一种新的多金属3D打印方法——径向互锁，性能大幅提高

双金属结构正在成为当前金属3D打印研究的热点方向，结合了两种甚至多种不同材料性能的结构，可以同时满足应用中对几种性能的需求，如高强度-高耐腐蚀性、高强度-高导热性。当前研究中常见到的双金属结构通常具有明显的材料区域划分，如通过上下区分或通过内外区分，材料界面规律且单一。本期3D打印技术参考要介绍的这种双金属结构借鉴了当前骨骼和木材的结构特征，其具有仿生多维界面，3D打印的材料整体强度因此大幅提高。

华盛顿州立大学的研究人员以此为启发，开发了一种特殊的具有双喷嘴的电弧能量沉积系统，能够通过同时或顺序沉积创建径向双金属复合界面。他们以308 L不锈钢和低碳钢作为双金属对，样品结构设计为三种不同配置：实心308 L不锈钢、实心低碳钢和径向双金属，后者由低碳钢外壳包围的不锈钢中心芯组成。对打印的结构进行了准静态压缩测试，分析微观结构和相，并测量了硬度值；讨论了在单层上双重沉积不同金属的工艺复杂性，包括增加的沉积热输入、加剧的层高问题、界面力学以及沉积路径规划的作用。这些工艺输入对界面形成、微观结构和机械性能的影响是这项工作的关键，并形成了多维径向双金属电弧增材制造的基础理论。

具有径向变化的双金属DED电弧的工艺顺序流程图。使用软件执行沉积路径规划，首先沉积低碳钢外壳，在中空凹陷周围形成圆形珠。308L不锈钢沉积到该空心中，并且重复该过程，将每一层堆叠在前一层之上，直到达到完整的构建高度；最后对沉积样品进行加工获得所需的最终尺寸

a.沉积态径向双金属结构排列、后续铣削过程的材料去除边界以及用于提供微观结构分析的切割平面位置；b.抛光横截面图像显示了构建方向以及核心中不锈钢材料楔形突出进入低碳钢外壳的互锁之字形图案

硬度和XRD分析 

试验前的低碳钢整体压缩：b.试验后的低碳钢整体压缩试样；c.低碳钢试样向外塑性变形的曲率半径；d.试验前308L不锈钢整体压缩试样；e测试后的308L不锈钢整体压缩试样；f .308L不锈钢试样向外塑性变形的曲率半径；g.试验前的径向双金属压缩试样；h.试验后径向双金属压缩试样；i.径向双金属试样向外塑性变形的曲率半径；j.具有径向双金属变化和穿过不锈钢芯中心的钻孔释放通道的样本；k.测试后对径向双金属样品进行钻孔

END

这项工作的主要目标之一是探索多维双金属电弧增材制造多金属结构的潜在优势，并引入具有复杂界面的结构可能性。在Z轴构建方向上连续重复单个水平面内的径向双金属变化，以使界面在整个金属样本中永久存在。值得注意的是，双金属对的沉积和冷却几乎同时发生，当金属在环形布置中一起冷却时，所产生的金属之间的相互作用会促进环向应力，这与线性沉积完全不协调。这种物理安排，由此生产的双金属样品的特点是具有复杂的界面，该界面表现出冶金结合和机械互锁。机械测试和微观结构分析证实了生产径向变化双金属增材结构的可行性，这种新的结构设计理念或对更多应用产生启发。