基于增材制造的異種金屬一體化成形關(guān)鍵問(wèn)題

張百成，王泳翔，曲選輝

增材制造（Additive manufacturing，AM）技術(shù)是一種基于“離散–堆積”原理，通過(guò)數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式將材料逐層連接形成三維部件的先進(jìn)制造技術(shù)[1]。這種技術(shù)提供了較高的設(shè)計(jì)自由度，減少了加工步驟、成本和周期[2]，其固有的靈活性和生產(chǎn)高度復(fù)雜部件的高效率而被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、汽車(chē)制造等領(lǐng)域，尤其在航空航天的復(fù)雜零部件成形、裝備輕量化以及功能–結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方面具有突出應(yīng)用[3]。增材制造技術(shù)目前主要以單一材料為主，在同一部件上，傳統(tǒng)增材制造設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種材料的組織、結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行精確調(diào)控，尚無(wú)法滿(mǎn)足航空航天對(duì)大型高性能復(fù)雜零件具有功能耦合和多環(huán)境適應(yīng)的使用需求[4]。所以，增材制造技術(shù)急需從單一材料結(jié)構(gòu)向多材料結(jié)構(gòu)突破。異種金屬增材制造的一體化成形是現(xiàn)有的一個(gè)重要研究方向，其不僅可以通過(guò)在預(yù)設(shè)位置精確成形不同種類(lèi)的材料，實(shí)現(xiàn)具有雙金屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜功能部件的有效連接與成形，還可以在材料界面處實(shí)現(xiàn)成分梯度過(guò)渡，因此成形的異種金屬連接部件甚至超越傳統(tǒng)焊接的結(jié)合強(qiáng)度[5]。

然而，異種金屬增材制造技術(shù)仍面臨許多關(guān)鍵問(wèn)題。在工藝制備方面，特定位置精準(zhǔn)預(yù)置所需材料存在困難，并且高能束與異質(zhì)材料的適配性機(jī)理尚不清晰。在材料本征方面，具有全互溶的異種合金體系中存在一些其他微量元素，它們之間可能會(huì)產(chǎn)生有害的析出相，如何合理調(diào)控析出相的形成，這一方面理論還尚未理清；非互溶合金體系是異種合金連接的重要問(wèn)題，由于固溶度的限制和熱物理性能的不匹配，材料在連接過(guò)程中容易形成有害的金屬間化合物，接頭處易成為殘余應(yīng)力與熱應(yīng)力集中的來(lái)源，最終導(dǎo)致材料分層或開(kāi)裂。

目前，針對(duì)上述問(wèn)題的機(jī)理探討尚未完善，在界面缺陷控制、單一熔池內(nèi)異種材料的冶金行為、不同合金體系相溶性等問(wèn)題仍缺乏系統(tǒng)總結(jié)。本文綜述了定向能量沉積、激光選區(qū)熔化和電子束熔化異種金屬增材制造一體化成形的研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)梳理了異種金屬增材制造的工藝制備和材料本征問(wèn)題，對(duì)粉末鋪放工藝、高能束與粉層適配性、全互溶合金析出相控制、非互溶材料高能束連接及界面成分分布控制等問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)并提出了相應(yīng)解決措施，最后展望了其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 異種金屬增材制造研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

1.1 基于DED的異種金屬增材制造技術(shù)

定向能量沉積 （Directed energy deposition，DED）技術(shù)，也被稱(chēng)為激光金屬沉積 （Laser metal deposition，LMD）或激光近凈成形 （Laser engineered net shaping，LENS）。通過(guò)改進(jìn)送粉裝置結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)送粉的成分比例，可在同一零件的不同位置實(shí)現(xiàn)材料成分的連續(xù)變化[6]。該技術(shù)的原理是通過(guò)激光在沉積區(qū)域形成熔池，然后使用多個(gè)粉末料斗實(shí)時(shí)控制沉積粉末種類(lèi)和速率的變換，粉末進(jìn)入熔池后逐層沉積，最終實(shí)現(xiàn)異種金屬的一體化成形。除此之外，還可將不同粉末預(yù)混合，通過(guò)送粉比例的變換形成具有梯度變化的多材料零件[4，7]。圖1（a）顯示了DED打印的工作原理[8]。

圖1 基于DED異質(zhì)金屬增材制造的原理及梯度試樣Fig.1 Principle and gradient sample of dissimilar metallic additive manufacturing by DED

為了體現(xiàn)DED沉積梯度材料的能力，Kürnsteiner等[9]通過(guò)選擇性地改變不同沉積層之間的暫停時(shí)間，局部調(diào)控DED工藝參數(shù)以控制納米沉淀物析出，最終制備出軟硬相間的Fe19Ni5Ti（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）馬氏體鋼，實(shí)現(xiàn)了單一材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的梯度變化，如圖1 （b）所示。此外，圖1 （c）[10]和（d）[11]分別展示了利用DED沉積的由316 L/Inconel 718層間交替分布的功能梯度試樣和粉末預(yù)混合的Inconel 625–Ti6Al4V功能梯度試樣，其沿構(gòu)建方向均能實(shí)現(xiàn)成分梯度的變化。

