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頂刊前沿綜述《PMS》IF=31.56！全面闡述增材制造金屬材料的合金化和加工過程！

2021-05-24 15:05:16 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

近日，國際材料領域頂級綜述期刊《Progress in Materials Science》在線發表了新加坡南洋理工大學機械與航天工程學院新加坡3D打印中心的長篇綜述論文“Emerging metallic systems for additive manufacturing: In-situ alloying and multi-metal processing in laser powder bed fusion”。論文影響因子IF=31.56！

本文涵蓋了原位合金化和多金屬加工的新興研究，全面概述了背后的科學主題。從不同角度(材料和L-PBF加工參數)綜述了目前的研究現狀和進展，為后續研究和開發提供依據。

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論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100795

激光粉末床熔化(L-PBF)，也被稱為選擇性激光熔化(SLM)，是一種增材制造(AM)技術，在合金和陶瓷方面顯示出了良好的潛力。L-PBF有利于近終形制造，該過程從準備計算機輔助設計(CAD)數據文件開始，這些數據文件隨后與加工參數對齊，并通過計算機軟件劃分為二維(2D)堆疊層。該生產過程包括一個循環：將粉末層沉積到基板或以前處理過的層上，用高能激光束根據每一層的輪廓選擇性地熔化粉末，將平臺降低一層厚度，然后重新涂覆一層新的粉末。該過程以沉積和熔化三維(3D)組件的最后一層切片結束。

L-PBF可以直接從快速3D打印具有復雜幾何形狀的零件，而無需耗時的模具設計過程。近終形制造使產品適合終端應用或至少最簡化后續加工過程。

然而，對于L-PBF零件拋光和熱處理有時是必要的。與傳統方法相比，L-PBF在零件中具有優越的性能，這是由于在工藝過程中由于快速冷卻和凝固循環(冷卻速率為103-106°C/s)而產生的超細和梯度組織。盡管L-PBF以合理的生產成本、獨特的結構和性能展現出了廣闊的潛力，但該工藝在工業上的應用仍然有限。其中一個主要的挑戰是L-PBF可用材料的限制。

眾所周知，L-PBF的既定材料是不銹鋼、工具鋼、Ti6Al4V和AlSi10Mg。因此，需要專門為L-PBF設計新的合金。L-PBF處理粉末混合物的能力為材料研究提供了新的機遇，特別是對金屬基復合材料的研究得到了廣泛的應用。“原位合金化”指的是利用L-PBF同時制造功能部件，并通過混合粉末原料制造合金。這種策略具有快速設計和驗證新合金的潛力。此外，一個部件的功能通常需要在部件中包含不止一種離散材料。因此，L-PBF能夠加工多金屬也是很重要的。雖然有很大的潛力，但LPBF特有的缺陷仍然是值得關注的。這些包括粗糙表面、孔隙率和殘余應力等。因此，要實現多金屬的L-PBF加工和原位合金化，需要對材料和L-PBF工藝參數進行全面的了解。

雖然在理解激光粉末床聚變(L-PBF)以及使用該技術制造各種材料方面取得了顯著進展，但在工業中的應用仍然有限。本文還討論了缺陷的形成機理，包括主要影響因素和產生的趨勢，從而闡明了與這兩種材料加工途徑有關的缺陷，展望了未來的研究方向和潛在的研究課題。本文的最后一部分總結了本文的研究成果，并概述了利用L-PBF進行原位合金化和多金屬加工的可能性。

圖1一個典型的L-PBF建造室和過程的示意圖。白色字體說明機器部件，黑色字體說明關鍵的加工參數。

圖2(a) 凝固合金的代表性組織。這些顯微組織的相襯為灰色硅和白色鋁。(b)在AS合金的BD-TD平面上獲得的高倍掃描電鏡圖像，顯示了每個激光熔池內的蜂窩狀凝固。Hatch重疊區域用1標記，區域2顯示重疊區域外Si相粗化。相襯為白色硅和灰色鋁。(c) AS試樣的BD-TD平面上得到的反極圖。黑色實線表示一些熔化池的邊界。(d) HS合金的高倍掃描電鏡圖像(從BD-TD平面捕獲)，顯示Si顆粒的均勻分布。

圖3(a)Ti6Al4V，(b)(Ti6Al4V)-2Fe，(c)(Ti6Al4V)-3Fe，(d)(Ti6Al4V)-4Fe樣品的顯微組織，構建方向由白色箭頭指示。

