点击上方「增材制造技术前沿」快速关注专注于3D打印技术硬知识分享由于增材制造技术制备的零件具有较大残余应力，因此大型零件的增材制造仍然存在困难。北京理工大学、装甲兵工程学院装备再制造国家重点实验室、新加坡国立大学等科研院所的研究人员提出了一种工艺、结构和性能相结合的方法来控制零件成形质量，并以高铁制动盘作为验证实例，采用多激光-选区激光熔化（ML-SLM）制备了大尺寸产品。探究了工艺参数优化、力学性能分布、结构设计等，相关研究成果发表于材料科学顶刊《Materials & Design》。 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111209 选区激光熔化 (SLM) 是一种使用高功率激光熔化金属粉末以逐层叠加形成三维零件的一种技术，已经表明SLM能够生产孔隙率小于0.1%的完全致密部件。因此，它非常适合生产具有优良机械性能的零件。此外，SLM的使用极大地扩展了产品设计的可能性领域，因为它能够产生复杂几何形状零件。然而由于零件尺寸限制、可加工材料类别少和成型质量差等增材制造 (AM) 技术的限制，上述优势仍未得到充分利用。通常，单激光系统的成型室尺寸小于300mm×300mm，无法生产交通和航空航天行业需求量大的大尺寸复杂零件。 近年来，多激光器选区激光熔化技术发展迅速，它利用两个或多个激光器同时扩大成形尺寸，提高生产率。24CrNiMo是一种高强低合金钢，在高温下具有优异的摩擦学性能、力学性能和结构稳定性，已广泛用于生产时速250km/h以上的高速铁路制动盘。现有的24CrNiMo不适合AM工艺，因此调整化学成分可以提高成形质量。目前，作者团队已经针对SLM技术对24CrNiMo的材料设计和形成机制进行了广泛的研究。然而，目前这种材料的应用尚未得到验证和研究。因此，这项研究着重于大型合金钢零件的质量控制以获得高性能产品。主要探讨了工艺参数与孔隙特性之间的关系，以获得兼顾成形质量和生产率的最佳组合。并对不同区域、不同状态下的力学性能进行测试，考察成形质量和性能的一致性。最后，使用多激光金属3D打印技术制造了新的制动盘并进行了首次测试。 使用多激光金属3D打印技术制造了新的制动盘并进行了首次测试 这项研究中使用的24CrNiMo合金钢粉末通过真空感应气体雾化方法制备。24CrNiMo粉末的粒径范围为18.7-144μm，平均直径约为53μm。所有样品和零件均采用E-Plus M650 SLM增材制造机器，由中国E-Plus科技有限公司生产，该机器配备了四个500W光纤激光器，光束直径约为100μm，成型室尺寸达到655mm×655mm×800mm。在打印过程中，将底板加热至60°C，使用高纯氮气作为保护气体，确保氧含量保持在0.1%以下。 (a) 部分自支撑测试结构(b) SLM-disc 结构(c)中空结构剖视图(d) 内部流道结构透视图和关键测试尺寸 ‍(a) 制动盘的生产过程(b) 金属3D打印的半成品盘(c)磁粉检测结果(d) X 射线CT检查子区域‍ 大多数样品孔隙率低于0.1%，并随能量密度的增加而降低。足够的能量可以更充分的熔化金属粉末，从而减少孔隙和夹杂物等缺陷的形成。当能量密度达到一定值时，孔隙率几乎保持不变甚至增加。 将基板上的试样分成不同的成形区域，对应于系统中运行的四个激光器，每个区域的边界处有一个重叠区域。与单一激光系统的不间断扫描方案不同，重叠区域的结构分两步成形，先成形一半，然后使用相邻激光一段时间后成形另一半。探索成形质量的一致性，测试不同区域制造的试样的力学性能。结果发现，不同区域样品的标准差从统计学的角度反映了性能的一致性。伸长率一般与强度成反比，但拉伸试验结果显示出与传统方法不同的趋势，传统方法有望实现高强度和高韧性。优异的拉伸性能不仅可以提高成型质量，还可以提高产品性能。 图6 ML-SLM 沿扫描方向在不同区域制作的试样的代表性工程应力-应变曲线。 研究人员同时将单激光和重叠区域制备的样品在热处理状态下的冲击能量与铸造制作的样品进行了比较（29J），单激光区域的平均冲击能量为101J，重叠区域为113J，均优于铸造样品。冲击断口存在大量较小的韧窝，为典型的韧性断裂特征。与传统技术相比，SLM制造的24CrNiMo试样具有更高的强度和韧性，可以生产承受更大变形的零件。合适的热处理工艺可以释放残余应力，提高性能一致性，但会在一定程度上降低强度。SLM技术提供了克服强度-韧性权衡的潜在途径，它可能会解决制动盘的断裂问题。 最后，作者团队采用SLM技术制备的刹车盘进行机械加工，使用压缩空气清洁中空结构中未熔化的金属粉末，以防止热处理过程中出现烧结现象，并在热处理后使用线切割机将零件从基板上取下，使用机床而不是手动方法去除薄壁支撑结构。与传统制造方法相比，采用SLM技术制备的制动盘大大缩短了加工步骤，利用该技术有利于探索新产品的开发。 使用SLM制造的制动盘的生产流程 使用SLM制造的制动盘进行测试 总之，这项研究有望为大型合金钢零件的质量控制提供参考，同时也展示了增材制造技术对功能性产品的潜在好处。主要结论总结如下：工艺参数与孔隙之间存在密切关系，这也会影响成形效率，特别是对于大型零件。孔隙率随着热输入的增加而降低，然而，过多的热输入会导致孔隙率和孔径的增加。合适的激光功率和高扫描速度更适合大尺寸零件，提高成型质量。SLM技术可以改善强度-韧性关系。SLM技术可以扩大成形尺寸，提高生产率，不同区域的力学性能和成形质量具有良好的一致性。合适的热处理可以释放残余应力，保证性能变化小，甚至可以减小单激光器区域和重叠区域之间的性能差异。制备的刹车盘台架测试表明，在SLM制备的刹车盘在连续制动过程中具有更集中的摩擦系数和更均匀的温度分布，这显示了增材制造技术在功能性产品上的潜在优势。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.国内LPBF大尺寸金属增材制造制造装备汇总 2.与Oqton合作，华曙高科将使激光粉末3D打印流程高度精简 3.西门子能源授权第三方将自研金属3D打印数据库商业化 4.航天领域总工艺研究师：谈3D打印的零件质量能否满足火箭飞行