1.2 基于SLM的異種金屬增材制造技術(shù)

激光選區(qū)熔化 （Selective laser melting，SLM）是一種利用激光束依據(jù)模型對(duì)粉床表面粉料進(jìn)行掃描、熔化和逐層加工的增材制造技術(shù)[12]。該技術(shù)不僅能制造出力學(xué)性能良好、表面粗糙度小以及成形精度高的產(chǎn)品，而且其性能優(yōu)于傳統(tǒng)鑄件甚至鍛件標(biāo)準(zhǔn)[13–14]。與DED相比，SLM加工過(guò)程中使用的激光光斑更小，成形的零件在尺寸精度和表面質(zhì)量上具有較大優(yōu)勢(shì)，更適用于加工高精度的中小型金屬零件[14]。因此，SLM技術(shù)逐漸成為異種金屬增材制造領(lǐng)域近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。

采用SLM技術(shù)打印異種金屬材料結(jié)構(gòu)主要有3種策略： （1）SLM直接在基板上進(jìn)行，雙金屬部件結(jié)構(gòu)由基板和打印層構(gòu)成[15]； （2）在一種粉末材料打印完成后，打開(kāi)艙室清理，然后通過(guò)手動(dòng)更換另一種粉末以實(shí)現(xiàn)雙金屬部件的打印[16]； （3）改進(jìn)SLM的鋪粉系統(tǒng)，通過(guò)增加粉末料斗、超聲波振動(dòng)輔助、靜電粉末散布以及原位粉末混合等方式打印復(fù)雜的異質(zhì)材料零件[17–20]。其中，第3種策略是實(shí)現(xiàn)不同材料在同一粉末鋪放層內(nèi)預(yù)置的重要方法，如圖2所示[17]。

圖2 SLM多材料鋪粉系統(tǒng)示意圖[17]Fig.2 Schematics of powder spreading system for multi-material[17]

刮刀式粉末鋪放適宜打印層間分布式的異質(zhì)材料結(jié)構(gòu)，而在同層的水平方向上沉積不同材料是具有挑戰(zhàn)性的[18]；超聲波的粉末鋪放方式可以通過(guò)超聲波振動(dòng)將不同材料粉末顆粒按不同的幾何圖形分配至粉床上，由于逐點(diǎn)超聲波鋪粉的加工效率極低，限制了其發(fā)展[19]；“刮刀+超聲波”式的混合撒粉系統(tǒng)首先利用刮刀鋪放成形構(gòu)件所需的主要部分的粉末材料，然后結(jié)合超聲波輔助粉末分配器用于沉積其他類(lèi)型的少量粉末，同時(shí)使用逐點(diǎn)微真空系統(tǒng)去除預(yù)設(shè)局部區(qū)域的未融化粉末，這樣可以提高超聲波輔助SLM的粉末沉積效率；靜電式粉末鋪放是一種非接觸式的撒粉方式，其通過(guò)調(diào)整電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制粉末的沉積速率和粉層厚度，在粉床上具有生成任意多材料設(shè)計(jì)圖案的能力。該方法無(wú)須復(fù)雜的除粉步驟，但是不恰當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置會(huì)導(dǎo)致粉末顆粒散布在其他區(qū)域，從而導(dǎo)致粉末層交叉污染[17，20]。

Scaramuccia等[21]為了實(shí)現(xiàn)利用SLM制備功能梯度材料的目標(biāo)，在原有設(shè)備基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了能夠在制造過(guò)程中鋪放不同粉末的SLM設(shè)備，并且可以實(shí)時(shí)控制送粉比例和混合粉末，如圖3（a）～（c）所示。首先將兩種類(lèi)型的粉末放置于不同的料斗中，通過(guò)壓電傳感器控制送粉的比例，經(jīng)旋轉(zhuǎn)的葉片對(duì)粉末進(jìn)行混合，然后將它們轉(zhuǎn)移至下方的混合室中，最后利用另一個(gè)壓電傳感器和刮刀控制混合粉末整齊地撒布于粉床上。此外，混合室中的多余的粉末還可以被排出或用于回收?；谏鲜鲈?，使用該系統(tǒng)成功構(gòu)建了從Ti6Al4V梯度過(guò)渡到質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%IN718的梯度試樣，如圖3（d）所示[21]。

圖3 基于SLM的異質(zhì)金屬增材制造系統(tǒng)及梯度試樣[21]Fig.3 Dissimilar metallic additive manufacturing system and gradient sample by SLM[21]

1.3 基于EBM的異種金屬增材制造技術(shù)

