《Composites Part B》綜述：激光增材制造中的原位合金化調控

來源：AMLetters

增材制造（AM）作為一種革命性的技術，在航空航天、汽車、國防及生物醫(yī)學等行業(yè)中展現(xiàn)了巨大的應用潛力。與傳統(tǒng)制造方式相比，AM不僅具有按需定制、經濟高效生產復雜近凈形狀部件和減少工具周期時間的優(yōu)勢，還能顯著提高生產靈活性。然而，AM一直依賴預合金化粉末作為原料，限制了其在合金成分開發(fā)上的潛力。為了解決這一問題，原位合金化技術應運而生，它通過在打印過程中將元素粉末進行混合和均勻化，為合金的微觀結構和成分提供了前所未有的控制手段。

粉末制備是粉末基礎增材制造的基礎步驟，對打印過程中最終產品的質量至關重要。特別是在激光粉末床熔化（LPBF）技術中，球形粉末因其優(yōu)異的流動性和均勻的堆積性能而成為首選。盡管使用高質量的預合金化粉末可以提高打印精度，但其高昂的成本限制了合金設計的自由度。為了解決這一問題，研究人員開始利用激光平臺中的原位合金化技術，通過混合單一元素粉末，克服了預合金化粉末的必要性，從而拓寬了合金設計的邊界。然而，要在熔融狀態(tài)和成形狀態(tài)下實現(xiàn)合金的均勻性仍面臨挑戰(zhàn)。

奧克蘭大學曹鵬團隊深入探討了通過增材制造技術進行金屬合金設計的最新進展，特別是通過粉末工程和先進計算建模的結合，如何優(yōu)化微觀結構和機械性能。文章詳細介紹了粉末準備的預處理策略、原位合金化過程中固化控制的內部和外部方法，以及如何通過優(yōu)化工藝參數(shù)和計算模型實現(xiàn)化學均勻性。通過對這些先進技術的系統(tǒng)梳理，本文為推動多金屬激光增材制造技術的發(fā)展提供了戰(zhàn)略框架，并指出了當前技術面臨的挑戰(zhàn)和未來的研究方向。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112443

圖 1.添加不同量 TiC 的 AA5024 的光鏡圖像：（a） 0%、（b） 1 wt.%、（c） 3 wt.%和（d） 5 wt.%

圖 2.激光增材制造鋁基合金和高熵合金的最新研究總結：不同添加量量對 AlSi10Mg 的影響 （a） – （c） 粉末混合物形態(tài)，（d） – （f） 粉末形態(tài)，（g）-（l） 打印缺陷。（m） Ti–12Mo 樣品的 BSE 圖像，（n） 熔池邊界點綴的高倍率 BSE 圖像，（o） Ti 的 EDS 映射，（p） Ti 的 EPMA 映射，（q） Mo 的 EDS 映射，（r） Mo 的 EPMA 映射。（s） 非球形 HDH-Ti 粉末、（t） 球磨 HDH-Ti 粉末的 LPBF 示意圖;（u） 通過 LPBF 制備的 CoCrFeMnNi HEA 中氧化物顆粒與滑移帶相交的 TEM 明場圖像，（v） 帶有 SAD 圖案的 TEM 暗場圖像揭示了基體中的 MnO 顆粒

圖3.使用衛(wèi)星化和化學鍍的粉末改性方法對基于激光的AM制造的Ti基合金的最新研究總結:(a) LPBF使用各種粉末原料制備方法制造Ti6Al4V，對應于在孔隙率、偏析和不均勻性方面觀察到的趨勢[6]。(b) (e) (h) (k)具有通過化學鍍涂覆的不同重量% Ni的Ti@Ni復合粉末的SEM圖像。(c) (f) (i) (l)是使用Ti@Ni復合粉末的打印成形樣品的SEM顯微結構，而(c1) (f1) (i1) (l1)是相應的放大圖。(d) (j) (m)是對應于(c) (i) (l)的SEM圖像的EBSD反極圖(IPF ),( D1)是(d)的相應放大圖。(g) (g1) (g2)是拉伸的3D打印樣品。(g3)是Ti-0.4Ni [36]的SEM斷口形貌。

圖4.使用CVD和靜電自組裝的粉末改性方法對基于激光的AM制造的鋁基合金、CoCrMo和不銹鋼基材料的最新研究總結:具有各種納米顆粒附著的各種粉末原料的SEM圖像(a) Al7075 + TiB2，(b) Ti6Al4V + ZrH2，(c) Al7075 + WC，(d) AlSi10Mg + WCs，(e) Fe粉末+ TiC，(f)晶格匹配的成核劑的示意圖。(g)通過FBCVD涂覆有CNT的Ti6Al4V粉末的SEM圖像。(h )( g)中標記區(qū)域的放大圖。(CNT的高倍放大圖像，顯示了封裝在管內的納米顆粒催化劑的存在。(j)從復合粉末中提取的典型CNT的HRTEM分析。

