先钢后铜or先铜后钢？多材料3D打印的重要抉择

一个智能3C零部件，既拥有钛的轻量强度，又具备铜合金的优异导热性；

或一个航空发动机部件，内部是耐高温合金，外层却是导热系数极高的铜材料。

多材料3D打印技术正在让这一切成为可能。延伸阅读：多材料金属3D打印，引领下一个十年
然而，这一前沿技术长期面临着一个致命痛点：不同材料之间的界面缺陷导致结构过早失效，成为阻碍其广泛应用的最大障碍。在《npj Advanced Manufacturing》2025年最新一期上，宾夕法尼亚州立大学研究团队揭示了一个令人惊讶的发现：在多材料激光粉末床熔融(MM-LPBF)技术中，仅仅通过改变构建方向，就能改善界面缺陷问题！

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通过对904L不锈钢和青铜复合结构的系统研究发现，四种不同构建方向中，仅有一种配置能够实现几乎无缺陷的材料界面。我们来深入看看这个研究，能否让这个行业面临的最大技术障碍突然变得可控和可预测？

多材料3D打印：在界面挑战中寻找答案

AM易道观察，能够在同一构件中融合多种材料特性的多材料3D打印技术成为研究热点。然而，不同材料之间的界面往往成为结构的薄弱环节，导致性能下降甚至失效。此次研究选择了904L不锈钢和青铜这两种材料组合进行探索，它们代表了典型的高强度结构材料与高导热材料的组合。通过选择性粉末沉积(SPD)系统，研究团队能够在同一层中精确控制不同材料的分布位置。

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如图1所示，SPD系统使用特殊设计的滚筒来实现不同材料的精确沉积。图1A展示了单个滚筒的横截面设计，可以看到滚筒周围装有精细的筛网（孔径仅10微米），能够精确控制粉末的释放。图1B和图1C则展示了如何通过三个不同的滚筒和料斗来控制不同材料的分布，就像一台能够按照设计图纸着色的打印机，将不同材料放置在精确的位置上。

研究设备与工艺参数

如上图所示，研究团队使用的是德国Aconity3D公司的Aconity MIDI+激光粉末床熔融设备，该设备配备了比利时Aerosint公司的选择性粉末沉积系统(SPD v1)。

904L不锈钢参数

激光功率：170 W
扫描速度：850 mm/s
层厚：30 μm
扫描策略：层间旋转67°（机械测试样品）或90°（微观结构样品）

青铜(CuSn10)参数

激光功率：240 W
扫描速度：650 mm/s
层厚：30 μm
扫描策略：与不锈钢相同，层间旋转67°或90°

揭秘关键发现：构建方向决定界面质量

研究团队设计了四种不同构建方向的测试立方体（如图8所示），用于观察材料界面的微观结构和缺陷形成：

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(Br, SS)z - 沿Z方向先打印青铜，再打印钢
(SS, Br)z - 沿Z方向先打印钢，再打印青铜
(Br, SS)y - 沿Y方向相邻打印青铜和钢
(SS, Br)x - 沿X方向相邻打印钢和青铜

研究结果揭示了一个惊人的发现：在所有四种构建方向中，只有(SS, Br)z（沿Z方向先打印钢，再打印青铜）展现出最小的界面缺陷和良好的冶金结合性。其他三种构建方向都在钢区域显示出明显的裂纹，这些裂纹主要平行于界面平面并延伸到钢区域内部。

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如图2和图3所示，微观结构分析清晰地显示了不同构建方向下界面质量的巨大差异。在(SS, Br)z构建方向下，材料界面几乎没有可见裂纹；而其他构建方向，特别是(Br, SS)z，则显示出严重的裂纹网络，这些裂纹主要位于钢区域而非青铜区域。

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解析界面缺陷形成机制：三大关键因素

为什么构建方向会如此显著地影响界面质量？研究团队通过深入分析熔池形成和凝固过程，揭示了三个关键因素：

1. 热物理性质差异导致的应力不匹配

不锈钢和青铜在热膨胀系数等热物理性质上存在显著差异。当两种材料同时经历热循环时，它们的膨胀和收缩程度不同，导致材料界面产生应力集中，进而形成裂纹。这就像在同一个框架中连接一块会大幅度膨胀的材料和一块膨胀较少的材料，随着温度变化，它们之间的连接处必然承受额外的应力。

2. 能量吸收差异导致的熔池行为变化

在青铜基体上打印钢时，由于铜合金的高热导率，基体材料吸收的能量远高于在钢基体上打印钢的情况。这相当于以低于推荐的能量密度来处理钢材，容易导致熔合不完全和分层裂纹。

3. 凝固机制与材料比例相关的裂纹敏感性

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如图4所示，研究发现凝固过程中的裂纹形成与钢和青铜的相对比例密切相关：当青铜含量适中时（图4上部）：钢首先开始凝固，形成晶粒，周围的液态青铜提供足够的回填能力，防止裂纹形成当钢含量远高于青铜时（图4下部）：少量的液态青铜被推向钢的晶界，形成晶界偏析。随着凝固收缩应力的产生，这些区域容易形成裂纹，而青铜含量不足以回填这些裂纹。这一凝固机制解释了为什么裂纹主要出现在钢区域而非青铜区域，以及为什么(SS, Br)z构建方向能够获得最佳的界面质量。在这种构建方向下，凝固过程能够实现更均匀的材料混合和更少的应力集中。