点击上方「增材制造技术前沿」快速关注专注于3D打印技术硬知识分享对于粉末床激光熔融（LPBF）工艺，打印后的热处理通常是调节零件微观结构和性能的重要步骤。增材制造技术前沿注意到，西工大凝固加工国家重点实验室于近期发表了一项研究，采用一种新的原位重熔策略，无需热处理即可在打印过程中定制微观结构，因此可在不牺牲延展性的情况下有效提高强度。 https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103443 对于金属3D打印的零件，为了进一步调节机械性能，通常需要对零件进行热等静压 (HIP) 等热处理。例如，基于高温高压条件的热等静压可以减少甚至消除增材制造零件内部的孔隙或微裂纹，从而提高机械性能，尤其是延展性和韧性。同时，增材制造零件的热处理通常需要消除内应力，恢复所需的延展性和韧性，改变磁导率, 或对沉淀强化材料实现固溶强化和进一步沉淀强化, 但对大多数金属材料仍无法减少缺陷。虽然这些处理能够在一定程度上优化LPBF制造部件的性能，但由于温度升高，打印态的分层微观结构消失了，特别是对于固溶强化和沉淀-强化材料以保持均匀和过饱和的基质，这也可能导致异常晶粒生长。异常的晶粒生长会导致晶粒粗大，当晶粒尺寸超过某个阈值时延展性会严重下降。同时，增材制造零件特有的分层异质微观结构，包括柱状晶粒、熔化边界、低角度晶界和高密度位错，有助于提高强度而不会明显损失延展性，它们的消失会降低相应的强化效果。原位热处理，也即在打印过程中实施，已经成为当前研究的热点。利用LPBF的逐点沉积特性，研究人员通过创新设计和操纵打印过程来实现对凝固条件的特定控制，从而实现对微观结构演变的控制，力图不需要进行额外的热处理。有研究人员设计了一种双通道激光处理，以同时修复打印后的低碳马氏体钢中的凝固裂纹，减少化学偏析并诱导有利相。也有研究人员通过适当调节沉积参数，促进沉积过程中的固有热处理，在选择性激光熔化的商用纯钛中实现了柱状到等轴的控制和原位晶粒细化。通过新的扫描策略，也可原位操纵微观结构和机械性能演化，例如打印出的具有受控梯度晶体结构和特定位置异质微结构的316 L不锈钢，展示了采用3D打印创建功能梯度材料和定制性能的潜力。受上述工作的启发，西工大的研究人员提出了一种原位重熔策略，用于调整NiCoCr中熵合金在LPBF打印过程中的熔池和微观结构，以进一步增强强度-延展性协同作用。NiCoCr已被证实在室温和低温下具有更好的机械性能组合，这归因于其固有的低堆垛层错、早期缠绕优点和化学短程有序效应。通常，通过控制激光功率和扫描速度等沉积参数来改变熔池并优化沉积质量，而由于能量不足或过多，在大范围的激光能量输入下很容易形成未融合或小孔。研究人员使用新颖的原位重熔策略来控制熔池的几何形状并保证不会形成匙孔。同时，原位重熔工艺不仅在不牺牲异质微观结构的情况下有效实现了微观结构致密化和晶粒细化，而且在LPBF重熔NiCoCr合金中形成了独特的晶体层状织构并增加了位错密度，从而在不牺牲延展性的情况下显著提高了强度。借助多学科表征技术，系统研究和揭示了由额外激光重熔过程引起的潜在微观结构演变以及相应的强化和韧性机制。 NiCoCr材料和打印策略 不同加工条件下的性能对比 LPBFed和LPBF重熔NiCoCr试样及其常规再结晶对应物的OM微观结构 拉伸变形后常规再结晶、LPBFed和LPBF重熔 NiCoCr MEA 的EBSD表征 总的来说，原位重熔处理不仅改变了熔池几何形状，有利于优化致密化和形成独特的晶体层状微观结构，而且还促进了制造过程中固有的热变形和热处理，从而增加了打印过程中的位错密度和晶粒细化。这项工作为金属3D打印提出了一种新的工艺策略，无需额外热处理即可定制微观结构来增强机械性能。注：欢迎加入硕博千人交流QQ群（248112776）

点击上方「增材制造技术前沿」快速关注专注于3D打印技术硬知识分享美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的研究人员开发了一种使用X射线和机器学习检测和预测3D打印材料缺陷的新方法，可以改变增材制造过程。该方法于2023年1月5日由阿贡和弗吉尼亚大学（UVA）领导的研究小组发表在《科学》杂志上。科学家们使用各种成像和机器学习技术以近乎完美的精度实时检测和预测3D打印金属中孔隙的形成。 LPBF工艺中的孔隙通常难以避免 研究中使用的金属样品是使用LPBF（激光粉末床熔融）工艺创建的，该工艺通常会导致孔隙的形成，从而影响零件性能。许多增材制造机器都有热成像传感器来监控构建过程，但它们可能无法判断孔隙的形成，因为它们只对正在构建的零件的表面进行成像。直接检测致密金属部件内部孔隙的唯一已知方法是使用X射线，如阿贡实验室内部的高级光子源（APS）。阿贡大学助理物理学家塞缪尔克拉克表示，“我们的X射线束功能非常强大，每秒可以成像超过一百万帧”，这些图像使研究人员能够实时看到孔隙的产生。通过关联X射线和热图像，科学家们发现，在样品内形成的孔隙会在表面产生不同的热特征，热相机可以检测到这些特征。 实验装置示意图 研究人员训练了一个机器学习模型，仅使用热成像来预测3D打印金属材料中孔隙形成。他们使用来自X射线图像的数据验证了模型，这些数据准确反映了孔隙的产生。然后，他们测试了该模型检测热信号和预测未标记样品中孔隙生成的能力。 “通过集成原位同步加速器 X 射线成像、近红外成像和机器学习，我们的方法可以捕获与锁孔生成相关的独特热特征，具有亚毫秒时间分辨率和100%预测率。” 孙涛，弗吉尼亚大学材料科学与工程副教授 “我们的方法可以很容易的在商业系统中实施，仅使用热像仪，机器应该能够检测打印过程中何时何地产生孔隙，并相应调整其参数。” Kamel Fezzaa，阿贡实验室物理学家 可靠、无孔隙金属3D打印 如果机器在制造过程的早期检测到主要缺陷，机器可以自动停止构建零件。即使构建过程没有停止，新方法也可以提供有关零件内孔隙缺陷位置的信息。Tao Sun表示，“如果一个日志文件告诉你这四个位置可能有缺陷，那么你只需要检查这四个位置，而不是查看整个零件。”根据Nikki Forrester的文章，最终目标是创建一个系统，该系统不仅可以检测缺陷，还可以在制造过程中修复缺陷。展望未来，研究人员将研究能够检测增材制造过程中发生其他类型缺陷的传感器。最后，希望开发一个全面的系统，不仅可以告之存在缺陷的位置，还可以告知缺陷到底是什么以及如何修复。 参考文献： https://www.science.org/doi/10.1126/science.add4667 注：欢迎加入硕博千人交流QQ群（248112776）