圖5.含各種合金元素的Ti基合金原位合金化的微觀結構觀察:(a)pre-β邊界附近的超細片狀共析和過共析Ti2Cu顆粒。(b)板條內的貧銅區(qū)域，而富銅區(qū)域突出了Ti2Cu顆粒。(c) BSE圖像顯示了打印成形的Ti64-(4.5%)316L的熔巖狀微觀結構。(d)放大的BSE圖像顯示了針狀α′馬氏體和超細β晶粒共存的熔巖狀異質微觀結構。(e)細針狀α′的透射電鏡。超細孿晶結構的透射電鏡。(g)和(h)是打印成形Ti64-(4.5%)316L的EBSD圖像。

圖6.具有各種合金元素的鈦基合金的原位合金化的顯微結構觀察:(a)具有各種成分的打印成形鈦氧鐵合金的EBSD圖像。(b)不同成分的打印成形鈦氧鐵合金的BSE圖像。(c)設計建造的Ti6Al4V的STEM-EDS繪圖。(d)設計建造的UTM合金的STEM-EDS繪圖。(e)設計制造的Ti6Al4V的相圖，(f)設計制造的UTM合金的相圖。

圖7. (a)不同硅含量為0 wt%, 1 wt%, 2 wt%, 3 wt%和4 wt%的打印成形鋁硅合金的EBSD IPF圖。(b)從α-Al電池獲得的制造合金的TEM高角度環(huán)形暗場(HADDF)圖像和EDX映射。(c)應力消除退火后從α-Al電池獲得的合金的TEM高角度環(huán)形暗場(HADDF)圖像和EDX映射。(d)二元鋁合金中的平均晶粒尺寸是Q值的函數(shù)。(e)具有不同石墨烯(Gr)含量的AlSi12的EBSD圖。

圖8.使用各種孕育劑的鈦基合金、鋁基合金和不銹鋼原位合金的微觀結構觀察總結:(a)Ti6Al4v、Ti6Al4V+B和Ti6Al4V+LaB6的SEM圖像。(SLMed納米TiB2修飾的AlSi10Mg樣品(NTD-鋁)中細胞的干細胞HAADF圖像以及鋁、硅、鎂、鈦和硼的相應EDX圖譜。(TiB2強化316L不銹鋼的EBSD圖像。

圖9.用TiC孕育劑原位合金化不銹鋼的顯微組織觀察:(a)不同TiC含量的15-5PH/TiC金屬基復合材料的SEM圖像。(b)15-5PH/TiC MMCs的EDS繪圖。

圖10.MMAM使用非原位控制方法實現(xiàn)CET和晶粒細化的總結:(a)使用NiCr中間層的Ti6Al4V + SS410的橫截面SEM圖像。(Inconel 718和Ti6Al4V制造的雙金屬結構中界面處的EDS映射。(c)梯度材料Ti-Ta結構。(d)改進的GPA機和分級材料。(e)ti 6 al 4v的反極圖，說明超聲波振動如何影響晶粒細化和CET。(f)顯示超聲波振動效果的熔池示意圖。

圖11.在MMAM使用動力學建�？刂葡嘧兏攀�:(a)和(b)顯示了兩個等距視圖，顯示了LDED中的3D溫度場和速度場。(c)-(g)in 718 WAAM樣品熱歷史的FEM熱模型。和(h)-(m)表示基于熱歷史通過JAMK方法計算的IN718超合金WAAM的中間截面上的相分布。

圖12.使用相場模型預測固態(tài)相變的概述:(a)和(b)受工藝變量影響的熔池幾何形狀。(a)水平切片和(b)縱向切片。和(c)至(e)顯示了不同冷卻速率下的α + β微觀結構。(c) 5攝氏度/秒，(d) 10攝氏度/秒，(e) 20攝氏度/秒。(f)使用FVM模式的單一軌道。紅色矩形高亮顯示中心平面。(g)從熱流體模擬(左)和實驗結果(右)獲得的橫截面的比較，熔化的用紅色表示。(h)中心平面的溫度梯度場。(I)中心平面處的冷卻速率場(j)凝固熔池區(qū)域1、2和3中的微觀結構的放大圖。從(k)區(qū)域1的頂部觀察到的受激枝晶結構；(l)第二區(qū)；(m)第三區(qū)。(n)-(q)顯示了AlSi10Mg LPBF過程CA模擬，用于分析不同部分的熔合邊界成核。(n)寬度中部的橫向(TD)截面；(o)–(q)在(n)中描述的不同建造方向(BD)部分。

圖13.MMAM利用模型控制缺陷綜述。(a)-(e)顯示了不同陰影間距下相鄰軌道的模擬結果。(f)-(i)是具有不同組成和激光功率(50微米層厚度)的第二掃描層的橫截面，(f)和(I)顯示由低體積能量密度引起的不連續(xù)軌跡，導致成球效應、未熔合和孔隙，(g)和(h)用較高VED形成的連續(xù)軌跡。(j)-(m)顯示了具有不同激光功率的Ti25Nb10Ta的頂表面形貌:(j)180W；230W；(l) 280W和(m) 330W。(n)至(r)顯示了說明熔池和小孔形成的時間快照。