原位合金化可以擴展L-PBF處理的材料庫，因為它也允許對不同成分的合金進行快速的可行性研究。此外，原位合金零件的性能與使用L-PBF預合金粉末形成的相同材料相比，即使不是更優越，也是相當的。對于多金屬加工，它允許使用L-PBF直接制造通常需要組合不同材料性能的功能部件。因此，有了多金屬加工能力，工業就可以通過直接制造更廣泛的產品來提高其制造能力。本文對L-PBF原位合金化和多金屬加工的制備、挑戰和潛力進行了深入的探討。使用這些路線的制造是從材料和加工參數的角度考慮的。雖然在改進金屬的3D打印性方面已經取得了很大的進展，但目前可用的合金有限。雖然已經采用了各種方法來制備原料，但需要更高效和經濟的過程，特別是工業生產。

圖4拋光Ti42Nb拉伸試樣的SEM和EDS圖像(a)10x SE模式；(b)50x SE模式；(c)1000x BSE模式和(d)(c)區域的EDS。

圖5L-PBF鋼/青銅界面微觀結構的FE-SEM圖像:(a)整個熔化區(100×)，(b)整個熔化區中的A區(500×)，(c)整個熔化區中的B區(600×)，(d)整個熔化區中的C區(3000×)，(e)圖(c)中的D區(1500×)，(f)枝晶裂紋示意圖。

圖6CuSn/18Ni300多金屬體系的形貌，(a)CuSn/18Ni300界面；(b) A區高倍放大；(c)B區高倍放大；(d)C區高倍放大。

圖7(a)316L/C52400界面的熔化行為(b)C52400/316L界面的熔化行為。

圖8 Cu/Al界面的FIB圖像;(b) Cu/Al界面的SEM圖像;(c)銅的FIB圖像;(d) AlSi10Mg的SEM圖像。

圖9 Ti5Al2.5Sn/Ti6Al4V多金屬樣品的微觀結構特征。 (a)OM圖和(b)EDS線掃描結果顯示Ti5Al2.5Sn/Ti6Al4V界面周圍的元素分布；(c)原理圖顯示元素擴散的形成機制；(d)Ti5Al2.5Sn層的SEM圖；(e) Ti6Al4V層的SEM圖和(f) SEM圖像顯示了Ti5Al2.5Sn/Ti6Al4V界面周圍的微觀組織。

圖10 激光輻射與粉末相互作用區示意圖。

圖11 熔池尺寸對成分梯度的影響。

圖12 利用多材料過渡區組裝鋁合金和鋼的示意圖。(b)具有多材料加工能力的L-PBF內部原型系統。(c)送粉系統設計。(d)粉料機混合粉料的工作原理。(e)純Fe和（f）Al12Si的輸送粉末質量(m)與施加電壓(a)和振動時間(tv)的函數的校準曲線。

圖13 原位L-PBF粉末混合系統(a)系統的詳細示意圖；(b)運輸粉末進入混合室；(c)混合粉末通過電機的旋轉控制箱；(d)和(e)分別顯示了兩種混合系統的機理，即粉末分別在水平方向和垂直方向合并，水平方向分離，垂直方向合并。

圖14 L-PBF物理模型概述(a)所建立的有限元模型；(b)和激光掃描策略；(c) L-PBF過程中(點1在Ti6Al4V層中心;點2在TiB2層的中心)。

圖15 多軌道、多層和多金屬L-PBF建模框架。

圖16 多金屬L-PBF(a)計算域的熱邊界條件；(b)316L和邊界清晰的Cu10Sn粉末；(c)在邊界上施加175w和800mm /s的激光束；(d)凝固后的軌跡形態。

本文還討論了傳熱和流體流動對原位合金化和多金屬加工的影響。與L-PBF相關的缺陷需要仔細控制，因為這些方法的過程增加了復雜性。討論了球化效應、孔隙率、裂紋、合金元素的損失、氧化物夾雜物、金屬間化合物和未熔化顆粒。需要更多的調查來克服這些挑戰。最終，L-PBF提供了在未來推進材料科學和制造技術。通過采用原位合金化和多金屬加工技術，使其成為高性能的產品。然而，這一領域的研究相對較新，處于起步階段，需要加速試驗和調查，以使實時應用取得成果。

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