能有利于完成金属-陶瓷零件的打印图片。除此之外，将AM方式与别的加工方法紧密结合都是解决金属-瓷器材料的解决方法。

5.1.5. 金属-高聚物部件L-PBF面临的难题

混和金属/高聚物混合物质的L-PBF面临的难题是怎样避免低熔点高聚物粉末的细化和汽化。造成的烟尘对金属熔池造成不利影响。处理这一难题的方式之一是应用熔点尽量类似的金属和高聚物粉末。除此之外，在构件设计中，金属和高聚物构件设定在一定的间距，以防止因为熔化金属热影响区的持续高温导致高聚物的分解反应。将L-PBF与别的AM方式集成化也是一种取代解决方法。这类混和AM解决能够逐步推进。最先，应用L-PBF打印出高熔点的金属零件。随后，将半成品加工放进SLA机器设备中，以打印出低熔点高聚物。这类方式的缺点是SLA的生产加工可玩性可能会遭受预成型金属零件的限定。

（a） 15倍拉伸比的PP/MMT/LMPA化学纤维的纳米技术CT图象，翠绿色带为LMPA，蓝色区域为PP栽培基质46。（b） LMPA导电性填充料和环氧树脂胶的图象。

5.2. 别的技术性考验

5.2.1. 废弃粉末混合物质的回收利用

不一样的粉末的交叉污染是多材料L-PBF加工工艺中难以避免的疑难问题，这将提升材料的制造成本。尽管与应用刀头的盲撒粉对比，可选择性粉末堆积具备更高的粉末使用率和相对的越来越少环境污染的粉末，但在生产过程中作为支撑点材料的未熔融粉末依然会导致一定量的粉末交叉污染。受破坏的粉末不可以立即多次重复使用，因为它会减少材料特性并导致微观结构缺点。因而，依据常用粉末材料的物理特性差别，开发设计一种合适的方式来从常用粉末材料中分离出来污染物质尤为重要。

Seidel 等（2018）证明了根据带磁方式分离出来合金钢（X3NiCoMoTi18-9-5）粉末和合金铜（CuCr1Zr）粉末。

Chivel叙述了将具备不一样粒度分析的不一样粉末材料用以多种多样材料AM并根据筛选多次重复使用粉末的基本原理。

Woidasky叙述了一套根据材料流通性的材料分离技术。粉末材料的球型度和外表粗糙度明显危害粉末颗粒物的流通性。因而，能够按照不一样样子和表面粗糙度的粉末材料的流通性来分离出来不一样的粉末材料（比如，将球型粉末和不规则形状的粉末一起应用）。

假如粉末材料具备类似的粒度分析，但具备不一样的材料相对密度，则各种各样材料的颗粒物质量范围很有可能不一样。在这样的情况下，颗粒惯性力法可用于分离出来粉末材料。

（a） 15倍拉伸比的PP/MMT/LMPA化学纤维的纳米技术CT图象，翠绿色带为LMPA，蓝色区域为PP基材。（b） LMPA导电性填充料和环氧树脂胶的图象。

5.2.2. 模型和模拟仿真考验

根据以上具体描述，现阶段的多材料L-PBF全过程模型一般涉及到介观限度的热学仿真模拟，揭示了多材料L-PBF过程中的熔池发展趋势。

全部外部经济建模都需要根据宏观经济或介观模型得到热历史信息（包含环境温度、制冷速度和温度场）。因而，精确预测分析多材料L-PBF的热历史时间尤为重要。得到精确热历史的一个关键可变性与持续高温范畴内的材料特点相关。这种特点包含材料相对密度、比热容、表面张力系数、黏度、激光器消化率、导热系数及其材料熔融和气化的汽化热。现阶段，有关混和材料广泛物理特性的测试数据还不够充足。这防碍了在介观和外部经济限度上精确预测分析多材料L-PBF结论的校正模型。

5.2.3. 实验方法的考验

激光器AM加工工艺非常容易形成缺点，针对多材料L-PBF，缺点操纵更具有趣味性。在多材料零件中，每一种材料成份很有可能必须最好工艺参数，尤其是如果该零件为FGM构造。因而，根据传统式尝试错误测试标准和简易正交试验的试验任务量可能会大幅度提升，毫无疑问会急剧提升用以科学研究的时长和边际效益。试验的统计分析设计方案和人工智能技术预测方法有利于得到最好工艺参数并降低具体物理小实验的总数。Rankouhi等汇报了应用机器学习算法提升316L–Cu复合型材料的L-PBF加工参数。除此之外，很多研究人员早已执行了人工智能算法，以剖析共轴/离轴传感器技术（比如高温计、高速摄像机和红外摄像头）搜集的熔池信息内容，用以缺点鉴别和归类。这类技术性也有利于提升印刷品质和科学研究高效率。

5.2.4. 生产率

与AM方式（如L-DED）对比，L-PBF必须在熔融以前开展材料堆积，因而堆积高效率很低。尽管多材料溶合方式处理了多材料空间布局的难题，但他们促使多材料L-PBF中的粉末溶合全过程更为用时，进而降低了生产率。根据文中报导的新式粉末溶合体制，开发设计高效率、高质量的不一样的粉末溶合设备，是多材料L-PBF现代化运用和商业价值的前提条件。

5.2.5. 多材料预制构件制图软件面临的难题

传统式的单材料零件可以用一般的计算机辅助设计方案（CAD）软件建模，此软件只必须图形做为键入。针对多材料零件，应界定其差异的材料特点、空间布局和几何形状。根据体素模型的3D CAD软件可以完成这一作用。销售市场上面有几类有关的工具软件，如ParaMatters和Monolith。但是，这些设备一般用以高聚物材料的MMAM；他们是不是适用L-PBF加工工艺中别的材料的MMAM尚不确定性。

6、多材料L-PBF的潜在性运用

多材料L-PBF运用一般将不一样材料的物理特性的优点融合到一个零件中，以衍化出一种应用传统式加工方法难以达到的特殊功能。

7、结果

文中具体描述了多材料L-PBF的近期研究成果。还探讨了不确定性的试炼和运用。

可选择性粉末堆积技术的发展使多材料L-PBF变成很有可能，研究人员早已展示了应用该方式解决的一系列多材料试品。一般，经L-PBF解决的多金属试品在材料页面处呈现出较好的冶金工业融合。但是，材料工艺性能的变动和兼容模式不够非常容易导致缺点，比如高熔点的未熔融粉末、裂痕、延性金属间有机化合物和界面处的LME。虽然用L-PBF生产杂化金属-陶瓷和金属-聚合物组合物在技术上是可行的，但还需要进一步深入的材料科学研究。

多材料L-PBF是可行的，具有广阔的应用前景。然而，目前的技术成熟度仍不足以直接用于工业应用；因此，必须进一步研究该技术。特别是，必须对相变、热力学计算、建模和数值模拟进行理论研究。这些调查对于提高流程效率以及减少流程缺陷和成本至关重要。

来源：Recent progress and scientific challenges in multi-material additive manufacturing via laser-based powder bed fusion, Virtual and Physical Prototyping，DOI: 10.1080/17452759.2021.1928520

参考文献：“The Microstructure and Mechanical Properties of Selectively Laser Melted AlSi10Mg: The Effect of a Conventional T6-Like Heat Treatment.” Materials Science and Engineering A 667: 139–146. doi:10.1016/j.msea.2016.04.092.