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作 者

寧晉生、朱立達*、王書豪、楊志超、徐沛華、薛棚升、盧昊、于淼、趙運航、李佳琛、Susmita Bose、Amit Bandyopadhyay*

* 為通訊作者

機 構

東北大學

華盛頓州立大學 等

Citation

Ning J S et al. 2024. Printability disparities in heterogeneous material combinations via laser directed energy deposition: a comparative study. Int. J. Extrem. Manuf.6025001.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad172f

撰稿 | 文章作者

/ Part.01

受自然啟發或基于應用導向的多材料集成部件受到越來越多的關注。與大多數容易加工的單一金屬材料不同，傳統加工方法可能難以構建具有均勻或漸變界面的多材料集成部件。激光定向能量沉積（LDED）作為一種典型的增材制造方法，為多樣化的多材料集成提供了可行的解決方案。生產成分分級合金的最基本方法是將一種材料直接沉積到另一種材料上，即雙金屬結構。盡管不少理論與實驗研究證明了LDED在這方面的可行性，研究人員仍在嘗試進一步厘清“材料–工藝–性能”的根本科學聯系，重點是適應材料兼容性的條件下優化機械性能和使用功能。雖然不少文獻報道過打印成形件的宏觀力學性能，如界面特性、拉伸或壓縮行為等；然而對雙金屬基本沉積成形行為的理解仍然有限。關于雙金屬LDED成形，關鍵問題可追溯到復雜的沉積過程，包括涉及不同材料組合激光與物質交互的過程不確定及打印結果（性能）的不穩定。以此作為研究出發點，東北大學機械學院朱立達教授和華盛頓州立大學Amit Bandyopadhyay教授等從宏觀和微觀層面系統性地評估了兩種受歡迎的材料組合（鎳、鐵基合金）的可打印性，闡明了異種材料沉積過程中的現象學差異。相關研究成果發表在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上，題為《Printability disparities in heterogeneous material combinations via laser directed energy deposition: a comparative study》。論文的第一作者是東北大學機械學院博士生寧晉生，朱立達教授與Amit Bandyopadhyay教授為通訊作者。

關鍵詞

定向能量沉積；可打印性；微觀組織；顯微硬度；雙金屬構件

亮 點

• 從宏觀和微觀方面闡明了異質合金組合的可打印性差異。

• 同質材料組合的沉積過程伴隨著更強烈的熔體流動。

• 微觀結構多樣性表現為界面/微觀組織形貌與晶粒生長的區別。

• 異質材料組合間硬度差異由熔池流動及其導致的成分混合不均勻合理化。

圖1研究思路與內容框架。

/ Part.02

簡單的雙金屬系統和相對復雜的多材料分層結構可滿足在特定部位實現個性化功能的需求，具有潛在的應用前景。但與大多數易于加工的單一金屬材料不同，傳統加工可能難以構建具有均勻或梯度界面的多種材料構件。激光定向能量沉積（LDED）作為一種流行的金屬增材制造方法，相對高效且靈活，為集成多種材料提供了可行的解決方案，可以滿足金屬零件多樣化的制造需求。人們正嘗試厘清LDED“材料-過程-性能”的內在科學聯系。除了解決多種復雜材料的兼容性問題，進一步的重點是實現和優化打印件的機械性能和使用功能。不少出版物都關注過多材料打印零件的宏觀機械性能（例如，界面特性、拉伸或壓縮行為等），同時在微觀層面，還報道過金相組織和成分偏析等問題。然而，對于不同材料組合LDED基本打印成形行為的理解仍不夠全面。多材料LDED制造的關鍵問題可追溯到復雜的打印過程，涉及打印過程中的不確定性（熔池波動等過程現象）以及打印結果的不穩定（微觀結構與性能差異等結果現象）。鑒于此，本文通過以鎳基和鐵基材料組合為對象的比較研究，系統地分析了異質材料組合的LDED可打印性差異。

/ Part.03

異質材料組合的宏觀打印行為差異。關注LDED單軌打印過程，利用高速成像技術捕捉了不同材料組合在一定參數條件下的熔池演化物理特征，結果如圖2所示。鎳基合金粉末匹配相似基底材料（P1B1和P1B2）所產生的熔池在形貌上相較于與鐵基合金異質基板所匹配（P1B3）得到的熔池更寬、更大，且前者在熔池擴展過程中伴隨著相對強烈的熔體流動和更多的飛濺。這是異質材料組合打印性能差異的宏觀表現之一，其中液態合金的表面張力和粘度是關鍵因素。此外，由于SS316L基材的比熱和導熱性更高，在給定參數范圍內，將IN718沉積到鐵基合金上的熔池比將IN718沉積到鎳基板上的熔池更窄、更淺。

圖2不同材料組合的沉積過程與打印軌道形貌。（a）P1B1 (IN718-IN718)；（b）P1B2 (IN718-IN625)；（c）P1B3 (IN718-SS316L)；（d）(t0+1) ms對應的熔池輪廓及每種組合的熔池流線；（e）和（f）打印軌道表面及其橫截面。比例尺為2 mm。