金属晶格的高强度和低密度特性已在许多领域得到应用，例如汽车/航天轻量化支架、卫星蒙皮点阵、医学植入体、热交换器以及化学反应器等等。激光粉末床熔融工艺已经成为3D打印晶格或点阵结构的专有技术，然而采用3D打印制造的支柱通常接近工艺本身所能达到的极限，因此常会存在支柱缺失的情况；同时，金属3D打印本身尚无法有效克服的缺陷问题也会出现在点阵/晶格结构中。3D打印技术参考曾介绍过打印缺陷对点阵结构力学性能特别是疲劳损伤的影响。 点阵结构典型应用 3D打印制造的支柱通常接近工艺本身所能达到的极限 为确保质量，研究人员通常会进行打印后的检查，用于晶格非破坏性检查的手段有X射线断层扫描、声发射检测和超声波检测。然而，由于零件和材料的密度以及晶格几何形状的复杂性，这些检查方法既耗时又昂贵，并且在技术上具有挑战性。因此，开发独立的过程监控技术对于确保金属3D打印晶格零件满足质量要求并获得使用认证至关重要。 非破坏性新技术极大提高检测准确度 近日，3D打印技术参考注意到，美国伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的一个团队开发了一种方法，能够在3D打印阶段即可检测和预测增材制造金属晶格结构中的支柱缺陷。该过程结合了监控、成像技术和多物理场模拟，使用户能够在尽可能早的阶段确定零件是否满足质量要求。这是一种使用高速熔池热监测手段来检测金属晶格结构在3D打印过程中支柱缺失的方法。通过使用光电二极管、高温计（两者都测量从熔池发出的光）和热成像监测金属微晶格结构打印过程中熔池的热辐射来高精度的预测缺陷。 研究人员故意设计的带有支柱缺失的晶格结构通过测量发现，当晶格支柱在打印过程中出现断裂后，后续的打印过程中熔池的表面温度会变低，造成光电二极管的信号较低。额外的热成像和多物理模拟表明，低光电二极管信号伴随着热飞溅物的存在，热飞溅物将热量从检测中带走，熔池上的粉末也会连续“雪崩”。基于这些观察，开发了一种方法来识别有缺陷的单个支柱。LLNL科学家兼该项目的主要参与者表示，这是第一次在金属晶格中研究这种质量控制过程，并开发出一种方法来检测底部缺失的有缺陷支柱，该方法可以以高于94%的置信度进行预测。 热辐射检测的物理机制 值得注意的是，该研究得出了与以往研究不同的结论。研究人员通过实验观察到打印在高厚度粉末上（悬空打印）的单个支柱在激光熔化过程中表现出更低的热辐射，这一观察结果与之前的许多研究不同。此前多项研究表明，在单道扫描实验中，熔池的辐射温度随着粉末厚度的增加而增加。这些作者认为，松散粉末的热导率较低，导致较高的热辐射，从而造成更大的熔池和相应更慢的冷却速率。 完整支柱与缺失情况下的仿真分析 LLNL的研究人员观察到相反的效果：当熔池无支撑的出现在厚粉末中时，相比完整支柱上的良好熔池具有更低的热辐射。这是由熔池动力学的两个特征引起的：这两个特征比高速成像和建模结果显示的粉末导热性更重要。首先，由于缺乏对熔池的支撑，熔池蒸汽反冲压力导致熔池在厚粉层中进一步凹陷，造成低温粉末因夹带而向内扫掠，落在热熔池顶部，影响高温计测量到熔池表面最热的部分并阻碍了激光吸收，减少了熔池峰值温度；第二，缺乏底层支撑导致熔池中的流体流动混乱，因此更不稳定，进而导致更多的热飞溅喷射，这种热飞溅会耗散熔池中的能量，从而导致较低的总峰值温度。 来自完整支柱的飞溅颗粒比来自破损支柱的飞溅颗粒具有更低的热辐射，与全支柱相比，半支柱具有更多数量的飞溅颗粒、喷射速度更低研究人员表示，确实观察到与支柱连续体相比，由于周围粉末的热导率较低，断裂支柱的冷却速度较慢，但这种温度差异仅在激光器关闭后出现，因为热扩散比决定熔池几何形状和喷出物的流体动力学过程慢。另有研究人员在打印悬垂结构时发现了类似的现象，即由高能量密度引起的热耗散可能会导致更热、更大的熔池或增加飞溅喷射，积聚的热量随着热飞溅物的排出而不断消散，同时能量沉积在深层粉末上。这两项研究确定了与研究人员在微晶格支柱打印时观察到的相似的熔池冷却机制。 END 总的来说，这种识别指标背后的物理机制是通过高速热成像、光学成像和模拟的组合来确定的，在于测定熔体的热辐射——在出现断裂缺陷的位置，热辐射更低——这是由两种机制的组合引起的。首先，熔池稳定性降低导致能量耗散，在半支柱情况下比在全支柱情况下发生更多的热飞溅喷射。其次，半支柱熔池不受先前打印体的支撑，能量会更深入渗透到粉末床中，导致附近的冷粉末产生阴影效应，从而减少同轴熔池传感器观察到的热辐射。此处描述的缺陷检测方法说明了基于高温测量的缺陷检测方案在量化金属部3D打印零件中存在的缺陷数量方面的潜力。注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.使用挤出间接3D打印技术制作金属和陶瓷晶格结构 2.2023年首篇Science：实时检测3D打印缺陷，预测率100% 3.3D打印的固有制造缺陷使其还无法完全替代热交换器的传统制造技术 4.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述

导读：3D打印的高温合金断裂性能的各向异性影响其在航空航天领域的进一步应用，这与材料的晶粒形貌、晶界状态以及析出相的形貌和位置密切相关。经过全新设计的热等静压+固溶+时效后处理，使LPBF制造的垂直和水平试样的常温拉伸性能均保持在较高水平，650°C和690MPa下的高温平均断裂寿命分别达到173和131小时，满足相关标准要求。 IN718高温合金以其优异的强度、抗氧化性、高温耐腐蚀性以及性能和成本的平衡而成为工业燃气轮机、飞机和火箭发动机中广泛使用的合金之一。当前航空航天制造业需要越来越复杂的设计，传统制造工艺加工具有复杂内外轮廓的IN718零件时间周期长且成本高，尤其对于少量需求具有极大挑战，同时有些零件甚至不能用传统技术制造。增材制造已经成为该领域的重要制造技术，而LPBF/SLM（粉末床激光熔融/选择性激光熔化）则成为高精度制造IN718整体结构复杂零件的关键候选技术。 GE航空合并150个零件，3D打印de 1米直径In718发动机部件采用LPBF工艺3D打印In718合金的显微组织与传统的锻造和铸造有很大不同。在激光高能量密度、瞬间熔融的常规SLM制造中，大的温度梯度不可避免，这导致形成有害的富Nb Laves相和δ相的形成，以及Nb和Mo的微观偏析，并严重抑制了主要强相γ′′和γ′相的析出。此外，采用SLM制造的金属材料往往具有各向异性，必须进一步对试件进行热处理，调整打印材料的微观结构以满足工程要求。 由于IN718的应用范围很广，它会长时间暴露在高温和高应力下，因此会因蠕变引起微观结构破坏而失效。因此，对于SLM-IN718合金，蠕变和应力断裂性能的研究显得尤为重要。来自西南交通大学的研究人员，通过工艺参数控制和后处理设计获得了不同的微观结构，并研究了不同微观结构与应力断裂性能各向异性的关系。 10.1007/s11661-022-06872-2材料的热处理有以下几种方案：HT1是指锻造IN718执行AMS5662标准热处理；对于热等静压(HIP)工艺，材料被加热到1170°C，在100MPa的压力下保持4小时，然后空冷。HIP仅用于HT3样品作为第一个热处理步骤。ST1固溶处理是将材料加热到980℃保温1小时，然后空冷。