電子束熔化 （Electron beam melting，EBM）技術(shù)是一種以高能電子束為熱源的增材制造技術(shù)。但是，目前EBM技術(shù)的研究限于單一材料成形，尚無(wú)成熟的EBM異質(zhì)材料增材制造的方案。主要原因在于EBM系統(tǒng)是在真空環(huán)境下工作的，其無(wú)法參照SLM層間手動(dòng)開(kāi)艙換粉的方式制造異質(zhì)材料[22]。Guo等[23]提出了一種利用異種粉末材料成形梯度結(jié)構(gòu)的電子束選區(qū)熔化 （Electron beam selective melting，EBSM）技術(shù)，首先通過(guò)振動(dòng)的送粉方式，實(shí)現(xiàn)兩種不同粉末材料的獨(dú)立供給與混合，然后在成形室中自下而上逐層完成不同梯度層混合粉末的打印，最終利用EBSM系統(tǒng)成功制備了Ti6Al4V/Ti47Al2Cr2Nb梯度結(jié)構(gòu)。雙金屬材料粉末供給示意圖及雙金屬材料EBSM系統(tǒng)如圖4所示[23]。

圖4 基于EBM異質(zhì)金屬增材制造的原理及成形系統(tǒng)[23]Fig.4 Principle and forming system of dissimilar metallic additive manufacturing by DED[23]

1.4 異種金屬增材制造技術(shù)對(duì)比

現(xiàn)有研究表明，通過(guò)成形設(shè)備的改造，DED、SLM和EBM均具備成形異質(zhì)金屬材料零件的能力，表1總結(jié)了3種異質(zhì)金屬增材制造技術(shù)的特點(diǎn)及典型的成形材料[21，23–37]。DED的加工效率高，適于制造大型部件。但是，大多DED沉積的異質(zhì)材料零件均沿Z軸方向分布，缺乏X、Y方向上分布異質(zhì)材料的能力[14]。SLM使用的激光光斑直徑更小，加工材料表面質(zhì)量好，成形精度高，在加工精度方面高于DED和EBM，因此SLM適用于加工高精度的中小型異種金屬部件。為進(jìn)一步改善界面性能，仍需要探索異種金屬材料界面缺陷的形成機(jī)制，控制界面的成分分布[24]。與SLM和DED相比，EBM系統(tǒng)需要在真空環(huán)境下運(yùn)行，不利于在制造期間進(jìn)行材料切換[22]。但是，它的能量利用率更高，在成形高導(dǎo)熱金屬、高溫合金和高熔點(diǎn)金屬零件上具有較大優(yōu)勢(shì)[25]。

表1 異種金屬增材制造技術(shù)的比較Table 1 Comparison of dissimilar metal additive manufacturing technologies

2 異種金屬增材制造的工藝問(wèn)題

2.1 粉末鋪放工藝關(guān)鍵問(wèn)題

在基于粉末床的SLM技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)異種材料粉末在特定位置精準(zhǔn)預(yù)置與調(diào)控，并且避免界面缺陷的產(chǎn)生是異質(zhì)金屬粉末鋪放關(guān)鍵控制技術(shù)面臨的困難與挑戰(zhàn)，目前尚未有系統(tǒng)的研究報(bào)道。由于傳統(tǒng)的SLM設(shè)備僅限于單一材料的打印，為了實(shí)現(xiàn)異質(zhì)粉末的精準(zhǔn)鋪放問(wèn)題，曼徹斯特大學(xué)的Wei等[30]設(shè)計(jì)了“刮刀+超聲波輔助”式的SLM系統(tǒng)，如圖5所示，該系統(tǒng)能夠通過(guò)多噴嘴粉末輸送和逐點(diǎn)單層粉末真空吸附實(shí)現(xiàn)不同材料在特定位置的精準(zhǔn)預(yù)置。

圖5 “刮刀+超聲波輔助”式的SLM系統(tǒng)示意圖[30]Fig.5 Schematic diagram of “blade + ultrasonic” SLM system[30]

但是，SLM加工過(guò)程中不同材料的加工參數(shù)不匹配，刮刀與固化層發(fā)生機(jī)械摩擦接觸不僅容易導(dǎo)致刮刀損壞，而且會(huì)造成粉層表面出現(xiàn)各種缺陷。粉層界面缺陷具體分為以下4種：翹曲、直線型缺陷、供粉不足和鋪粉過(guò)量，如圖6所示[38–39]。鋪粉缺陷的存在可能會(huì)導(dǎo)致粉層厚度不一致、打印界面不致密以及成型件缺損。所以，通過(guò)增加材料界面粉層接觸面積和壓力的方式有助于提高結(jié)合強(qiáng)度。Wei等[30]通過(guò)“刮刀+超聲波”鋪粉方式設(shè)計(jì)了一個(gè)具有“指狀交叉”接頭結(jié)構(gòu)的316 L/Cu10Sn樣品，如圖7（a）所示。然而，卻在Cu10Sn區(qū)觀察到了孔隙和裂縫的產(chǎn)生，如圖7（b）[30]所示。產(chǎn)生界面缺陷的原因：超聲波粉末分配器的噴嘴中排出的粉末自由地落在粉床上，沒(méi)有外部壓制力，使得粉末層變得松散、高度不一并且多孔。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，若通過(guò)施加外力的方式來(lái)壓縮超聲沉積的粉末層可以有效地減少孔隙率，如圖7（c）所示[40]。