熔池动力学：马兰戈尼对流的作用

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如图7所示，当高能激光束照射在粉末材料表面时，会形成一个温度梯度极大的熔池。这种温度梯度导致了表面张力差异，进而产生了被称为「马兰戈尼对流」的复杂流体运动。这种对流的形成机制可以这样理解：熔池中心温度最高，表面张力最低；而熔池边缘温度较低，表面张力较高。这种表面张力差异驱动液态金属从中心向边缘流动，然后沉入熔池底部，再循环回到中心，形成一种旋涡状的循环流动。这一过程极其相似于我们在咖啡杯中观察到的温度对流现象，但在微观尺度上的影响更为深远。研究团队通过高精度显微成像技术捕捉到了这种流动的「凝固足迹」，发现马兰戈尼对流在不同构建方向下表现出显著不同的模式：在(SS, Br)z构建方向下，对流模式更加均匀，使得两种材料在界面处实现了更为理想的微观混合而在(Br, SS)z构建方向下，由于青铜的高热导率导致熔池温度梯度更陡，对流更加剧烈但不规则，造成了不均匀的元素分布尤为关键的是，研究发现这种流动不仅影响材料的混合，还直接决定了晶粒的生长方向和尺寸。在理想的构建方向下，马兰戈尼对流促进了细小均匀的晶粒形成，减少了有害的元素偏析；而在不利的构建方向下，不规则的对流导致了粗大晶粒和严重的元素偏析，为裂纹提供了理想的启动位点。这种微观流动的研究为多材料LPBF工艺优化提供了全新视角，表明控制熔池动力学行为可能是实现高质量材料界面的关键途径之一。

力学性能与失效机制：微观决定宏观

为了验证微观结构对宏观性能的影响，研究团队设计了三点弯曲测试，并结合数字图像相关(DIC)、有限元分析(FEA)和间歇性微CT扫描进行了全面分析。

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如图5和图6所示，力学测试结果验证了微观缺陷对宏观性能的显著影响。实验样品在低于FEA预测值约12%的负载下失效，且失效位置与微观缺陷位置高度一致。

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图6进一步详细展示了裂纹扩展路径，通过四个不同位移状态（0mm、3.5mm、5.5mm和9.5mm）的连续观察，研究者发现裂纹并非沿材料界面本身传播，而是优先在钢区域内靠近界面的位置扩展。这一现象与微观分析中发现的「裂纹主要存在于钢区域而非界面本身」的结论高度一致，进一步证实了微观缺陷是宏观失效的根本原因。这一发现具有重要的工程意义：它们不仅证实了构建方向是决定界面质量的关键因素，即使是肉眼无法察觉的微观缺陷，也能对整体结构性能产生决定性影响。通过优化构建方向，特别是采用(SS, Br)z构建策略，可以从根本上减少这些微观缺陷，显著提高多材料结构的力学性能和可靠性，为下一代高性能多材料部件的设计和制造提供了清晰的技术路径。

技术突破的应用前景：从实验室走向现实

这项研究的突破为多个高端应用领域带来了新的可能：

生物医学植入物

螺旋结构（gyroid structure）因其高表面积体积比和连续曲面特性，非常适合骨科植入物。通过多材料LPBF技术，可以设计既具有力学支撑功能又能促进骨组织生长的植入物，解决传统金属植入物与骨组织刚度差异大的问题。

热管理系统

热电子设备通常需要同时具备高强度结构和高热导率的材料。多材料LPBF技术可以实现在同一部件中整合这两种性能，设计出更高效的散热结构，提高设备性能和可靠性。延伸阅读：参数建模多孔微结构软件PMG最新证书

固态能源存储

通过精确控制材料分布，可以设计具有复杂内部结构的电池电极或能源存储设备，优化电化学性能和力学性能的平衡，实现更高的能量密度和循环寿命。

抗腐蚀梯度组件

在腐蚀环境中，部件外表面需要耐腐蚀性，而内部需要保持力学强度。多材料LPBF技术可以实现材料性能的梯度过渡，满足不同区域的功能需求，延长部件使用寿命。

构建方向是多材料3D打印的重要钥匙

构建方向在多材料激光粉末床熔融中的关键作用，正如这项研究所揭示的，不仅仅是一个工艺参数，更是决定产品成败的核心因素。那个看似简单的选择，先打印钢再打印青铜，或是相反顺序，却能从根本上决定材料界面的质量和整体结构的力学性能。如本研究所证明的那样，有时候创新的关键并不在于发明全新的工艺或设备，而在于对现有技术更深入的理解和更精细的掌控。通过系统研究构建方向这一看似基础的参数，宾夕法尼亚州立大学的研究团队为整个行业提供了一个清晰的指南针，指引多材料3D打印技术走向成熟和广泛应用的未来。

AM易道最后聊两句

当然，我们知道，构建方向优化仅是多材料金属3D打印的研究拼图中的一块。其他关键研究方向包括了材料梯度过渡设计、界面中间层策略、智能激光参数调控、原位监测与闭环控制、新型材料组合兼容性，以及高精度多尺度模拟等等等。这些方向共同构成了推动多材料增材制造走向成熟应用的技术体系。

25-03-06 10:32

反对

AM易道

读懂3D打印卓越与演变之道

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