異質材料組合的微觀打印結果差異。微觀結構多樣性用以概括不同材料組合的微觀層面的可打印性，反映在界面形態區別與晶粒特征差異。（1）界面形貌：由于粉末和基體材料的物理參數特性（如，熱導率、凝固間隔）不同，異質材料匹配在單軌成形中熔池周圍會產生近乎尖銳的界面；而對于多層結構，界面形態與材料沉積順序有關，鐵基沉積在鎳基合金的組合形成了平滑過渡的界面，反之則界面過渡變得不規則，這是因為粘度和密度較高的材料作為基底相對不利于熔體成分混合。（2）晶粒特征：主要指異質材料組合（P1B3）單軌內從柱狀枝晶到等軸晶的明顯轉變（如圖3所示），且晶粒大小較同種材料組合的差異；以及P1/P2雙金屬結構的跨界面外延生長。這是合金成分分布不均與凝固過程中溶質再分配造成的成分過冷的協同效應所致。

圖3 異質材料組合打印成形的單軌內部晶體學信息。（a）和（b）分別為P1B1和P1B3的局部IPF（沿YZ平面捕捉）。（c）和（d）分別為P2B1和P2B3的局部IPF（沿YZ平面捕捉）。（e）和（f）分別為P1BX和P2BX的{100}極圖（X = 1, 2, 3）。（g）晶粒分布。（h）和（i）分別為P1BX和P2BX樣品的晶粒統計。比例尺為250 μm。

異質材料組合的打印成形性能差異。重點研究了顯微硬度這一力學性能指標，對打印軌道進行分區域（Zone of Interest, ZOI）表征研究，以闡明打印成形性能方面的差異（如圖4）。使用相同或相似材料組合打印得到的樣品硬度在各ZOI幾乎一致，而異質材料組合在各ZOI中呈現出不連續性，特別反映于沉積層和與其異質的基材接合處。此外，與同種材料組合相比，鎳/鐵基材料組合沉積層的顯微硬度有所減弱，平均降幅8.8%；而鐵/鎳基材料組合沉積層的顯微硬度則提高了19.6%。結合模擬分析，該表現出的硬度差異可通過材料組合的主要元素在凝固過程中的相互混合以及溶質的局部再合金化來解釋。

圖4 不同材料組合的顯微硬度比較。（a）樣品區域ZOI劃分示意。（b）區域顯微硬度平均值隨材料組合而變化。（c）沉積層P1B1和P1B3的主要元素含量。（d）沉積層P2B2和P2B3的主要元素含量；（e）鎳基粉末和鐵基基材匹配的P1B3組合的主元素分布模擬結果。（f）IN718粉末與不同基材的組合在各ZOI的顯微硬度值散點。（g）SS316L粉末與不同基材的組合在各ZOI的顯微硬度值散點。

/ Part.04

本工作基于“材料-工藝-性能”科學邏輯框架，面向特定材料組合和工藝方法，考慮了打印成形質量與機械性能，旨在更深入地了解雙金屬材料的可打印性。在面向應用的雙金屬或多材料集成的設計和制造中，應更深刻地明晰熔體凝固過程中溶質重新分布的復雜性，解決對元素混合及再合金的有效控制，進一步提升異質材料的匹配度，控制并優化異質材料組合的微觀結構和力學性能，特別是會影響組件應用性能的界面附近表現出的性能不均勻或不連續性，以指導更穩定成熟的雙金屬及多材料集成LDED成形。

/ Part.05

朱立達

東北大學

朱立達，東北大學機械工程與自動化學院教授/博導，現任遼寧省CAD/CAM工程中心主任。先后在The University of British Columbia、University of New South Wales訪問交流。研究方向包括智能加工診斷、增減材混合制造及超聲輔助加工等。近五年以第一作者或通訊作者發表SCI一區論文58篇（ESI高被引論文6篇、ESI熱點論文3篇，最高影響因子32.88，影響因子10.0以上11篇），授權發明專利27項。曾獲遼寧省科技發明獎“一等獎”、遼寧省自然科學學術成果獎“一等獎”、國家自然科學基金優秀結題項目獎等。主持國家自然科學基金4項、參與國家重點研發項目等國家級項目5項。

Amit Bandyopadhyay

華盛頓州立大學

Amit Bandyopadhyay，華盛頓州立大學機械與材料工程學院波音特聘教授。研究專注于金屬和陶瓷及其復合材料在結構和生物醫學應用中的增材制造。已發表380余篇論文，其中包括280多篇期刊論文和25部專著（章節），授權專利21項。目前擔任多本學術期刊的編輯或編輯成員，包括《Scientific Reports》與《Journal of Materials Research》編輯，《International Journal of Extreme Manufacturing》與《Virtual and Physical Prototyping》副主編。現為美國陶瓷學會（ACerS）、美國材料學會（ASM International）、美國醫學和生物工程學會（AIMBE）、制造工程師學會（SME）、美國科學促進會（AAAS）和美國國家發明家學會（NAI）會員。當選美國華盛頓州科學院院士。

增材制造異質結構及其生物醫學應用

基于雙光子聚合的4D打印及其應用

3D打印可充電電池的關鍵材料：從材料、設計和優化策略到應用

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(中文《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。2023年JCR最新影響因子14.7，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區。

?? 期刊宗旨和欄目（點擊閱讀詳情）

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿: 作者 編輯：范珂艷 審核：關利超

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