圖6 粉層鋪放缺陷[39]Fig.6 Powder spreading defects[39]

圖7 粉末鋪放的界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.7 Interface structure design of powder layer placement

2.2 激光–粉層適配性問(wèn)題

在異種金屬梯度連接過(guò)程中，每種材料成分都可能需要一個(gè)最佳的工藝參數(shù)，不同粉層的激光工藝參數(shù)適配成了關(guān)鍵問(wèn)題。例如SS 316L和Inconel 718具有良好溶解度，不存在異性相變，兩種材料的熱膨脹系數(shù)相近，它們之間可以獲得良好的冶金結(jié)合[29]。然而，異種材料連接也存在一定的局限性，Koukolíková等[41]在SS316 L與Inconel 718界面熔合區(qū)域發(fā)現(xiàn)了凝固裂紋，如圖8所示。這種缺陷不是成分混合比例的差異產(chǎn)生的，而是由于不同材料之間的適應(yīng)工藝參數(shù)不是線性匹配關(guān)系所致。激光工藝參數(shù)的差異會(huì)顯著影響單一熔池內(nèi)異種材料的冶金行為，從而影響最終材料的性能。

圖8 異種金屬增材制造“激光–粉層”非適配性缺陷[41]Fig.8 Non-adaptability defects in “l(fā)aser–powder layers” for dissimilar metal additive manufacturing[41]

在熔池內(nèi)部，馬蘭戈尼對(duì)流效應(yīng)是液態(tài)金屬流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，所引起的環(huán)形流動(dòng)導(dǎo)致異種元素重新分布，影響著異種材料之間的結(jié)合強(qiáng)度[42]。上述機(jī)制中，SLM原位合金化過(guò)程中不同元素的混合及熔體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)示意圖分別如圖9（a）和（b）所示[43]，熔池底部的熱量使先前凝固的材料A再次熔化，向下流動(dòng)的環(huán)流使新熔化的B流入熔池底部，液態(tài)的A和B混合并相互反應(yīng)。最終，熔池底部的部分元素B和新形成的相被環(huán)流帶到熔池頂部，冷卻后凝固。根據(jù)Khairallah等[44]開(kāi)發(fā)的激光–粉末–熔池相互作用模型顯示，采用低激光功率只能產(chǎn)生淺而窄的熔池，相當(dāng)大一部分激光束會(huì)被基底反射，如圖9（c）所示。當(dāng)?shù)图す馕章屎透邔?dǎo)熱性金屬粉末經(jīng)馬蘭戈尼對(duì)流作用被帶到熔池頂部時(shí)，會(huì)導(dǎo)致較低的熱量輸入和快速散熱現(xiàn)象，這使得熔池中的高熔點(diǎn)金屬粉末不易被激光直接照射，無(wú)法通過(guò)熔池中的熱傳導(dǎo)獲得足夠的熱量而熔化，并最終從預(yù)固化的一側(cè)發(fā)生分層和翹曲[43]。此外，如果材料體系的潤(rùn)濕性差，則會(huì)在未熔化的粉末周?chē)斐蓺饪缀土鸭y。如圖9（d）所示[44]，增加激光功率將產(chǎn)生深且寬的熔池，激光束可以在熔池中多次折射，并且襯底吸收更多的激光能量，這促進(jìn)了異種材料熔池及界面處熱影響區(qū)的元素遷移并產(chǎn)生強(qiáng)結(jié)合。

激光–粉層之間的交互作用是極為復(fù)雜的，通過(guò)對(duì)多材料體系熔池行為進(jìn)行模擬，可以了解異種材料的界面形態(tài)、熔池形狀及微觀結(jié)構(gòu)演變等，有利于優(yōu)化工藝參數(shù)和提升材料性能。Chen等[45]通過(guò)多層有限元模型對(duì)TiB2/Ti6Al4V加工中的熱力學(xué)行為進(jìn)行模擬，如圖10所示。通過(guò)多層有限元模型篩選工藝參數(shù)，可以在界面上獲得合適的TiB2層的滲透深度，以實(shí)現(xiàn)TiB2和Ti6Al4V之間良好的界面結(jié)合。Gu等[46]使用離散元素的方法模擬了熔池的演變和多金屬沉積在相同和不同層的熔體軌跡形態(tài) （圖11（a）），圖11（b）模擬結(jié)果可以直觀反映SS 316 L和Cu10Sn之間的界面狀態(tài)，界面上的相遷移與熔池內(nèi)的對(duì)流有關(guān)，這有助于元素的混合與擴(kuò)散。

圖10 多材料結(jié)構(gòu)的SLM物理模型的示意圖[45]Fig.10 Schematic diagram of SLM physical model of multi-material structure[45]