ST2固溶处理，是将材料加热至800℃并保持0.5小时，然后以10℃/分钟的速度升温至950℃并保持0.5小时，然后空冷。同时设计了两种时效热处理，AT1时效处理：材料加热至720℃保温8小时，炉内冷却至620℃保温2小时，在620°C下保持8小时，然后空冷。AT2时效处理：将材料加热至760℃，保温8小时，炉内冷却2小时至650℃，650℃保温8小时，空冷。 三种热处理条件 测试结果显示：HT1条件下，水平试件具有良好的力学性能，屈服强度和抗拉强度分别为1221.8和1403.5 MPa，断裂伸长率较高为22.0 %；HT2条件下，水平试样的性能也能达到较高水平，其屈服强度为1274.6 MPa，抗拉强度为1420.6 MPa，断裂伸长率19.4%。这两种热处理条件下，水平与垂直试件的力学性能都有很大不同。HT3条件下，水平试件的力学性能与垂直试件无明显差异，抗拉强度分别达到1395.6和1374.9 Mpa。这三种热处理条件下的抗拉强度均超过锻造In718在标准热处理条件下的数据。 常温下的拉伸性能测试 试样在650°C和 690MPa下的应力断裂寿命测试显示： HT1、HT2和HT3条件下，垂直试样的平均应力断裂寿命分别为42.6、46.5和173小时： HT1、HT2和HT3条件下，水平试样的平均应力断裂寿命分别为24.7、21.5 和131小时。 650 °C 和 690 MPa 三种状态下的应力断裂性能 因此，三种热处理条件下下的垂直试样均符合AMS 5662M对变形In718的标准规范（应力断裂寿命≥23 小时），且在这三种热处理状态下，垂直试件的应力断裂寿命均高于水平试件。HT1、HT2和HT3 试样的应力断裂寿命差异比分别为72.5%、116.3%和32.1%，应力断裂特性的各向异性随水平和垂直方向裂纹萌生点数之差的减小而减小。 晶粒尺寸的均匀性、δ相析出的位置和形貌是影响应力断裂寿命各向异性的关键因素。对于保留大量打印微观结构的试件（HT2），不同熔池类型沿应力方向的数量差异是主要影响因素。对于柱状晶和晶界析出大量δ相的试样（HT1），沿应力方向横向晶界的数量和长度差异是决定应力断裂各向异性的主要因素。 在应力断裂试验后，HT3试件大尺寸裂纹比例最大，平均裂纹尺寸最大，空腔裂纹数量较多。较大的晶粒尺寸和较高的γ ''相体积分数和较大的γ ''相尺寸有利于延长应力断裂寿命。同时，相似的晶粒形状和尺寸降低了应力断裂寿命的各向异性。晶粒均匀程度和潜在的结构缺陷可能是影响应力断裂寿命各向异性的决定性因素。 总的来说，这项研究为如何降低通过LPBF制造Inconel718因各向异性导致应力断裂性能差异提供了依据，将对其在工程中的广泛应用产生积极影响。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.西工大「高强韧铝合金增材制造」为梦天舱、长五B研制提供了重要技术 2.钨金属的不同3D打印工艺，优势互补、潜力无限 3.优化的混合保护气体为3D打印更高质量的金属零件带来新方向 4.金属激光增材制造中的激光熔化模式 | 清华大学赵沧教授最新研究

点击上方「增材制造技术前沿」快速关注专注于3D打印技术硬知识分享 近日，天津大学马宗青教授团队利用Zr原子偏析和丰富的晶胞边界来缓解应力/应变集中并协调晶粒变形，在枝晶间引入稳定液体回填和网状金属间Ni11Zr9相，可以抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹，在增材制造制备高性能镍基合金这一领域取得新突破，为具有优异机械性能无裂纹合金的激光增材制造提供一种新的合金设计途径。原文链接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118736 金属增材制造在复杂整体组件制造、轻量化工程和材料利用方面比传统减材制造技术具有更加明显的优势。目前只有有限数量的商用合金广泛应用于这项新技术。这项技术制备零部件时，大多合金无法适应快速冷却速率和空间变化的温度梯度，最终在热应力下表现出严重的开裂现象。事实上，即使是一些具有良好可焊接性的合金，在激光增材制造过程中也表现出明显的开裂。这种裂纹主要以热裂纹为代表，通常发生在熔池凝固的末期，被认为是由元素偏析引起的。因此，合金的凝固范围扩大以形成阻碍枝晶结合的液膜，液膜与冷却收缩产生的热应力导致热裂纹的扩展。通过激光增材制造镍基高温合金一般考虑因素之一是减少枝晶间偏析成分的含量，例如Zr，Hf，Si，Mn和B。这些元素被确定为高温合金裂纹敏感性的关键元素。到目前为止，只有有限类型的镍基高温合金通过降低这种偏析成分含量实现热裂缓解。但是降低这些合金元素的含量会牺牲其强度和蠕变寿命。因此在镍基高温合金中完全忽略这些元素并不是抑制裂纹的最佳选择。考虑到应力集中和脆弱区域的存在是产生裂纹的两个必要因素，假设能够有效缓解集中在脆弱区域的残余应力，则可以防止激光增材制造中的热裂纹。在激光增材制造过程中，超快冷却速率相关的凝固明显抑制了枝晶的生长并增加了溶质溶解度。激光增材制造微结构中的界面比传统铸造和焊接高2-3个数量级，有效地分散了由元素偏析引起的液膜。此外，传统合金成分中偏析较小，很难进一步减小液膜体积并控制激光增材制造合金凝固范围。相比之下，某些偏析液体可以参与回填以减轻热残余应变，从而减少制造过程中的热裂纹。这种系统的例子包括Al-Si和Al-Cu合金。因此为防止激光增材制造的合金发生热裂纹，潜在的方法可以利用丰富的胞状边界，调整偏析的组分在枝晶间均匀地引入液膜，并减轻应力集中。然而对各种合金热裂解过程中液体回填机理的详细研究仍然很少，对晶界偏析的重要性只有有限的了解。 这项工作创新地采用偏析工程在凝固末期引入连续均匀的枝晶间液膜，并消除激光增材制造过程中的热裂纹。这项策略本质上是利用镍基高温合金中Zr低分配系数的特点，在晶胞和晶界处形成连续稳定的液膜，实现液体回填以缓解应力集中。重点评估了该工艺消除热裂纹的能力，研究了打印样品的晶胞和晶界处网络金属间化合物的形成。随后系统地表征了热处理过程中金属间化合物的溶解、碳化物的细化以及M6C向MC的转变。最后测试最终样品的机械性能，并与先前报告的样品进行比较。 研究采用四种不同气雾化Haynes 230粉末为原料，其中成分为Zr-20.08Cr-12.19W-1.92Mo-1.46Fe-1.1Co-0.33Mn-0.36Al-0.38Si-0.1C-0.05B余量为Ni，其中Zr含量分别为0、0.5、1.0和1.5wt.%，氧含量均<150ppm，制备的粉末呈球形，粒径范围为15-53μm。使用Concept Laser M2 打印机对这些粉末进行激光增材制造。采用条带扫描策略，并在后续层中旋转67°。