藍色激光定向能量沉積純Cu-316不銹鋼多材料|《JAC》

來源：增材制造之家

銅等具有高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的金屬抗拉強度有限，這限制了它們在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。通過設(shè)計和制造多材料結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)功能和結(jié)構(gòu)部件的集成。本研究探討了利用藍色激光定向能沉積（BL-DED）技術(shù)制造的銅-不銹鋼（Cu-SS）多材料結(jié)構(gòu)的機械和物理性能。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，實現(xiàn)了銅和不銹鋼的高相對密度。通過對界面微觀結(jié)構(gòu)、元素分布以及熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和機械性能的綜合分析，揭示了不同銅-SS比例下銅-SS多材料的性能差異。

結(jié)果表明，隨著SS含量的降低，Cu-SS結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率顯著提高，而機械性能則明顯降低。由于銅和SS的導(dǎo)電率存在很大差異，渦流導(dǎo)電率表現(xiàn)出明顯的測量側(cè)依賴性。此外，通過理論建模和實驗驗證，建立了銅-不銹鋼多材料結(jié)構(gòu)性能的平衡關(guān)系，為實現(xiàn)多材料結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱性、高導(dǎo)電性和高強度提供了優(yōu)化框架。這項研究為先進工程部件的功能和結(jié)構(gòu)集成設(shè)計與制造提供了新的見解。

具有獨特機械和物理特性的多材料結(jié)構(gòu)已成為在先進工程組件中實現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能集成的關(guān)鍵策略。在各種增材制造技術(shù)中，激光定向能量沉積（L-DED）已被證明在制造具有復(fù)雜幾何形狀的組件方面具有無與倫比的能力，從而為集成制造提供了可行的解決方案。316 L不銹鋼（SS）以其出色的耐腐蝕性和機械性能而聞名，在工業(yè)領(lǐng)域具有重要意義。然而，在某些特定應(yīng)用中，SS無法滿足對導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的嚴格要求。純銅以其卓越的熱性能和電性能而著稱，是應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的最佳材料。由L-DED制造的Cu-SS多材料具有高機械強度以及卓越的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，已在航空發(fā)動機、熱管理器、汽車和模具中得到廣泛應(yīng)用。

Cu-SS多材料的增材制造工藝和性能已得到廣泛研究。Chen等對宏觀和微觀結(jié)構(gòu)、微裂紋特性和析出演變進行了全面分析，將這些現(xiàn)象歸因于液態(tài)金屬脆化。Tan等進一步評估了工藝參數(shù)對界面缺陷的影響。Tomar等觀察到通過電弧增材制造制造的多材料結(jié)構(gòu)的機械性能的各向異性變化。這些研究共同揭示了界面處的缺陷（如氣孔和裂紋）顯著導(dǎo)致了機械性能的惡化。因此，界面的設(shè)計和缺陷的緩解已成為突出的研究課題。Yadav等采用了三種成分分級方法來研究界面偏析和微裂紋增長行為。此外，Zhang等引入了一種中間金屬（In718）來實現(xiàn)無缺陷界面，從而提高了梯度結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率和熱擴散率。然而，Cu及其合金對在980-1080 nm范圍內(nèi)工作的紅外激光器的高反射率導(dǎo)致了嚴重的能源浪費，使加工效率低下且成本高昂。

Cu對短波長激光器（如藍色激光器或綠色激光器）表現(xiàn)出明顯更高的吸收率。在室溫下，藍色激光器對Cu的吸收率為 60%，明顯高于紅外激光器。因此，Cu及其合金的藍色激光增材制造越來越受到關(guān)注。Liu等率先應(yīng)用藍色激光制造純銅立方結(jié)構(gòu)，突出了與傳統(tǒng)紅外激光技術(shù)相比的優(yōu)勢。隨后，Cu和SS的結(jié)合在不銹鋼基板上成功實現(xiàn)。此外，還對熔池流動特性進行了詳細的模擬和分析。值得注意的是，現(xiàn)有的研究主要集中在可成形性和熔池特性上，而忽視了對機械和物理性能（導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性）的深入研究。在使用藍色激光增材制造純銅的背景下，這種遺漏尤為明顯，這可能是由于激光器的能量密度相對較低。