圖11 金屬多材料增材制造的熔池模擬過(guò)程[46]Fig.11 Molten pool simulation process for metal multi-material additive manufacturing[46]

因此，不能采用單一或者簡(jiǎn)單線性關(guān)系的工藝參數(shù)指導(dǎo)異種金屬增材制造過(guò)程，需要理清多材料熔池內(nèi)部變化的機(jī)理，并且借助多尺度模擬、人工智能預(yù)測(cè)和試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法得出不同材料的最佳工藝參數(shù)[47]。

3 異種合金一體化成形材料本征問(wèn)題

3.1 全互溶合金析出相控制問(wèn)題

全互溶合金體系通常具有較好的互溶性。然而，由于合金內(nèi)部的微量元素與雜質(zhì)元素之間的相互作用、元素偏析或脆性相析出，大部分鑄造、鍛造以及焊接使用的傳統(tǒng)材料在接頭連接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生缺陷[48]。目前，異種接頭界面成分和析出相的嚴(yán)格控制是全互溶合金體系需要關(guān)注的問(wèn)題，許多機(jī)理還尚未理清。

以Ni基合金與不銹鋼梯度材料增材制造為例，Carroll等[49]通過(guò)DED構(gòu)建了從304 L到Inconel 625的梯度材料，試樣宏觀結(jié)構(gòu)良好，但在質(zhì)量分?jǐn)?shù)79% 304 L和21% Inconel 625梯度區(qū)域觀察到了微裂紋，分別如圖12（a）和 （b）所示。經(jīng)分析，由于合金元素含量差異產(chǎn)生化學(xué)勢(shì)梯度，誘發(fā)碳遷移，Nb、Mo等合金元素有向枝晶間區(qū)域富集的趨勢(shì)，最終在裂紋處觀察到含Nb和Mo的MC型碳化物沉淀析出，它們會(huì)導(dǎo)致材料機(jī)械性能下降。此外，Kim等[50]在Inconel 718/SS316 L梯度結(jié)構(gòu)中也觀察到了無(wú)法避免的一些裂紋缺陷，如圖12（c）和 （d）所示，其主要是由于受高能激光束照射的影響，合金元素趨于向能量穩(wěn)定的奧氏體枝晶間區(qū)域形成富Nb的Laves相、含Nb和Mo的碳化物以及嵌入在其中的高溫脆性陶瓷氧化物，最終導(dǎo)致了裂紋產(chǎn)生。

圖12 全互溶異種合金的連接缺陷Fig.12 Connection defects of completely miscible dissimilar alloy

上述冶金現(xiàn)象表明，即使是全互溶體系的異種合金也需要對(duì)析出相進(jìn)行嚴(yán)格控制。傳統(tǒng)的連接工藝存在局限性，通過(guò)增材制造添加中間層連接的策略或梯度平滑過(guò)渡的方式有利于減少這些影響。

3.2 非互溶材料高能束連接問(wèn)題

非互溶異種合金材料連接是材料加工面臨的難題。傳統(tǒng)的焊接和釬焊的工藝方法在接頭處會(huì)產(chǎn)生材料界面，是材料性能下降與缺陷的來(lái)源。雖然一些合金體系的相溶性問(wèn)題已經(jīng)通過(guò)填充金屬、高能電子束焊接和攪拌摩擦焊等方法得到解決，但是，到目前為止還沒(méi)有一種連接工藝被證明適用于所有異種合金[51]。增材制造具有制造復(fù)雜構(gòu)件和功能梯度部件的能力，可以通過(guò)材料成分調(diào)控避免材料界面轉(zhuǎn)化為材料宏觀連續(xù)變化，但目前仍面臨兩個(gè)瓶頸問(wèn)題： （1）合金互溶度和金屬間化合物的形成。不同合金之間的溶解度與原子的晶體結(jié)構(gòu)、半徑差和電負(fù)性等因素有關(guān)。由于溶解度的限制，大多非互溶合金體系 （如Fe –Ti、Ni –V和Cr–Ti體系）傾向于在中間成分形成脆而硬的金屬間相和化合物，在加工過(guò)程中產(chǎn)生熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力作用下，成為開(kāi)裂來(lái)源[6，53]。此外，由于二元體系溶解度的限制，某些二元體系會(huì)呈現(xiàn)出混溶間隙 （如Fe– Cu體系[54]）。直接熔融結(jié)合會(huì)導(dǎo)致兩者分離成離散的液滴，而不是形成連續(xù)的固溶體，最終會(huì)造成接頭熔合區(qū)的性質(zhì)不均勻[55–56]。（2）熱物理性能的不匹配。當(dāng)連接熱物理性質(zhì) （熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率等）顯著不同的合金時(shí)，不均勻的熱流不僅會(huì)造成材料的變形，而且會(huì)使接頭連接處成為殘余應(yīng)力集中或者化學(xué)元素偏析的部位，甚至還會(huì)導(dǎo)致低熔點(diǎn)合金在凝固過(guò)程中開(kāi)裂，從而使材料部件失效[6]。

