激光/電子束增材制造技術(shù)用于金屬材料的多材料增材制造

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

導讀：采用送粉激光增材制造技術(shù)作為組合式的技術(shù)來制造成分和組織漸變的梯度材料在最近受到人們的廣泛關(guān)注。

制造的梯度多材料，大約500微米為一層，每一層的成分發(fā)生變化，經(jīng)過層層堆積制備出梯度變化的多材料。如采用Cr-Mo-V熱作模具鋼和含Ni的馬氏體時效硬化鋼進行混合制造。制造時將兩種粉末以不同的比例進行混合，然后進行制造。對制造后的樣品進行軋制和熱處理，并對顯微組織、化學成分和機械性能進行分析。該種多材料的制造方法是一種非常高效的快速制備新穎成分合金的有效手段。該方法可以采用LAM開發(fā)新合金，也可以開發(fā)用于LAM的新合金。對該混合制造的工具鋼，觀察到Cr-Mo-V工具鋼同含Ni馬氏體時效硬化鋼混合后，可以對強度-韌性在800~1650MPa、韌性在15-25%之間進行調(diào)制。同時對采用該技術(shù)制造的多金屬材料的增材制造也做了介紹。

在這里，我們?yōu)榇蠹页尸F(xiàn)一種通過冶金的辦法制造多材料的手段，即采用送粉激光增材制造和組合式合金成分設(shè)計兩種手段結(jié)合在一起來制造多材料金屬材料。作為案例，首先為大家展示混合兩種不同類型的工具鋼：Cr-Mo-V熱作模具鋼和含Ni馬氏體時效硬化鋼。然后展示其他的案例。在前面我們已經(jīng)介紹過多材料的增材制造（ 多材料的增材制造（3D打�。� ），這里我們專門介紹金屬的多材料打印。

這里，我們做這件事有三個目的，第一是通過這兩種組合方式來制造多材料的效率如何？第二是識別工具鋼的成分同目標合金相比其機械性能的改變提升程度如何？第三是研究這一手段獲得的材料成分變化、組織和性能變化的多材料作為工程材料使用時同沒有使用多材料進行服役時兩者的效果對比又如何？其中第三條對工具鋼的實際應(yīng)用非常重要，因為工具鋼在服役時需要表面硬度高。耐磨損，而整個材料又需要一定的強度和韌性。激光增材制造是一種非常適合進行系統(tǒng)研究以上問題的有效手段。尤其是該技術(shù)還可以直接采用粉末成分設(shè)計和層層堆積制造出復雜的形體來。

馬氏體時效硬化鋼與銅進行多材料增材制造，文獻1

組合式成分設(shè)計的理念是基于薄膜合成的思想，即基于成分變化的理念。如新型的金屬間化合物、形狀記憶合金、耐蝕耐磨材料或者變形材料，都是基于此設(shè)計理念。薄膜合成和相應(yīng)地成分變化這一設(shè)計思路已經(jīng)應(yīng)用于功能材料的設(shè)計和制造，這是因為功能材料的性能是同材料成分密切相關(guān)的，如導電、相變溫度等就屬于強烈的依賴于組織和性能的。

LAM制造多材料SS → V → Ti → Zr → MG 的示意圖及其實際結(jié)果：SS不銹鋼，MG馬氏體時效鋼，文獻2）

發(fā)展用于工程結(jié)構(gòu)用途的材料需要統(tǒng)籌考慮其內(nèi)在的獨特參數(shù)，如位錯能、彈性模量等。另外一方面還需要考慮材料參數(shù)對顯微組織和性能的影響，如界面密度、粒子的分布、位錯和晶胞結(jié)構(gòu)、警惕結(jié)構(gòu)和雙相的性質(zhì)等。

盡管內(nèi)在材料參數(shù)取決于宏觀材料的化學成分、顯微組織及其隨著工藝的變化或者化學成分、整個熱機械歷史和顯微組織的遺傳效應(yīng)等。

這一特殊尺度的顯微組織對金屬材料的強度、剛性和韌性從納米尺度（如界面修飾和粒子分散）到微觀尺度（如晶粒尺寸和織構(gòu)）的調(diào)制非常重要。這一典型的顯微組織-性能的關(guān)系表明顯微組織的尺度同機械性能密切相關(guān)。

傳統(tǒng)的工藝制造成分變化的材料是一種耗時的工藝，需要大量的繁瑣的流程，如不同材料成分的混合、變形處理、均質(zhì)化熱處理、催貨、再結(jié)晶、析出、相變、元素的偏西以及時效等。這種采用快速凝固技術(shù)進行合成的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于TWIP鋼的制造、高熵合金。高強度馬氏體鋼和高彈性模量的鋼的制造。半連續(xù)的鑄造、榨汁、熱處理等技術(shù)可以在35h內(nèi)制造混合45種材料的多材料。

電子束多材料增材制造， 316不銹鋼在718上進行制造，文獻3

在多材料組合冶金設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域，激光增材制造技術(shù)同傳統(tǒng)的快速凝固相比，擁有較多的獨特優(yōu)勢：

1.該技術(shù)提供了一種特殊的冶金熱過程。激光增材制造過程中的時間-溫度曲線同傳統(tǒng)的冶金過程是顯著不同的。當每一層粉末沉積并熔化時，該材料以極高的速率得到淬冷并迅速的將熱傳遞給底層材料。在沉積下一層材料時，固化的材料不斷得到再加熱和再冷卻，甚至部分材料還會發(fā)生局部熔化。這意味著激光增材增材制造技術(shù)所獲得的材料在不斷地經(jīng)受短脈沖的溫度循環(huán)，這一特殊的內(nèi)在熱處理過程，可以用來進行固態(tài)相變。這對工具鋼及其相關(guān)的合金尤其有意義，這類合金的強度、剛性、硬度是由析出的微小組織所決定的。

2該組合設(shè)計所涉及到的是一個局部微小區(qū)域的快速熔化和凝固過程。這位傳統(tǒng)工藝不易鑄造的材料設(shè)計提供了解決途徑，如氧化物彌散強化合金，同時可以獲得超過溶解度極限的材料。LAM的凝固速率非常高。可以獲得組織非常細化的材料，傳統(tǒng)工藝獲得的組織相對較粗大。

3.LAM也屬于快速凝固工藝。將兩種或者兩種以上粉末混合，然后熔化凝固是非常耗時的。LAM可以在制造時直接切換按鈕而實現(xiàn)多材料的制備。

文中同時給出幾個典型案例。

參考文獻：
1.ChaolinTan等.https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.05.064，Interfacial characteristic and mechanical performance of maraging steel-copper functional bimetal produced by selective laser melting based hybrid manufacture，Materials & Design，Volume 155, 5 October 2018, Pages 77-85

2.https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.05.052，Additive manufacturing of Zr-based metallic glass structures on 304 stainless steel substrates via V/Ti/Zr intermediate layers，Materials Science and Engineering: A，Volume 729, 27 June 2018, Pages 185-195

3.AlejandroHinojos等，https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.01.041，Joining of Inconel 718 and 316 Stainless Steel using electron beam melting additive manufacturing technology，Materials & Design

Volume 94, 15 March 2016, Pages 17-27

文獻來源：Helene Knoll Sörn Ocylok Andreas Weisheit Hauke Springer Eric Jägle Dierk Raabe.Combinatorial Alloy Design by Laser Additive Manufacturing, https://doi.org/10.1002/srin.201600416,Steel Research International,2016