所有制造过程均在保护性氩气气氛下进行，氧气含量控制在100ppm以下。Zr含量为0和1%的样品用于详细的微观结构观察和机械性能分析。还制备了Zr含量为0.5%和1.5%的样品，以确定Zr含量对微观结构演变的影响。将打印后的样品在氩气气氛下1200°C热处理1小时，然后空冷至室温，研究其微观组织及性能。 Zr改性的Haynes 230样品高倍SEM中不存在微裂纹，表明Zr可以有效抑制激光增材制造中Haynes 230合金裂纹。此外，图1b表明原始样品中没有明显塑性变形的光滑胞状表面。EBSD图揭示晶粒沿打印方向的外延生长特征，其中裂纹沿原始样品中的柱状晶界面扩展（图1c）。虽然Zr改性Haynes 230的裂纹被完全抑制，但微观结构仍由柱状晶组成，表明Zr在镍基高温合金中的作用不同于之前报道的铝合金，其中Zr可以促进柱状晶向等轴晶转变，最终提高铝合金的抗热裂性。此外原始Haynes 230样品中，只有少数沉淀颗粒聚集在胞状边界，原始样品胞状边界处不存在明显的元素偏析行为（图1d）。相比Zr改性Haynes 230样品的胞状结构边界存在连续网络结构，元素分布证实明显的Zr富集，以及沿胞状边界的Ni、Cr、W和Co的消耗。TEM表明沉淀颗粒主要是直径为60-90nm的Ni2W4C(M6C)，微观组织结构分析表明热裂纹的消除可能与Zr溶质偏析密切相关。 图2a凝固路径预测了Zr改性Haynes 230合金的最终凝固过程中Cr2B和Ni5Zr的形成。然而在微观结构中未检测到Cr2B和Ni5Zr相，并且在凝固过程中未预测到Ni11Zr9的存在。这可能是由于Cr2B和Ni5Zr相的体积分数低，或者激光增材制造过程的超快冷却速率导致实际凝固微观结构与预测结果之间存在偏差。考虑到仅用凝固曲线难以准确反映Zr改性Haynes 230合金的凝固过程，采用DSC测量打印样中偏析相的溶解温度。图2b比较了原始样品和Zr改性的Haynes 230 样品的DSC 加热曲线，其中分别记录了 1403℃和 1384 ℃的液相线温度，这些值与使用 Thermal-calc 获得的计算结果比较相似。Zr 改性样品在1077℃处表现出明显的吸热峰，根据微观结构特征，归因于金属间化合物Ni11Zr9 的溶解。然而DSC测得Zr改性Haynes 230合金从液相线到形成Ni11Zr9的凝固温度范围为307℃，低于477℃的计算结果，归因于Scheil-Gulliver 模型没有考虑溶质反向扩散，高估了合金的凝固范围。总的来说Zr扩大了镍基高温合金的凝固温度范围，此外如图1e胞状边界存在连续的网状金属间化合物Ni11Zr9，表明在凝固末期胞状间区域仍然充满大量液体。凝固范围扩大，液态持续时间延长，因此凝固收缩应变可以通过液体回填有效缓解。 图1. (a) 激光增材制造的原始（0% Zr）和Zr改性Haynes 230（1% Zr）样品沿打印方向光学显微组织图；(b) 断裂表面胞状特征证实原始样品中的热裂纹，原始 Haynes 230 样品的显微结构特征；(c) EBSD图，显示裂纹沿柱状晶界扩展；(d) 改性样品胞状边界的纳米粒子；(e) 胞状结构边界连续网络沉淀；(f) EBSD图；(g) 凝固胞状组织的明场TEM；(h) (g)中的 Ni2W4C颗粒的SAED图，Zr改性的Haynes 230样品的微观结构特征；(i) 凝固胞状组织结构的明场TEM；(j) (i)中所示的金属间化合物 Ni11Zr9相的SAED图   图2 (a) 原始和Zr改性 Haynes 230合金的 Scheil-Gulliver 凝固曲线；(b) 从30℃加热到 1450℃期间，原始和Zr改性的 Haynes 230合金的DSC结果；(c) 具有不同Zr含量的打印样品的XRD；(d) 相应样品的(220)和(200)衍射峰的强度比与Zr含量的函数关系虽然Zr、Hf和B等溶质被认为不利于镍基高温合金的可打印性和抗热裂性，但这些元素主要以偏析原子或孤立沉淀的形式存在于激光增材制造镍基高温合金中，因为它们含量低，微观结构中这种有限的偏析意味着在凝固的末期参与回填的液体量较少。为了解液体含量与抗热裂性之间的关系，进一步研究Zr含量对打印的 Haynes 230合金（添加 0、0.5、1和1.5%Zr）的热裂纹的影响。结果表明裂纹密度随着胞状和晶界处Ni11Zr9含量的增加而降低（图3），因此晶胞和晶界处液体的体积分数随着Zr含量的增加而增加。随着Zr含量增加到0.5%，虽然与原始（0%Zr）样品相比析出相的比例增加（图 3e），但析出相仍主要分布在晶界处（图 3f）。晶界处的孤立析出相对应于凝固过程中的局部液膜，如图3f中的箭头所示。它形成了一个剪切强度低的区域，在热应力下具有更高的开裂倾向。当Zr含量达到1%（图3c和g）时，裂纹被完全抑制，并且在晶胞和晶界处形成连续的网络状析出。应变可以通过晶粒传递并集中在晶间液膜中，当细胞间液充足时，细胞边界可以分担应变。尽管Zr溶质的加入增加了晶间液体的体积分数，相当于增加了微观结构中的脆弱区域数量，但当这些区域的应力得到释放时，也可以抑制热裂。因此假设残余应力可以在胞状间液体/相之间共享，从而减轻晶界处的残余应力集中。 图 3. 激光增材制造的Haynes 230样品的代表性微观组织，其中包含(a, e) 0%、(b,…

在3D打印进入工业应用后，通常提供交钥匙的解决方案，用户通常不需要自主再进行开发，直接根据使用必要步骤操作即可完成零件制造。但对于厂商研发或者学术研究，工艺参数的确定仍然是重要的环节，通常也有很多采用仿真确定工艺参数的方法，但多是通过宏观性能的对比。3D打印技术参考注意到，Fraunhofer的研究人员于2023年公布首次在微观结构层面模拟该金属3D打印的过程，确定工件特性与所选工艺参数之间的直接相关性。 激光粉末床熔融，通过激光与金属粉末的相互作用，实现颗粒熔化与凝固，实现厚度约50μm的粉末床成形。在激光束不与粉末接触的区域，不会发生熔化。这个过程不断重复，逐渐完成零件制造。   激光熔池中柱状微结构形成的模拟 该工艺理论上可以实现100%的致密度，材料的层与层之间实现良好的冶金结合，没有孔隙。这是通过调整工艺参数来实现的，如激光扫描速度和功率。金属晶粒的微观结构对于工件的机械性能尤为重要。它们具有特定的方向、尺寸和形状，并且对机械性能有相当大的影响，如材料的弹性模量或屈服应力——即材料发生塑性变形的载荷。 如何控制过程，使最终的微观结构满足组件的使用条件，一直是工程界探索的难题，而寻找最佳工艺参数一直是一项非常耗时的实验性工作。 用于LPBF工艺的从粉末到机械性能的仿真链 弗劳恩霍夫材料力学研究所IWM的研究人员现在正在采取不同的方法。