以銅 （Cu）–馬氏體鋼 （Maraging steel，MS）雙金屬結(jié)構(gòu)為例，其組織呈現(xiàn)典型的混溶間隙結(jié)構(gòu)，如圖13（a）所示[57]。Tan等[58]通過(guò)激光工藝參數(shù)控制，形成了冶金結(jié)合良好且無(wú)缺陷的MS – Cu界面，圖13（b）展示了界面處Fe – Cu的冶金擴(kuò)散以及熔池中的馬蘭戈尼對(duì)流示意圖。由于界面熔池中心的溫度高于邊界的溫度，液態(tài)的Cu被拉向MS熔池的邊界，同時(shí)重力使液態(tài)金屬流向熔池的底部，最終形成了環(huán)形流動(dòng)。界面結(jié)合區(qū)強(qiáng)烈的馬蘭戈尼對(duì)流效應(yīng)促進(jìn)了合金元素的擴(kuò)散，使得界面獲得良好的冶金結(jié)合。

圖13 非混溶合金的界面鍵合機(jī)制Fig.13 Interface bonding mechanism of immiscible alloy

Bobbio等[59]研究了Ti6Al4V/Invar 36功能梯度材料，如圖14（a）所示。由于Ti6Al4V和Invar 36之間熱膨脹系數(shù)、彈性模量和晶體結(jié)構(gòu)的不匹配，導(dǎo)致脆性的金屬間相 （FeTi、Fe2Ti、Ni3Ti和NiTi2）的在界面處生成，如圖14（b）所示。這些脆性相不能承受加工過(guò)程中固有的殘余應(yīng)力，最終導(dǎo)致沉積部分出現(xiàn)斷裂。

圖14 非互溶合金的連接缺陷Fig.14 Connection defects of non-miscible alloys

加入中間層是常見(jiàn)的解決方法，其不僅能在異種材料之間形成牢固而持久的鍵合，而且能避免異種材料之間產(chǎn)生有害的金屬間化合物[52]。使用不同的中間層還可以將熱膨脹不匹配產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分散在兩個(gè)界面而非一個(gè)界面上[6]。Li等[31]設(shè)計(jì)了一個(gè)多金屬中間段，其中100%V、100% Cr和100% Fe被用于連接Ti6Al4V和SS316，圖15展示了Ti–V、V–Cr和Fe–Cr相圖。通過(guò)利用釩和鉻層之間良好的溶解度和高冷卻速率，這種新型的中間層結(jié)構(gòu)避免了σ–FeV相和FeTi金屬間化合物的產(chǎn)生。

圖15 梯度試樣及Fe–Cr–V中間層的示意圖[31]Fig.15 Schematic diagram of gradient specimen and Fe–Cr–V interlayer[31]

上述研究表明，異種金屬材料的界面是其機(jī)械性能薄弱之處，材料之間的互溶度、金屬間化合物的生成以及熱物理性質(zhì)的不匹配等材料相溶性問(wèn)題均會(huì)對(duì)材料整體性能產(chǎn)生不利影響。因此，需要建立異質(zhì)材料之間熱物理性質(zhì)參數(shù)與界面成型質(zhì)量的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，總結(jié)不同體系材料相容匹配的規(guī)律，通過(guò)采用中間層和連續(xù)梯度過(guò)渡等方法避免因材料相容性問(wèn)題而形成的界面缺陷。

3.3 界面成分分布控制

除了上述探討的材料相容性問(wèn)題之外，界面附近的成分分布控制也是異種金屬增材制造的難點(diǎn)之一。界面的成分分布影響了異種金屬的合金化能力和材料特性，其中主要包括元素的擴(kuò)散和稀釋作用。

界面處發(fā)生的元素?cái)U(kuò)散是由于不同材料中合金元素含量的差異所產(chǎn)生的化學(xué)勢(shì)梯度導(dǎo)致的。在低合金鋼與馬氏體時(shí)效鋼的連接過(guò)程中，兩者之間碳含量和雜質(zhì)元素的差異產(chǎn)生化學(xué)勢(shì)梯度，誘發(fā)合金元素的從低合金鋼向馬氏體鋼中遷移，偏析至樹(shù)枝狀區(qū)域并誘發(fā)熱裂紋[60]。Fe–Ni合金體系中也存在著界面成分?jǐn)U散的問(wèn)題，多是由于Ni基合金中的Nb有偏析到不銹鋼奧氏體的枝晶間區(qū)域的趨勢(shì)，在那里形成脆性的富Nb化合物并降低機(jī)械性能，最終導(dǎo)致開(kāi)裂[49–50，61]。圖16展示了SS316 L/IN625界面處裂紋的SEM照片及EDS譜圖[61]。通過(guò)選擇性地去除有缺陷的成分梯度范圍或調(diào)整沉積層順序可以有效對(duì)界面成分進(jìn)行調(diào)控，以提升異種金屬界面連接的成形質(zhì)量[50]。

