摘要：多金属材料由两种或多种不同特性和结构的材料组成，相比单一材料，具有更优异的性能和广泛的应用前景，尤其在航空航天等高要求领域。然而，由于材料间在机械、热物理、光学、抗氧化性及冶金特性等方面存在显著差异，制造高强度多金属界面面临巨大挑战。传统制造方法存在界面结合强
来自北京工业大学的研究人员在国际期刊Additive Manufacturing上发表了Additive manufacturing of Inconel 718/CuCrZr multi-metallic materials fabricated by laser powder bed fusion。
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论文导读
多金属材料由两种或多种不同特性和结构的材料组成，相比单一材料，具有更优异的性能和广泛的应用前景，尤其在航空航天等高要求领域。然而，由于材料间在机械、热物理、光学、抗氧化性及冶金特性等方面存在显著差异，制造高强度多金属界面面临巨大挑战。传统制造方法存在界面结合强度弱、成本高、复杂形状受限等问题。增材制造（AM）技术，尤其是激光粉末床熔融（PBF-LB/M），为复杂多金属结构的制造提供了新途径，具有高精度和低表面粗糙度的优势。作者旨在通过优化PBF-LB/M工艺参数，实现Inconel 718（IN718）与CuCrZr的良好冶金结合，为航空航天结构的多金属材料增材制造提供理论和实验基础。
Laser & Electron Beam Processing
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全文概述
作者研究了IN718与CuCrZr的多金属结构，这种结构结合了IN718的热稳定性和高温强度以及CuCrZr的优异导热性，对航空发动机应用具有重要价值。然而，由于两者热物理性质差异大，制造高强度多金属界面存在挑战。研究通过激光粉末床熔炼技术及优化工艺参数，成功实现了IN718与CuCrZr的良好冶金结合。实验表明，体积能量密度在209.88–404.76 J/mm³范围内适合制备该多金属结构。马兰戈尼对流促进了Ni和Cu元素的混合，形成了稳定的过渡层。微观结构分析显示过渡区存在等轴晶粒和晶粒细化现象，硬度分布与微观结构一致。拉伸测试表明，横向试样断裂于CuCrZr区域，说明界面结合良好；纵向试样的拉伸性能介于IN718和CuCrZr之间，界面处发生脆性断裂。此外，该多金属结构的热导率显著高于IN718，为下一代航空航天结构的增材制造提供了新思路。
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图文解析
图1展示了PBF-LB/M技术制备IN718/CuCrZr多金属材料的过程和样品设计。图1(a)为PBF-LB/M工艺示意图，展示了使用的EOS M280激光打印机、工艺参数以及在316L基底上依次打印IN718和CuCrZr的过程，强调了氩气保护和预热等工艺细节。图1(b)展示了拉伸试样的尺寸和测试方向，包括横向（T）和纵向（L），用于评估界面结合强度和力学性能。图1(c)为打印的多金属材料实物图，直观呈现了不同材料层的过渡和结合情况。图1为理解实验设计、工艺流程以及后续微观结构和性能分析提供了重要基础。
图1. (a) 激光粉末床熔融制备IN718/CuCrZr多金属材料的示意图，(b) 拉伸试样的尺寸及组合类型：横向与纵向，(c) 通过PBF-LB/M的IN718/CuCrZr多金属材料样品。
组合类型：横向与纵向，(c) 通过PBF-LB/M的IN718/CuCrZr多金属材料样品。
图2展示了通过PBF-LB/M技术打印的IN718/CuCrZr界面处的光学显微镜照片，揭示了不同激光功率和扫描速度组合下界面处的缺陷情况。图中蓝色表示未熔化的孔洞，红色和黑色表示微孔。结果显示，低功率或高扫描速度会导致粉末未完全熔化，形成大孔洞；而高功率或低扫描速度则会导致熔池内部对流增强，形成微孔。图2的作用在于通过对比不同参数下的缺陷情况，帮助研究人员找到合适的工艺参数范围，以减少界面缺陷，提高界面结合质量。这些发现为后续优化工艺参数、改善材料性能提供了重要依据。
图2. 不同工艺参数制备的IN718/CuCrZr结合界面的光学显微镜图。
图3展示了IN718/CuCrZr多金属材料的微观结构特征。图中包括光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）图像，分别展示了IN718和CuCrZr的微观组织形态。从图中可以看到，IN718区域呈现典型的柱状晶结构，而CuCrZr区域的晶粒尺寸较大，且在界面处未观察到明显缺陷。此外，图3还通过示意图清晰展示了不同区域的微观结构特点，如CuCrZr区的柱状晶粒、IN718区的树枝晶和柱状晶，以及界面区的过渡结构。这些微观结构特征为后续分析材料的力学性能和热导率提供了重要依据。
图3. IN718/CuCrZr 多金属材料的微观结构：（a，b）IN718 的可见光；（c，d）CuCrZr 的可见光；（e，f）IN718/CuCrZr 界面的扫描电镜；（g，h）CuCrZr 的扫描电镜；（i，j）IN718 的扫描电镜；（k）示意图（黑色代表柱状晶体，白色代表熔池边界，黄色代表熔池中心）。
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总结
1.工艺参数对界面性能的影响：通过优化激光功率、扫描速度和舱口间距，建立了209.88–404.76 J/mm³的体积能量密度范围作为IN718/CuCrZr的可行加工窗口。在此参数范围内，界面缺陷显著减少，结合强度提高。
2.微观结构与元素分布：IN718/CuCrZr界面处形成了良好的冶金结合，Ni和Cu元素在界面处扩散良好，过渡区晶粒细化，形成了等轴晶粒结构，有助于提高界面结合强度。
3.熔化行为与界面形成机制：界面特性的形成主要归因于马兰戈尼对流，促进了Ni和Cu元素的混合，形成了稳定的过渡层，实现了两种金属界面的自然过渡。
4.力学性能与热导率的提升：IN718/CuCrZr多金属结构的显微硬度、拉伸性能和热导率均优于单一材料。与IN718相比，多金属结构的热导率显著提高，同时界面处的力学性能表现出良好的结合强度和不同的变形机制。
Laser & Electron Beam Processing
论文链接：
来自：高能束加工技术与应用
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