本研究最初研究了Cu-SS多材料的界面屬性和微觀結(jié)構(gòu)。隨后，評估了多材料的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和機械性能。該研究采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)模型和有效介質(zhì)滲流理論來闡明由成分差異引起的熱導(dǎo)率差異。此外，還評估了電導(dǎo)率的半定量評估。最終，這項工作中的發(fā)現(xiàn)和解釋提供了對平衡選擇方法的定性描述，以實現(xiàn)Cu-SS結(jié)構(gòu)的最佳熱（或電）導(dǎo)率和機械強度。

該研究是使用華南理工大學(xué)內(nèi)部開發(fā)的藍色激光定向能量沉積（BL-DED）系統(tǒng)進行的，如圖1所示。藍色激光器波長為455 nm，最大工作功率為1000 W。

Fig. 1. Blue laser directed energy deposition system used for this study.

Fig. 3. Manufacturing process of Cu-SS multi-materials. (a1)-(a4) illustrate the schematics of the fabrication process of the material structure. (b1)-(b3) demonstrate the fabricated samples. (c1)-(c2) show the dimensions of research samples. (d1)-(d2) exhibit the samples used for testing.

圖4b、c說明了SS和Cu的相對密度與LEPF的關(guān)系。據(jù)觀察，兩種材料的相對密度最初隨著LEPF的增加而增加，然后略有降低。在本研究中，SS和Cu在LEPF值分別為 4.98 kJ/g 和 13.37 kJ/g 時達到最高，分別為 99.25% 和 91.52%。這些最佳條件對應(yīng)于SS的600W和Cu的900 W的藍色激光功率，隨后用于進一步的實驗。

Fig. 4. Optimization of process parameters for blue laser directed energy deposition of SS and Cu. (a) Schematic of the samples used for relative density measurement, (b) and (c) demonstrate the variation of relative density with LEPF for SS and Cu, respectively, with representative OM images.

圖6顯示了Cu-SS界面的OM圖像。襯底材料（SS）被藍色激光熔化并轉(zhuǎn)移到Cu區(qū)域，最終導(dǎo)致偏析。值得注意的是，與熔池中心相比，熔池邊界處富含SS的區(qū)域更為明顯，從而劃定了明顯的魚鱗邊界，如圖6b所示。混合區(qū)（MZ）的平均寬度為1156毫米（通過圖 6a 的比例評估），幾乎是層厚的兩倍。這一觀察結(jié)果表明，襯底和MZ的上部主要在最初兩個Cu層的沉積過程中被藍色激光熔化。隨后的沉積沒有導(dǎo)致底層SS 的進一步轉(zhuǎn)移。當(dāng)溫度高于液相線時，液態(tài)Cu和SS會相互融合并溶解。然而，由于L-DED工藝固有的高過冷度，流體轉(zhuǎn)變?yōu)椴环�(wěn)定的混溶狀態(tài)。隨著金屬流體的溫度急劇下降，熔點較高的SS首先沉淀并凝固。熔池邊界的溫度梯度明顯高于中心，導(dǎo)致邊界處的SS 沉淀量增加，并形成不規(guī)則的富含SS的區(qū)域，如圖 6c-e 所示。

Fig. 6. OM images of the Cu-SS interface: (a) clear interfacial structure, (b) melt pool mixing zone and tracks, (c)-(e) are localized magnified images of (b) showing SS-rich particles and regions and pores.

Cu-SS界面的微觀結(jié)構(gòu)如圖7 a-c 所示。在混合區(qū)內(nèi)，在富含SS顆粒的地方觀察到不同的界面。顯微鏡檢查顯示，在富含SS的區(qū)域存在微孔，這歸因于快速凝固和溶質(zhì)擴散延遲。值得注意的是，Cu在熔池中表現(xiàn)出不規(guī)則的片狀形態(tài)，并伴有分散的富含SS的顆粒，如圖7c所示。圖7d-f 中隨后的EDS圖像集中在圖7a 中劃定的區(qū)域。元素分析顯示SS區(qū)中Cu的稀缺性，而混合區(qū)中Cu的普遍存在。圖7d中所示的黑色區(qū)域突出了富含SS的顆粒的形態(tài)和分布，與之前的觀察結(jié)果一致。

Fig. 7. Microstructure and EDS analysis of the Cu-SS interface. (a) SEM and (b) OM images of the interface, (c) SEM image of the microstructure in the mixed region, and (d)-(f) the elemental distributions and contents of Cu, Fe and Cr in Fig. 4(a), respectively.

