诺丁汉大学增材制造中心的研究人员，与制造技术中心和欧特克研究院合作，分析了在IN718和GRCop-42的激光粉末床熔融中，界面取向如何影响缺陷形成和微观结构演变。

这项发表在《增材制造快报》上的研究评估了水平、垂直和倾斜界面，以确定沉积顺序和辅料方向如何影响航空航天双金属零件中的合金混合和相形成。

这项工作的重点在于诸如火箭燃烧室等部件，其中IN718提供高温强度，而GRCop-42——一种由NASA开发的Cu-Cr-Nb合金——则增强散热能力。

为了制造双金属样品，研究人员使用了配备1千瓦连续波镱光纤激光器和Schaeffler Aerosint选择性粉末沉积辅料器的AconityMIDI+ LPBF系统。

SPD系统能够在单次辅料过程中实现空间控制的多材料沉积，从而将不同的粉末置于每层的特定区域。

样品采用IN718和GRCop-42之间的水平界面、垂直界面和45°倾斜过渡进行制造。

对于每种几何结构，都测试了两种沉积顺序。在一些构建中，IN718沉积在GRCop-42上；在另一些中，顺序则相反。

辅料方向也相对于界面平面进行了改变，以评估粉末铺展如何影响合金分布和界面微观结构。

对于水平界面，沉积顺序被证明至关重要。当IN718沉积在GRCop-42上时，界面处形成了未熔合缺陷。

背散射成像显示了未熔化的IN718颗粒。作者将此归因于铜合金基底的高导热性，它迅速耗散热量并降低了熔池温度。

在最初几层IN718沉积期间增加激光功率减轻了这些缺陷。

颠倒顺序改变了结果。将GRCop-42沉积在IN718上不会产生未熔合缺陷。

相反，在界面处发生了显著的合金混合。X射线衍射表明界面附近有一个小附加峰，这与过渡线上方富铜区域中的体心立方α-Cr相吻合。

而电子背散射衍射则揭示了晶粒细化以及外延生长的证据。

对于垂直和倾斜界面，界面相对于辅料方向的方向起到了关键作用。

当界面平面垂直于辅料方向时，首次沉积的材料会显著跨越进入第二个区域。

在某些情况下，观察到与粉末沉积不规则相关的孔隙，这不同于水平界面中观察到的由导热性驱动的未熔合缺陷。

当界面平面与辅料方向平行时，在界面上逐渐形成了成分过渡。

作者认为，这种梯度效应可能有助于减少由合金间热失配引起的应力集中。

微观结构分析揭示了基于混合行为的明显差异。

在富铜区域中受到显著Ni污染的区域表现出柱状晶向等轴晶的转变以及局部晶粒细化。

较细的晶粒位于界面富铜区域，而较粗的等轴晶则位于富镍区域。在成分边界更尖锐的样品中，柱状枝晶结构得以保留。

总的来说，这项研究表明，相对于构建方向和辅料方向的界面取向直接影响IN718/GRCop-42双金属LPBF结构中的合金混合、相演变和缺陷形成。

尽管作者表明在某些配置下无缺陷界面是可行的，但他们指出，需要进行进一步的拉伸和疲劳测试，以确定取向驱动的微观结构差异如何影响热循环下的机械性能。

近期的研究计划同样侧重于应对极端环境下连接异种金属的挑战。

一个英国主导的探索聚变能材料增材制造方法的项目正在研究如何将钨和铜等金属结合以承受剧烈的热梯度。

与诺丁汉的研究类似，这项工作反映了一个更广泛的技术限制：虽然多金属系统有望提供定制化的热性能和机械性能，但可靠地控制界面微观结构仍然是其在高温应用中部署的关键障碍。

硬件的进步也正在扩展多材料能力。苏黎世联邦理工学院的研究人员最近展示了一种旨在提高材料放置效率的高速多材料粉末床融合系统。

然而，仅凭机器能力并不能解决冶金复杂性。正如诺丁汉的研究结果所示，沉积顺序、辅料方向和界面取向可以显著改变混合行为和缺陷形成。

这表明对于航空航天和其他极端环境应用而言，工艺-结构理解将与硬件创新同等重要。

题图显示了水平IN718/GRCop-42界面的背散射和成分分析，展示了未熔合缺陷和晶粒细化行为。图片来自 Bulloch 等人，《增材制造快报》。