圖14.總結了增強MMAM過程控制的建模方法。(a)具有不同熱靜置時間的樣品中的孔隙度。(b)在第5層、第10層、第15層和第20層評估了逐層失真的預測準確性，將實驗結果與來自生成式機器學習模型的模擬進行比較。(c)使用梁模型、全三維模型和全三維模型的相應Von Mises應力模擬的晶格結構變形。(d)彎曲路徑打印成形網(wǎng)格結構的模擬結果。

圖15.MMAM熔池動力學模擬概要:(a)和(NiAl表面混合物的形成:白色(Ni)和藍色(Al)。(c)基材(NiAl)內部的小孔和熔池。(d)-(f)摩爾組成的內部視圖。黃色虛線箭頭表示中心平面上的流動運動，而紅色實線箭頭表示3D圓周運動。(g)Re和Pe的示意圖和定義，對(h)小孔深度、(I)液體速度和(j)熔池尺寸的影響。(k)在該Ti和Nb原位合金化期間固化軌跡的俯視圖和(l)縱向截面圖。黑線表示熔池邊界。代表性模擬結果說明了(m)熔體流動，(n)表面張力梯度，以及(o)沿橫截面的溫度梯度。

主要結論

本綜述全面探討了多種金屬通過基于激光的AM原位合金化的各個方面，涵蓋了從原材料操作的打印成形前處理到打印成形中的處理步驟，包括凝固行為的控制和由計算模型輔助的處理條件的優(yōu)化。通過最近的實例強調了利用各種方法來定制打印零件的微結構和性能的優(yōu)勢，同時也討論了挑戰(zhàn)和未來的研究方向。從打印成形過程的每個階段得出的主要結論總結如下:

在打印成形前處理步驟中，簡要討論了粉末在材料規(guī)模和工藝規(guī)模改性中的作用。增材制造合金設計的初始階段受到雜質最少的高質量增材制造兼容粉末的高成本的阻礙。然而，新穎的粉末改性方法和對混合方法、原材料特性和工藝條件的適當分析有可能在粉末原料設計中實現(xiàn)特定位置的微觀結構和增強的機械性能。

在打印過程中，可以通過使用β穩(wěn)定劑和孕育劑以及外部方法（包括超聲波處理和電磁攪拌）改變合金化學成分來有意定制凝固，以控制增材制造過程中的凝固。開發(fā)晶粒細化劑至關重要，該細化劑在凝固過程中提供最大的成核位點，同時防止成核顆粒在高度瞬態(tài)增材制造過程中溶解。這些方法有助于細化晶粒結構、減少孔隙率并防止相偏析。此外，掃描速度、層厚和熱輸入等工藝參數(shù)的優(yōu)化可以控制熱梯度和凝固速率，這對于實現(xiàn)所需的相分布和避免缺陷至關重要。
相場建模、離散單元法(DEM)、計算流體動力學(CFD)和流體體積(VOF)法等計算工具對于預測和控制熔池行為、相變和缺陷形成是不可或缺的。通過將實驗數(shù)據(jù)與這些模型相結合，有可能優(yōu)化處理條件，而不依賴于大量的反復試驗。此外，綜述討論了增強模型的需要，以捕捉激光、粉末、熔池和固相之間的復雜相互作用，特別是在多金屬系統(tǒng)中。新興的GPU驅動的仿真平臺為提高這些模型的準確性和速度提供了新的機會。

這篇綜述強調了先進粉末原料制備、凝固控制和計算模型的集成對于在激光輔助制造中實現(xiàn)優(yōu)異的多金屬合金化的重要性。將內部合金操作與控制凝固的外部方法相結合的整體方法，以及強大的計算工具，對于優(yōu)化打印成形過程至關重要。未來的研究應集中在完善這些技術和探索傳感器融合的實時監(jiān)測，以及拓撲優(yōu)化，以充分利用多金屬調幅的潛力。

作者簡介

Prof. Peng Cao（曹鵬） ，奧克蘭大學教授，在輕合金成分設計、金屬粉末近凈成形技術、新能源材料與器件等領域作了大量開創(chuàng)性工作，在新西蘭已經主持完成了數(shù)十項科研項目，在包括Science Advances, Angewandte Chemie 、Acta Materialia和Chemical Engineerign Journal 等國際學術期刊上發(fā)表學術論文230篇，出版專著（含章節(jié)）10本�，F(xiàn)任美國金屬學會 (ASM)，材料研究學會(MRS)會員、新西蘭皇家學會 (RSNZ)會員；上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室客座教授；北京科技大學客座教授；中南大學粉末冶金國家重點實驗室客座高級科學家。

個人資料來源：https://clxy.chd.edu.cn/info/1264/9079.htm

Wuxin Yang，奧克蘭大學博士后。

個人資料來源：https://profiles.auckland.ac.nz/wuxin-yang