圖16 SS316 L/IN625界面開(kāi)裂的SEM照片和EDS譜圖[61]Fig.16 SEM images and EDS mapping for the cracks at SS316 L/IN625 interface[61]

此外，在激光加工工藝過(guò)程中，合金元素的稀釋作用也會(huì)對(duì)界面元素分布和成分梯度造成影響。在馬蘭戈尼效應(yīng)引起的對(duì)流和表面張力作用下，熔池內(nèi)部的液態(tài)金屬產(chǎn)生環(huán)形流動(dòng)，使得相鄰層間異種金屬元素稀釋混合并重新擴(kuò)散分布，這有利于提升界面結(jié)合強(qiáng)度。然而，這種稀釋作用對(duì)于功能梯度材料而言是不利的，其降低了成分梯度的制備精度，最終導(dǎo)致實(shí)際的成分梯度與預(yù)期設(shè)計(jì)不符合，圖17展示了稀釋作用影響成分梯度的例子，試樣以體積分?jǐn)?shù)25%的階梯式梯度變化，每個(gè)成分梯度沉積了10層，從Ti6Al4V過(guò)渡至Inconel 625[6]。由圖可知，沿材料沉積方向成分梯度逐漸由階梯式轉(zhuǎn)變?yōu)槠交^(guò)渡。并且，隨著沉積層數(shù)的增加，熔池中元素的混合稀釋與擴(kuò)散程度也在增加，最終導(dǎo)致實(shí)際的成分梯度逐漸偏離預(yù)期值。

圖17 從Ti6Al4V過(guò)渡到Inconel 625的階梯梯度成分，增量為25%（虛線和實(shí)線分別表示Ti和Ni的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化）[6]Fig.17 Step gradient composition from Ti6Al4V to Inconel 625 in 25% increments(The dashed and solid lines indicate the standard and measured percentage mass change of Ti and Ni, respectively)[6]

為了提升界面結(jié)合強(qiáng)度，單一的掃描策略對(duì)于異種金屬材料而言可能并不適配，可以通過(guò)改變不同粉層間的掃描策略來(lái)優(yōu)化異種材料之間界面的熱流方向、熱梯度和冷卻速率，從而減少殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)界面上的無(wú)缺陷微觀結(jié)構(gòu)[15]。Chen等[18，27]通過(guò)在不同粉層之間采用層間交錯(cuò)掃描策略，在同一粉層間采用棋盤(pán)掃描的方式成功打印了316 L/CuSn10雙金屬結(jié)構(gòu)，如圖18（a）和（b）所示[27]。結(jié)果表明，孔隙的數(shù)量和殘余應(yīng)力的集中度都有所降低，材料界面具有良好結(jié)合強(qiáng)度。此外，還可以根據(jù)異種材料的需求，設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)調(diào)控的可變速掃描的策略。首先進(jìn)行熱應(yīng)力分析，然后針對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域采用較為精細(xì)的掃描策略，細(xì)化組織晶粒。而對(duì)應(yīng)力要求不高的區(qū)域采用掃描速度較快的策略，最終在不同材料區(qū)域獲得所需的微觀組織，提高力學(xué)性能。

圖18 雙金屬結(jié)構(gòu)及掃描策略?xún)?yōu)化[27]Fig.18 Bimetallic structure and scanning strategy optimization[27]

到目前為止，關(guān)于上述方面的研究局限于特定的材料體系。除了從材料化學(xué)成分的角度進(jìn)行研究之外，還需要建立起激光工藝參數(shù)與界面物理參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。因此，針對(duì)界面成分分布控制問(wèn)題還需要進(jìn)行更多研究工作，希望采用普適性的方法對(duì)界面成分分布進(jìn)行預(yù)測(cè)和調(diào)控，以適用于不同增材制造技術(shù)和材料體系。

4 異種金屬增材制造在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用及展望

傳統(tǒng)的增材制造技術(shù)難以滿(mǎn)足對(duì)異種材料部件制備，通過(guò)對(duì)增材制造技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)與工藝的重新設(shè)計(jì)與改造可以實(shí)現(xiàn)不同材料在同一部件上的成分分布控制，使得綜合性能最大化，以滿(mǎn)足高溫、高負(fù)荷、高腐蝕等惡劣的服役條件，在航空航天領(lǐng)域具有很大應(yīng)用潛力[62–63]。

通過(guò)連續(xù)成分梯度過(guò)渡，可以消除異種材料間界面，使材料的成分、結(jié)構(gòu)及性能沿梯度方向均勻變化。Hofmann等[64]為了證明成分梯度合金在航空航天領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)了從Ti6Al4V到純Nb梯度結(jié)構(gòu)的火箭噴嘴原型示意圖及模型，如圖19所示。主體是由Ti6Al4V構(gòu)成的，而噴嘴是由耐高溫金屬Nb制成的，以承受大量熱負(fù)荷。