由于新材料和新要求导致激光粉末床熔融工艺变得越来越复杂，该研究所的团队决定模拟整个工艺链，这不仅能够最大限度的减少试错周期，而且能够快速有效的评估整个过程中的变化，并消除制造过程中的不良影响。 较为关键的是，研究人员结合了不同的模拟方法——离散元模拟。首先模拟单个粉末颗粒如何借助工具在构建室中铺放，接下来使用平滑粒子流体动力学方法模拟粉末粒子熔化的方式——计算激光相互作用和热传导，以及导致熔体流动的表面张力。该计算还考虑了重力和材料蒸发时产生的反冲压力。 LPBF过程的光线追踪模拟 模拟还必须描述材料的微观结构，以便预测材料的机械性能。为了分析这种微观结构，研究人员采用了另一种模拟模型，称为元胞自动机（它是一种时间、空间、状态都离散，空间相互作用和时间因果关系为局部的网格动力学模型，具有模拟复杂系统时空演化过程的能力），基于此能够描述金属晶粒如何作为温度梯度的函数生长。因为激光与粉末相互作用的温度最高可达3000℃，但只有几毫米远的位置材料温度较低。此外，激光以高达每秒几米的速度在粉末床上移动，材料升温非常快，但随后也会在几毫秒内再次冷却下来。所有这些都会影响微观结构的形成方式。 LPBF工艺模拟无熔合缺陷和残余孔隙率 用颜色编码的温度场模拟LPBF过程 实验，只能对最终结果进行研究；而模拟，则可以实时观察发生的情况。换句话说，研究人员创建了一种过程-结构-性能的关系网络：例如，如果增加激光功率，微观结构就会发生变化，进而会显著影响材料的性能。领导该研究的Claas Bierwisch 博士表示，“这与实际情况完全不同，你可以用一种近乎调查的方式来检测相互关系。” 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.无需脱脂烧结，重点实验室采用高精密陶瓷FDM 3D打印研制介质天线 2.国际空间站开展3D打印晶格结构微重力实验 3.多材料金属结构一体成型：NASA正在测试不使用热源的新3D打印工艺 4.迈向国际，中国工业级3D打印品牌深入欧美增材强国腹地

近日，西安交通大学卢秉恒院士、方学伟副教授团队基于定向能量沉积增材制造技术，发明了一种新的金属连续纤维增强复合材料的增材制造技术，首次实现了钛纤维增强铝（TFRA）构件的制造，综合力学性能得到大幅度提升。基于CMT增材技术，通过控制热量输入，可以保持钛纤维丝材不被熔化，实现了连续钛纤维丝材增强铝基复合材料的原位制造。相关研究成果于近期发表，作者团队来自西安交通大学、火箭军工程大学智剑实验室、苏州科技大学和温州大学。 https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103445研究发现该技术制备的钛纤维丝材和铝合金基体之间的界面厚度约为3-10μm，无明显裂纹倾向。与无纤维增强的铝合金构件相比，加入体积分数为10.5%的钛纤维后，钛纤维增强铝构件的屈服强度和抗拉强度分别提高了124%和33%。同时，钛纤维增强铝部件冲击性能得到提高，主要是由于铝基体冲击过程中的裂纹扩展被钛纤维丝材所阻断，因此其冲击功从原来的7.9J增加到18.0J，增加了128%。这项技术为制造连续纤维的高强度金属基复合材料提供了新的技术途经，同时为直接能量沉积增材制造技术的工程化应提供了新的发展方向。 1. 背景介绍 由于铝合金具有重量轻、易于成型和加工的优点，因此被广泛用于航空、船舶和机械制造等领域。提高铝合金材料综合力学性能是材料开发的主题之一，很多学者开展了相关研究，例如在铝合金材料中加入合金微量元素Zr和Er，能显著增加抗拉强度。然而，稀土元素Sc的高成本每0.1%的Sc含量大约增加3美元/公斤的成本，此外还需要热处理进行性能调控，该方法尚未广泛应用。通过在铝基合金中加入纤维或颗粒形成金属基复合材料，也是改善材料力学性能的重要方法。连续纤维增强铝基体可以显著提高材料沿纤维方向的强度，然而其主要制造方式是通过挤压铸造技术，仅能制备简单形状的零件。此外，通过引入强化剂如SiC、TiC、陶瓷颗粒、CNT和碳化物颗粒也是一种有效的方法。然而，研究结果表明，铝合金的硬度和强度可以明显提高，但会导致其塑性和韧性的降低。因此，有必要找到新的方法来同时提高强度和韧性。 增材制造技术具有高度的灵活性，可以为改善材料性能提供新的技术途经。其中，基于冷金属过渡（CMT）技术由于其高沉积率、低热量输入和有限的飞溅而吸引了广大研究学者的兴趣。然而，该技术在制造铝合金构件方面存在强度不足、气孔缺陷等问题。目前通过使用工艺优化和辅助工艺（层间变形）等方法，制备的材料机械强度基本可以满足板材的标准要求，但很难获得更优越的性能。本工作中，通过基于CMT电弧熔丝制造了钛纤维增强铝合金（TFRA）部件，该部件与未增强的沉积体相比，拉伸和冲击性能得到了大幅度提升。团队结合金相显微镜和扫描电子显微镜对铝基体和钛纤维增强体的微观结构以及结合界面进行了观测，深入研究了TFRA部件的强化和增韧机制。 2. 实验内容 如图1所示。西安交通大学方学伟团队在传统的CMT焊枪的末端位置安装了一个送丝辅助装置，该装置跟随焊枪同步移动，能够对Ti64焊丝起到导向定位作用，其中钛纤维丝材跟随机械臂运动，并无增加额外送丝装置。成形工艺采用福尼斯铝合金CMT模式，送丝速度为4.5 m/min，运动速度为1.8m/min。需要注意的是，过高的电弧热输入量会导致钛合金丝材发生熔化，因此需要严格控制电弧的电流和电压（75-80A和10-13V）。由于铝合金熔池的温度相对较低，而且先前凝固的铝合金层的导热系数高，熔池凝固快，因此TFRA构件中的钛合金丝材可以避免熔化。将TFRA和参考部件制备了金相、拉伸和冲击测试样品，取样图如图2所示。 图1 (a)纤维增强增材制造工艺原理图；(b)纤维增强增材制造装置实物图；(c)摆动打印路径示意图；(d)TFRA构件中Al5183和Ti64纤维的X射线测试结果图2 TFRA取样的示意图。(a) TFRA沉积体；(b) 冲击试样；(c) 金相试样；(d) 拉伸试样；(e) 密度测试试样 3. 组织表征 如图3（a）和（b）所示，由于电弧热源的不同分布，不同区域的Ti64丝材的微观组织发生了变化。SEM和EDS（见图4）结果显示在钛丝的上部、右侧和下部，界面宽度约为2-5μm，在这三个区域的中间位置都可以看到过渡变化趋势，表明在狭窄的界面层之间存在着原子迁移和扩散。 图3 (a)宏观形貌；(b)纤维增强钛合金丝材和铝合金基材的包围形貌；(c)电弧作用示意图 图4 丝材上、中、下位置的界面的SEM和EDS图。(a)、(d)和(g)分别是金属丝材料和铝合金基材的上、右、下侧界面，无裂纹或未熔合等缺陷。图5(b)、(e)和(h)分别是上、中、下区域的部分放大图；图5(c)、(f)和(i)是各区域元素组成的线扫描图铝合金沉积体的织构在加丝和未加丝前后无明显变化。