沿成形方向（BD）的線掃描EDS進一步評估，如圖10所示。圖11說明了Cu-SS界面處晶粒形態(tài)、取向和尺寸分布的結(jié)果。在界面處鑒定出SS的面心立方（FCC）和體心立方（BCC）相。

Fig. 10. Line-scan EDS elemental analysis results from SS zone, mixed zone to Cu layers. (a) SEM image of the scanning area and (b) elemental distribution results.

Fig. 11. EBSD results at the Cu-SS interface. (a) IPF map projecting along the build direction (BD). (b) grain shape distribution map, where colors represent the grain shape factor (GSh). (c)-(e) polar diagrams corresponding to Cu, BBC-Fe and FCC-Fe phase, respectively. (f) and (g) the grain size distribution of Cu and Fe, respectively.

圖12說明了熱導(dǎo)率（k）和熱擴散（α），溫度為Cu-SS多材料。熱流沿成形方向傳播，依次穿過SS區(qū)、混合區(qū)和Cu區(qū)。Cu-SS多材料結(jié)構(gòu)的顯微硬度測試沿沉積方向進行，覆蓋3 mm的距離，如圖13a所示。在SS區(qū)內(nèi)，平均硬度值為203.09 HV，而在過渡到MZ時，觀察到硬度顯著降低（平均為142.63 HV）并伴有顯著波動。Cu區(qū)的平均硬度值最低，為 80.57 HV。Cu-SS多材料、純Cu和SS的代表性拉伸曲線如圖13b所示。

Fig. 12. Thermal conductivity and thermal diffusion of the samples with HCu:HSS=1:2 and 2:1.

Fig. 13. (a) Microhardness of Cu-SS interface and (b) tensile curves of pure Cu, Cu-SS multi-materials and SS fabricated by BL-DED.

Cu-SS多材料結(jié)構(gòu)的機械性能、電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率直接受微觀結(jié)構(gòu)、缺陷和元素分布等因素的影響�；�于本文對Cu-SS多材料結(jié)構(gòu)的性能測試和分析，他們試圖成形機械性能和熱/電導(dǎo)率之間的平衡關(guān)系，如圖 16 所示。隨著 Cu 含量（厚度）的增加，出現(xiàn)了三個不同的階段。I：較高的機械強度，但導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性有限;II：高機械性能以及導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性;III：導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性高，但機械強度不足，無法承受重載荷。在實際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)具體要求選擇合適的 Cu/SS 含量比，以實現(xiàn)機械性能和熱/電導(dǎo)率的理想平衡。值得注意的是，當(dāng) Cu 含量接近 100% 時，渦流電導(dǎo)率會降低，這是由于缺陷的增加。

Fig. 16. Balance between mechanical properties and thermal/electrical conductivity of Cu-SS multi-material structures.

1.Cu-SS界面定義明確，具有富含SS的不同區(qū)域和混合區(qū)。混合區(qū)主要由銅組成，SS以顆粒形式分布。在界面處鑒定出SS的FCC和BCC相，平均晶粒尺寸分別為4.63 μm和3.32μm�；旌蠀^(qū)的微觀結(jié)構(gòu)以等軸晶粒為特征，而SS區(qū)則表現(xiàn)出蜂窩狀結(jié)構(gòu)。

2.Cu-SS結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)電性隨著銅含量的增加而顯著增加，而抗拉強度降低。Cu：SS比為2：1的Cu-SS結(jié)構(gòu)在327 K時達到了169.32 W·m⁻¹·K⁻¹ 的最高導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)電率為 84.33% IACS。它還表現(xiàn)出 10.7 MPa 的拉伸強度和17.55% 的伸長率，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。基于熱阻模型和有效介質(zhì)滲流理論的計算揭示了SS厚度對熱導(dǎo)率的顯著影響。

3.基于實驗結(jié)果和理論分析，建立了Cu-SS多材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與熱/電導(dǎo)率之間的平衡關(guān)系。通過調(diào)整銅與不銹鋼的比例，可以實現(xiàn)高導(dǎo)熱性、高導(dǎo)電性和高強度的最佳組合。這為高級工程應(yīng)用中多材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。