圖19 成分梯度合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[64]Fig.19 Compositional gradient alloys for aerospace applications[64]

異種金屬增材制造技術(shù)還能夠在部件的不同位置預(yù)置所需材料，以獲得優(yōu)異的綜合性能。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）已經(jīng)將激光增材制造技術(shù)大量用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和通道冷卻噴嘴的研究。圖20（a）～（c）展示了由SLM和BP-DED（吹塑粉末定向能量沉積）制備的Cu/Ni基高溫合金雙金屬結(jié)構(gòu)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和通道冷卻噴嘴[15，63]。NASA還開(kāi)發(fā)了利用SLM GRCop-42（CuCrNb合金）襯墊和DED HR-1（Fe–Ni高溫合金）外套制造的燃燒室，如圖20（d）所示[63]。除此之外，借助混合增材制造的工藝，德馬吉森精機(jī) （DMG MORI）制備了C18150（SLM）/Inconel 625（DED）雙金屬組件，如圖20（e）所示[65]。

圖20 基于SLM和DED的異種金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用Fig.20 Application of dissimilar metallic additive manufacturing by SLM and DED

為了展示SLM多金屬材料一體化成形的能力，弗勞恩霍夫研究所（Fraunhofer IGCV）研究了Cu和Ni基合金的雙金屬熱交換器以及Cu–SS316 L一體化結(jié)構(gòu)的散熱器，如圖21所示[65]。此外，Gu等[66]還提出了將“材料–結(jié)構(gòu)–功能”一體化增材制造的概念應(yīng)用于行星探測(cè)著陸器底部組件的構(gòu)想，如圖22所示。底部組件的主框架[67]、中間隔熱層[68]和表面的熱保護(hù)結(jié)構(gòu)[69]可以通過(guò)DED的方式實(shí)現(xiàn)，組件內(nèi)部拓?fù)鋬?yōu)化的緩震結(jié)構(gòu)可由SLM實(shí)現(xiàn)。以Ti合金為主的多材料結(jié)構(gòu)和碳納米管 （Carbon nano tube，CNT）增強(qiáng)的鈦基納米復(fù)合材料是潛在的候選材料[67，69]。

圖21 異種金屬一體化成形的散熱結(jié)構(gòu)[65]Fig.21 Heat sink structures for integrated dissimilar metal forming[65]

圖22 “材料–結(jié)構(gòu)–功能”一體化增材制造整體金屬部件的應(yīng)用[66]Fig.22 Application of “material–structure–performance” integrated-additive manufacturing(MSPI-AM) of monolithic metallic components[66]

綜上所述，金屬多材料增材制造為制備高性能的復(fù)雜部件提供了新的技術(shù)工藝路線，有能力實(shí)現(xiàn)異種金屬?gòu)?fù)雜構(gòu)件的一體化成形。但是，目前針對(duì)異種金屬增材制造的工藝問(wèn)題和異種材料本征問(wèn)題的研究還尚不成熟，面臨諸多挑戰(zhàn)。異種金屬一體化成形過(guò)程中，不同粉末材料精準(zhǔn)預(yù)置及界面質(zhì)量的控制、激光與粉末層的耦合性、不同體系材料的相溶性和熔池內(nèi)部多材料冶金行為機(jī)制等方面的問(wèn)題有待深入研究，而利用機(jī)器學(xué)習(xí)和熱力學(xué)模擬計(jì)算等輔助設(shè)計(jì)手段可以?xún)?yōu)化增材制造的工藝參數(shù)并縮短研發(fā)周期。由此可見(jiàn)，異種金屬增材制造技術(shù)將會(huì)因其不同材料多功能的耦合性和復(fù)雜構(gòu)件一體化成形的能力而在航空航天領(lǐng)域有更加廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)論

（1）目前，異種材料一體化制備技術(shù)仍面臨眾多瓶頸問(wèn)題，如何解決并突破粉末鋪放控制工藝、高能束適配工藝調(diào)控、互溶合金析出相控制與非互溶材料成分分布控制等關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)多材料高性能部件制備的關(guān)鍵。

（2）異種金屬增材制造技術(shù)發(fā)展尚不成熟，存在諸多不足，需要深入探究一體化成形過(guò)程中異質(zhì)材料的界面工藝控制、相容性及熔池內(nèi)部機(jī)理等關(guān)鍵問(wèn)題，以滿(mǎn)足高性能異質(zhì)金屬零件具有功能耦合和多環(huán)境適應(yīng)的能力。

（3）與傳統(tǒng)單一材料的增材制造技術(shù)相比，基于增材制造的異種金屬一體化成形技術(shù)具有在同一部件上實(shí)現(xiàn)對(duì)多種材料的組織、結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行調(diào)控的巨大優(yōu)勢(shì)，目前已成為航空航天、國(guó)防及軍工領(lǐng)域研究的重點(diǎn)方向。