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 316 l-Cu10Sn 样品, (d1) 316 L-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.

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In 718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.

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?.

如新加坡南洋理工大学的研究人员采用SLM技术进行了AlSi10Mg和 UNS C 铜合金多元材料的制备,见图4.其界面采用 FIB, SEM, XRD, EDS 和 EBSD等手段进行了分析表征.结果发现Al2Cu 金属间化合物相会在SLM制造后的 Al/Cu 连接界面处形成.SLM制造后的Al/Cu合金样品的拉伸性能为176 ± 31 MPa,三点弯曲强度,对于Cu来说为200 MPa,对于Al来说为 500 MPa.进一步的分析则表明金属间化合物的形成将界面处的断裂机制从韧性断裂向脆性的解理断裂转变.其显微应为硬度在界面处变化较大,这是因为金属间化合物形成的缘故.

图4 Al合金/Cu合金电连接器和拉伸样品(南洋理工大学的成果)

一个非常重要的限制,限制微型的电子器件的制造的技术是粉末存储器件的限制.后者主要取决于电极的尺寸.Shen等人报道了一个采用飞秒激光来减少石墨烯氧化物来制造微型超级电容器的微型电极材料,如图5(a2)所示,这些电极的手指所具有的长度为 100 μm, f宽 8 μm, 间距为 2 μm.紧接着,作者使用LIFT技术来精确的滴下电解液滴到每一电极的顶部以避免额外的电解质浸润其他的电极部件和造成干扰.整个过程的流程见图5(a1).作者发现介孔结构在石墨烯和小尺寸的电极且具有窄宽度和小扫描间距的区域形成,可以有效的提高离子的扩散和提高超级电容器的电化学性能,包括高的单位电容 (6.3 mF cm?2和 105 F cm?3)和在1000次循环之后具有~100% 阻滞.

图5 (a1) 激光直写和LIFT用于制造的工艺流程图 (a) 超微型的石墨烯微型超级电容器; (b1)–(b6) 制造石墨烯/镍基泡沫电极的工艺流程, (b7)–(b9) 在不同阶段的镍基泡沫的显微结构

展望:

在过去的几十年里,以激光为能源的AM制造技术经过了广泛的研究,,对不同材料的组合进行研究以实现在一个工艺过程中在一个部件上实现打印异种材料,同时实践也证明不同的AM制造技术可以用来加工多元金属部件,实现从达到米级的尺度的部件,小到微米尺度的器件.这些研究为以激光为基础的多元材料的AM制造从实验室走向商业应用奠定了坚实的基础.激光为基础的多元材料增材制造技术具有很多显著的优点,同传统工艺相比较,如简化了工艺制造流程,增加了设计的自由度和减少了原型制造的成本和时间等.多元材料增材制造技术未来的应用将会是多学科交叉融合的结果,包括机械工程,制造工程,材料科学,电子,光子,生物学和其他学科等.如何将复合制造系统整合到一起,实现部件的长期的服役可靠性尚需要进一步的研究.解决这些挑战需要我们不断的努力,但随着应用领域从航空航天到能源等领域的应用和工业界的人士的不断参与,终究会找到解决办法.

文章来源：《中国金属通报》 网址: http://www.zgjstbzz.cn/zonghexinwen/2021/0522/1164.html