由于钛合金丝材导热系数低，铝合金平均晶粒尺寸在区域I和区域II分别为21±6μm和23±6μm，这高于铝合金基体的平均晶粒尺寸（14±4μm）。Ti64丝材受电弧热输入影响后由<10-10>丝织构变为了<0001>取向。造成这种状况的主要原因是在CMT制造过程中，由于电弧热输入，钛合金丝材在相变温度以上（约1000℃）经历了较短的热处理过程，发生了相变，组织由等轴组织转变为了片层组织。 图5 EBSD分析结果. a）原始Ti64丝材；（b）Al5183铝合金沉积体；（c）TFRA沉积体的上部（区域I+部分区域II）；（d）TFRA沉积体的下部（区域II）；（e）TFRA沉积体的上部区域I的部分界面区域；（f）TFRA的下部区域II的部分界面区域 图6 铝合金在上部和下部的极图 . (a) 铝合金的上部，(b) 铝合金的下部。图7 Ti64合金的极图。(a) 原始丝材；(b) 钛合金线中的区域I；(c) 钛合金线中的区域II 4. 力学性能 4.1 拉伸性能 与未增强的铝构件相比，通过添加10.5%体积分数的钛纤维丝材，TFRA构件的屈服强度、拉伸强度和比强度分别提高了124%、33%和25%。同时，伸长率保持在20%的数值，这与铝合金构件板的伸长率相当，表明该方法制备的复合材料具有良好的塑性。通过复合材料混合法则和有限元分析的验证，材料性能的提高主要是由于钛纤维丝材的引入。 图8 （a）Ti64、Al5183沉积体和TFRA的拉伸（应力-应变）曲线；（b）5系列铝合金电弧增材制造拉伸性能在拉伸试验过程中，试样呈现了双屈服过程。在OA阶段，当应变值小于或等于0.15%（图9），钛合金和铝合金都处于双弹性阶段，呈现出线性增长。而在AB阶段，随着应变值的增加，铝合金逐渐开始屈服。这时，钛合金仍处于弹性阶段。当超过B点时，钛纤维丝材和铝合金均发生屈服，随着应变的增加，其转变规律与铝合金的沉积状态相同。 图9 TFRA拉伸测试中工程应力-应变曲线 4.2 冲击性能 示波冲击测试结果显示，Al5183沉积体的载荷-距离关系在冲击载荷达到峰值之前是近似线性的，而TFRA构件在冲击载荷达到峰值之前出现了载荷变化。在冲击试验载荷-距离曲线中，存在三个偏移点，即w1、w2和w3。与非增强型构件相比，TFRA构件的冲击能量得到了极大的提高（128%）。这是因为铝基体的裂纹扩展被钛纤维所阻挡，在冲击过程中吸收了大量的冲击能量。 图10 (a) Al5183 沉积体和 TFRA 的示波冲击结果图；(b) TFRA 在冲击过程中丝材作用的示意图 5. 断口形貌 在丝材表面部分区域发现了约为5-10μm的脆性过渡层。靠近Ti64丝材内部位置，断裂模式迅速从脆性断裂变为韧性断裂。纤维在受到较大的拉伸应力后发生断裂，断裂处出现了明显的缩颈过程，并呈现出大量韧窝，表明钛纤维丝材在拉伸试验中保持了较好的塑性。 图11 (a) TFRA拉伸样品的断裂形貌；(b) 铝合金基体的断裂形貌；(c) 钛合金丝的边缘过渡区；(d) 钛合金丝纤维区-放射区的形貌；(e) 钛合金丝的纤维区形貌；(f) 钛合金丝放射区的形貌 图12为典型示波冲击测试试样的断口形貌，w1和w2丝在靠近缺口的位置断裂，而w3位于离冲击缺口较远的位置，w3丝材只是弯曲而未发生断裂。冲击实验后的样品没有完全分离，这与图10中显示的结果一致。由于钛纤维丝材的存在，TFRA表现出良好的韧性。纤维在受到较大的拉伸应力后发生断裂，断裂处出现了明显的缩颈过程，说明钛纤维丝材表现出良好的塑性。丝材断裂截面上的元素主要是钛。在钛丝的侧表面，有大量的Al均匀地附着在上面，表明在界面上有相当多的Al扩散。然而，从铝基体的组成来看，断口上几乎没有Ti的存在，说明过渡层与钛丝有更好的结合。 图12 TFRA样品的冲击试验结果形貌。(a)冲击样品的断口形貌；(b)断线的断口形貌；(c)相应的成分扫描分布；(d)Ti元素分布；(e)Al元素分布；(f)V元素分布；(g)Mg元素分布 总结 在这项工作中，基于CMT电弧增材制造技术，首次创新的提出了一种连续纤维增强金属基复合材料的方法，并制备出了钛纤维增强铝合金（TFRA）构件，其强度和冲击韧性得到了大幅提高。研究发现通过控制电弧热输入量和采用摆动方式能够减少熔池温度从而避免钛合金丝材的熔化，钛合金线和铝合金基体之间的界面厚度约为3-10微米，化学成分呈梯度过渡，没有明显的开裂倾向。与非增强铝合金构件相比，通过添加10.5%体积分数的钛纤维，钛纤维增强铝部件的屈服强度、拉伸强度和比强度分别提高了124%、33%和25%。同时，伸长率保持在20%，与铝合金构件板的伸长率相一致。此外，冲击功得到了极大的提高（128%）。这是因为铝基体的裂纹扩展能被钛丝材有效阻挡，因此在冲击过程中吸收了大量的冲击能量。该技术目前为首次通过增材制造的方式实现了连续金属纤维增强双金属复合材料，能够为未来复合材料的制造提供新的技术思路。 本研究工作得到国家自然科学基金[52205414, 52275374]的资金支持。研究工作同时也得到了中国科协青年人才托举工程项目的资助…

点击上方「增材制造技术前沿」快速关注专注于3D打印技术硬知识分享大块金属植入物材料中的应力屏蔽是由高刚性植入物和低刚性骨之间的刚度不匹配造成的。由于应力屏蔽导致的骨吸收问题，植入物松动可能直接或间接发生，需要进行翻修手术。因此，许多研究人员做出了大量努力来提高材料的强度和韧性，主要目标是制造一种可以在人体内长时间运行，无需翻修手术的植入物。由于上述问题，已经开发了多孔医用钛合金，这显著降低了大块钛合金的弹性模量。近年来，选区激光熔化（SLM）技术为特定患者创建具有多孔结构的复合支架。由SLM制备的钛基多孔支架因其重量轻、强度高、弹性模量低、耐腐蚀性好、生物相容性好等优点，成为骨植入物中最有前途的应用材料。钛合金通常应用于人体髋关节，当人们在行走时，髋关节和膝关节将会承受循环载荷。因此，有必要提高应用于人体内钛合金植入物的机械性能，特别是疲劳性能。疲劳机制导致钛合金髋关节假体近90%的表面断裂。除了振荡的机械负荷外，植入物材料还暴露于生理液体中，生理液体由盐水溶液组成，因此金属植入物会因腐蚀疲劳而失效。虽然已经对降低固体钛合金疲劳寿命的腐蚀进行了广泛的研究，但迄今为止很少有关于多孔结构钛合金植入物的研究报道。铜是金属中普遍存在的合金元素，也是人类健康所必需的微量元素。在钛合金中添加一定量的铜元素，可以赋予钛合金抗菌性。目前，关于SLM制备的多孔Ti6Al4V-6Cu支架的疲劳行为的信息还非常有限，无法确定其临床适用性。