华南理工杨永强团队丨激光增材制造多材料结构的界面特性及形成机理

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1 研究背景及目的

为了满足复杂条件下的性能和功能要求，在多材料构件的实际设计和应用中，可能会采用钢上成形铜和铜上成形钢两种LPBF构建策略。但目前多材料LPBF过程通常仅涉及其中一种，上述两种构建策略的界面形成机制仍然缺乏讨论。本研究研究了采用上述两种构建策略LPBF制造CuSn10-316L结构的界面特征，并讨论了界面形成机制，以期为铜-钢多材料部件的设计和制造提供指导和参考。

论文亮点

揭示了不同构建策略中不同激光能量输入引起的熔化模式差异在界面形成中的作用机理。在 316L/CuSn10界面，高体积能量密度引起的匙孔熔化模式导致预凝固层的穿透深度较大，并增强激光能量吸收，从而促进材料的广泛迁移和元素的强烈混合，形成较宽扩散区（~400 μm）；在 CuSn10/316L界面，低体积能量密度引起的传导熔化模式导致预凝固层的穿透深度较小，形成较狭窄的扩散区（~160 μm）。

316L/CuSn10 和CuSn10/316L界面的光学形貌：(a, b) 316L/CuSn10界面；(c, d) CuSn10/316L界面（BD表示成形方向）

316L/CuSn10界面的元素分布：(a) SEM 图像；(b-f) 界面区域的EDS元素分布，分别显示了 Cu、Fe、Cr 和 Ni元素的分布

CuSn10/316L界面的元素分布：(a) SEM 图像；(b)扫描区域的相位分布；(c-f) 界面区域的EDS元素分布，分别显示了 Cu、Fe、Cr 和 Ni元素的分布

试验研究方法

基于团队自主研发的Dimetal-300多材料LPBF设备，采用不同构建策略（在 316L 上成形CuSn10和在CuSn10上成形316L）进行 LPBF 制造多材料铜(CuSn10)-钢(316L)结构；研究了 316L/CuSn10 和CuSn10/316L界面的特征，例如界面形态、缺陷、元素扩散和微观结构；进一步研究了 316L/CuSn10 结构的界面性能（热膨胀、显微硬度和拉伸特性等）；最后讨论了上述两个界面的熔化模式和界面形成机理。

LPBF过程示意图

主要结果

316L/CuSn10 和CuSn10/316L两个界面处的缺陷主要包括裂纹和孔隙。相比316L/CuSn10界面，CuSn10/316L发现分层缺陷以及更多数量的裂纹，这是由于其狭窄扩散区(~160 μm)的界面结合强度较弱引起的。在材料界面处可观察到Fe-Cu系统中由于液相分离引起的孤立区域（富Cu或富Fe）和球形颗粒（富Cu或富Fe）。316L/CuSn10界面的高熔池深宽比（D/W≈1.60）展现了其熔化模式为“匙孔模式”，而CuSn10/316L界面（D/W≈0.2）则为“传导模式”。界面的微应变分析表明，316L/CuSn10的微应变明显高于CuSn10/316L界面，这归因于这两种材料的热膨胀特性差异与成形顺序。316L/CuSn10界面的结合强度（极限抗拉强度328 ± 2.7 MPa）明显高于CuSn10/316L界面。

上述两个界面的熔化模式和界面形成机理。

（a）热膨胀;（b）硬度;（c）拉伸性能;（d）断口形貌

结论

本论文研究了采用不同构建策略LPBF制备CuSn10-316L多材料结构的界面特征及形成机制，揭示了不同构建策略对界面熔化模式与界面形成的作用机理。高体积能量密度（促进 Marangoni 对流、改变熔化模式）、适当的构建策略（即不同密度的元素在重力作用下的扩散）和低扫描速度（即不同材料元素的扩散时间较长）有利于加强LPBF 多材料结构的界面结合。

多材料LPBF过程的界面熔化模式：(a)在316L上成形CuSn10；(b)在CuSn10 上成形316L

LPBF过程中界面熔化行为示意图

前景与应用

多材料结构可通过多种材料在单一零件中的特定分布，实现比单一材料零件更好的性能/功能。多材料LPBF技术为复杂构件的创新结构与材料布局设计、制造提供了可能性，奠定了复杂多功能/性能构件一体化制造的基础，将满足航空航天、生物医学等领域的需求。

论文引用与下载

Linqing Liu, Di Wang, Guowei Deng, Yongqiang Yang, Jie Chen, Jinrong Tang, Yonggang Wang, Yang Liu, Xusheng Yang, Yicha Zhang. Interfacial Characteristics and Formation Mechanisms of Copper–steel Multimaterial Structures Fabricated via Laser Powder Bed Fusion Using Different Building Strategies. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022, 1(3).

doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100045

团队带头人介绍

杨永强，华南理工大学机械与汽车工程学院教授，博士生导师。现任中国机械工程学会增材制造分会常务理事、广东省增材制造协会会长、广东省大湾区激光与增材制造产业技术创新联盟副理事长兼秘书长、广东省激光协会监事长等。在增材制造（3D打印）、激光材料加工等方面做了大量的研究工作，成功研制出国内第一台激光选区熔化（SLM）增材制造装备，并陆续开发出Dimetal系列激光选区熔化金属3D打印设备，相关成果已经在广州雷佳增材科技有限公司等企业产业化。发表有关学术论文300余篇，专著8部。申请专利360余件，其中授权发明专利65件，实用新型专利授权165余件。

作者介绍

王迪（本文通讯作者），华南理工大学机械与汽车工程学院机械电子工程系书记、教授/博导。广东省杰出青年基金获得者，入选省特支计划高层次人才，英国伯明翰大学访问学者，研究方向为金属增材制造技术。主持国家重点研发计划课题/子课题2项，国家自然科学基金3项，军工项目2项，以及广东省重大科技专项、中-英国际交流重点项目等；获广东省科技进步二等奖、广东省专利银奖、全国发明展览会金奖、广州市科技进步二等奖等。以第一/通讯作者发表论文85篇，SCI 67篇，入选ESI高被引2篇，获评《机械工程学报》杰出青年论文奖、Rapid Prototyp. J. 期刊2017 Highly Commended Award、全国特种加工会议优秀论文、全国激光加工学术会议优秀论文奖等荣誉；授权国际PCT专利2项，国家发明专利17项，撰写专著4本，参与起草国家标准6项。担任2015-2022“全国青年学者增材制造论坛”共同主席（2018年担任执行主席）、全国增材制造标准化委员、全国特种加工设备标准化委员、第十四届全国激光加工学术会议增材制造专题主席、全国特种加工学会理事；担任《Rare Metal》、《中国激光》子刊“前沿激光制造”和《材料工程》等国内权威期刊青年编委。

团队研究方向

（1）异质功能材料/智能结构金属增材制造技术

（2）大尺寸、多激光增材制造技术

（3）激光增减材复合制造技术

（4）多能量场复合增材制造技术

近年团队发表文章

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来源：机械工程学报