近日，沈阳理工大学材料科学与工程学院联合中国医科大学口腔医学院、中国科学院福建物质结构研究所和中国科学院金属研究所等研究人员，研究了激光选区熔化（SLM）制备多孔含铜（Cu）的钛合金（Ti6Al4V）在空气和0.9wt%NaCl溶液中的腐蚀疲劳行为，基于疲劳循环变化确定了疲劳裂纹起始点在循环应变曲线上的位置。表明裂纹在高应力和0.9wt%NaCl溶液状态下加速扩展，主要为晶间断裂。Ti2Cu相在晶界附近沉淀析出使得多孔Ti6Al4V-6Cu样品具有更高的疲劳强度和更长的疲劳使用寿命。 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.01.119 因此这项研究从裂纹萌生和扩展的角度研究了SLM制备多孔Ti6Al4V-6Cu合金的疲劳性能以及在0.9wt%NaCl溶液中的腐蚀疲劳行为。同时将其与多孔Ti6Al4V合金进行了比较。利用商用的Ti6Al4V粉末和纯铜粉末为原料，在德国CONCEPT Laser GmbH增材制造机器上成形样品，样品为直径20-40 mm的Ti6Al4V-6Cu。在SLM打印之前，通过球磨将粉末彻底混合2小时。然后将所得混合物在80℃的烘箱中干燥保持12小时。使用相同的方法在不添加Cu粉末的情况下制备多孔Ti6Al4V样品。 （A）SLM制备的多孔样品的宏观照片；（B） 和（C）多孔材料的支柱形态；（D） Ti6Al4V支柱的化学成分；（E）Ti6Al4V-6Cu支柱的化学成分；（F） SLM制备Ti6Al4V-6Cu和Ti6Al4V样品的XRD 使用SLM制备样品的微观结构：（A）Ti6Al4V-6Cu；（B）Ti6Al4V Ti6Al4V-6Cu和Ti6Al4V多孔结构样品的静态压缩应力-应变曲线 Ti6Al4V-6Cu和Ti6Al4V多孔结构样品机械性能 Ti6Al4V-6Cu试样在空气和0.9wt%NaCl中的疲劳应变疲劳断裂面的SEM：（A） 疲劳试验后多孔结构试样俯视图，显示了支柱节点处的二次开裂（黄色箭头）；（B）由缺陷引起的二次开裂，以及（C）无缺陷的二次裂纹；（D） 内部孔隙放大图 显微CT图像Ti6Al4V-6Cu（A）在空气中和（B）在0.9wt%NaCl中的疲劳裂纹轨迹 Ti6Al4V在疲劳循环条件下的疲劳应变：（A）空气环境；（B）0.9wt%NaCl环境中 研究结果表明加入Cu后，Ti6Al4V-6Cu的静态压缩性能优于纯的Ti6Al4V合金样品，特别是抗压强度，约为Ti6Al4V合金的1.43倍。疲劳裂纹萌生点在应变曲线上的位置由疲劳循环决定，在高应力状态下裂纹萌生更快。在含有0.9wt%NaCl的环境中，Ti6Al4V-6Cu主要失效机制为晶间断裂和部分穿晶断裂模式，这种断裂模式归因于腐蚀疲劳。并且含有0.9 wt%NaCl的环境加速了裂纹扩展。由于锯齿形疲劳裂纹扩展的影响和Ti2Cu相沉淀在晶界附近，多孔Ti6Al4V-6Cu样品比Ti6Al4V合金样品具有更长的疲劳使用寿命。注：欢迎加入硕博千人交流QQ群（248112776）

点击上方「增材制造技术前沿」快速关注专注于3D打印技术硬知识分享这项研究的主旨在于：提出一种综合方法，结合粉末铺展模拟和激光打印实验，降低高反射材料SLM过程中的能量消耗；研究工艺参数对Al-Si-Cu-Mg合金可打印性的影响；强调SLM过程中铺粉的重要性，将打印的样品特性与粉末床的预期特性相关联。 意大利那不勒斯费德里科二世大学科研人员通过增加粉末床的填充因子来提高打印过程中的能量利用效率，提高了能量吸收效率。通过建立离散元方法模型，用于研究粉末的铺展，并确定层厚和铺展速度，以最大化填充因子；通过改变激光参数来研究打印过程，探索在低能量密度下Al-Cu的可打印性。 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2022.06.017 选区激光熔化（SLM）是一种广泛用于金属材料成形的一种具有竞争优势的技术。特别是铝合金，由于其低密度、高强度、良好的可加工性和机械性能，使得铝合金被广泛应用于航空航天等重点工业领域，因此受到了科研人员和工程人员的极大关注。其中，在SLM领域研究最多的是AlSi10Mg合金，这种合金可以通过添加2%到6%之间的Cu来进一步增强机械性能。然而与铝合金相比，铜具有更高的反射率，因此使用SLM技术制备AlSi10Mg-Cu存在一定的困难。虽然目前已有这一方面的研究，但大多工作仍然主要集中在激光-粉床相互作用的研究、熔化动力学和与激光相关的工艺参数(扫描速度、功率等)的研究，对粉床铺粉系统没有研究，更是缺乏对粉末铺展和激光工艺的综合探究。研究人员通过建立离散元方法模型，用于研究粉末的铺展，并确定层厚和铺展速度，以最大化填充因子，提高能量吸收效率。使用这些参数，并且通过三种不同能量密度来制备样品，这三种能量密度低于通常打印所需的能量密度。对于每种能量密度采用四种不同激光功率来更好的研究激光束与粉末的相互作用，最后测量了样品致密化、粗糙度、微观结构和显微硬度，以评估优化工艺的有效性。AISi10Mg-Cu混合粉末SEM图像，浅色颜色的为Cu粉末 50 μm层厚下不同铺粉速度模拟结果：(a) 75 mm/s；(b) 50 mm/s；(c) 25 mm/s 30μm层厚下不同铺粉速度模拟结果：(a) 75mm/s；(b) 50mm/s；(c) 25mm/s SLM制备样品工艺参数 不同工艺参数组合下SLM制备样品 不同激光功率下样品相对密度和孔隙率 SLM制备样品横截面图像 SLM制备样品不同部位孔隙率变化 不同工艺参数下样品维氏硬度主要研究结果为：Al-Si-Cu-Mg原料合金通过流化床将AlSi10Mg和Cu粉末均匀有效的混合。建立的离散元方法模型用于研究粉末铺展过程特性，并对铺展速度和层厚的最佳值进行探究。通过改变激光参数来研究打印过程，以探索在低能量密度下Al-Si-Cu-Mg的可打印性。尽管在最低激光功率下存在不同缺陷，但打印样品显示出良好的致密度。样品从底部到顶部的孔隙率略微降低，表明当层数增加时，实际层厚度增加，对样品的可打印性具有积极的影响，这是打印零件机械性能变化的一个可能原因，因为底层粉床条件变化，而激光参数不变。最后，AlSi10Mg和Cu粉末完全熔化并混合，相关参数定义了获得完全致密零件的最低要求。 总的来说，这项研究提出一种粉末铺展模拟和激光打印样品的综合方法，以降低高反射材料SLM中的能量消耗。研究了工艺参数对Al-Si-Cu-Mg合金可打印性的影响。强调了SLM工艺中粉末铺展的重要性，将打印样品的特性与粉末层的铺粉状态相关联。然而，这项研究只模拟了粉末数量相对较少一部分铺粉过程。此外铺粉过程仅限于具有平坦基底的第一层，需要进一步研究来改进数值模型，并提供对粉床特性更加真实的预测。 注：欢迎加入硕博千人交流QQ群（248112776）