《Composites Part B》综述：激光增材制造中的原位合金化调控
时间:2025-04-11 10:11 来源:AMLetters 作者:admin 点击:次
增材制造（AM）作为一种革命性的技术，在航空航天、汽车、国防及生物医学等行业中展现了巨大的应用潜力。与传统制造方式相比，AM不仅具有按需定制、经济高效生产复杂近净形状部件和减少工具周期时间的优势，还能显著提高生产灵活性。然而，AM一直依赖预合金化粉末作为原料，限制了其在合金成分开发上的潜力。为了解决这一问题，原位合金化技术应运而生，它通过在打印过程中将元素粉末进行混合和均匀化，为合金的微观结构和成分提供了前所未有的控制手段。  
图 1.添加不同量 TiC 的 AA5024 的光镜图像：（a） 0%、（b） 1 wt.%、（c） 3 wt.%和（d） 5 wt.%
图 2.激光增材制造铝基合金和高熵合金的最新研究总结：不同添加量量对 AlSi10Mg 的影响 （a） – （c） 粉末混合物形态，（d） – （f） 粉末形态，（g）-（l） 打印缺陷。（m） Ti–12Mo 样品的 BSE 图像，（n） 熔池边界点缀的高倍率 BSE 图像，（o） Ti 的 EDS 映射，（p） Ti 的 EPMA 映射，（q） Mo 的 EDS 映射，（r） Mo 的 EPMA 映射。（s） 非球形 HDH-Ti 粉末、（t） 球磨 HDH-Ti 粉末的 LPBF 示意图;（u） 通过 LPBF 制备的 CoCrFeMnNi HEA 中氧化物颗粒与滑移带相交的 TEM 明场图像，（v） 带有 SAD 图案的 TEM 暗场图像揭示了基体中的 MnO 颗粒
图3.使用卫星化和化学镀的粉末改性方法对基于激光的AM制造的Ti基合金的最新研究总结:(a) LPBF使用各种粉末原料制备方法制造Ti6Al4V，对应于在孔隙率、偏析和不均匀性方面观察到的趋势[6]。(b) (e) (h) (k)具有通过化学镀涂覆的不同重量% Ni的Ti@Ni复合粉末的SEM图像。(c) (f) (i) (l)是使用Ti@Ni复合粉末的打印成形样品的SEM显微结构，而(c1) (f1) (i1) (l1)是相应的放大图。(d) (j) (m)是对应于(c) (i) (l)的SEM图像的EBSD反极图(IPF ),( D1)是(d)的相应放大图。(g) (g1) (g2)是拉伸的3D打印样品。(g3)是Ti-0.4Ni [36]的SEM断口形貌。
图4.使用CVD和静电自组装的粉末改性方法对基于激光的AM制造的铝基合金、CoCrMo和不锈钢基材料的最新研究总结:具有各种纳米颗粒附着的各种粉末原料的SEM图像(a) Al7075 + TiB2，(b) Ti6Al4V + ZrH2，(c) Al7075 + WC，(d) AlSi10Mg + WCs，(e) Fe粉末+ TiC，(f)晶格匹配的成核剂的示意图。(g)通过FBCVD涂覆有CNT的Ti6Al4V粉末的SEM图像。(h )( g)中标记区域的放大图。(CNT的高倍放大图像，显示了封装在管内的纳米颗粒催化剂的存在。(j)从复合粉末中提取的典型CNT的HRTEM分析。
图5.含各种合金元素的Ti基合金原位合金化的微观结构观察:(a)pre-β边界附近的超细片状共析和过共析Ti2Cu颗粒。(b)板条内的贫铜区域，而富铜区域突出了Ti2Cu颗粒。(c) BSE图像显示了打印成形的Ti64-(4.5%)316L的熔岩状微观结构。(d)放大的BSE图像显示了针状α′马氏体和超细β晶粒共存的熔岩状异质微观结构。(e)细针状α′的透射电镜。超细孪晶结构的透射电镜。(g)和(h)是打印成形Ti64-(4.5%)316L的EBSD图像。
图6.具有各种合金元素的钛基合金的原位合金化的显微结构观察:(a)具有各种成分的打印成形钛氧铁合金的EBSD图像。(b)不同成分的打印成形钛氧铁合金的BSE图像。(c)设计建造的Ti6Al4V的STEM-EDS绘图。(d)设计建造的UTM合金的STEM-EDS绘图。(e)设计制造的Ti6Al4V的相图，(f)设计制造的UTM合金的相图。
图7. (a)不同硅含量为0 wt%, 1 wt%, 2 wt%, 3 wt%和4 wt%的打印成形铝硅合金的EBSD IPF图。(b)从α-Al电池获得的制造合金的TEM高角度环形暗场(HADDF)图像和EDX映射。(c)应力消除退火后从α-Al电池获得的合金的TEM高角度环形暗场(HADDF)图像和EDX映射。(d)二元铝合金中的平均晶粒尺寸是Q值的函数。(e)具有不同石墨烯(Gr)含量的AlSi12的EBSD图。
图8.使用各种孕育剂的钛基合金、铝基合金和不锈钢原位合金的微观结构观察总结:(a)Ti6Al4v、Ti6Al4V+B和Ti6Al4V+LaB6的SEM图像。(SLMed纳米TiB2修饰的AlSi10Mg样品(NTD-铝)中细胞的干细胞HAADF图像以及铝、硅、镁、钛和硼的相应EDX图谱。(TiB2强化316L不锈钢的EBSD图像。
图9.用TiC孕育剂原位合金化不锈钢的显微组织观察:(a)不同TiC含量的15-5PH/TiC金属基复合材料的SEM图像。(b)15-5PH/TiC MMCs的EDS绘图。
图10.MMAM使用非原位控制方法实现CET和晶粒细化的总结:(a)使用NiCr中间层的Ti6Al4V + SS410的横截面SEM图像。(Inconel 718和Ti6Al4V制造的双金属结构中界面处的EDS映射。(c)梯度材料Ti-Ta结构。(d)改进的GPA机和分级材料。(e)ti 6 al 4v的反极图，说明超声波振动如何影响晶粒细化和CET。(f)显示超声波振动效果的熔池示意图。
图11.在MMAM使用动力学建模控制相变概述:(a)和(b)显示了两个等距视图，显示了LDED中的3D温度场和速度场。(c)-(g)in 718 WAAM样品热历史的FEM热模型。和(h)-(m)表示基于热历史通过JAMK方法计算的IN718超合金WAAM的中间截面上的相分布。
图12.使用相场模型预测固态相变的概述:(a)和(b)受工艺变量影响的熔池几何形状。(a)水平切片和(b)纵向切片。和(c)至(e)显示了不同冷却速率下的α + β微观结构。(c) 5摄氏度/秒，(d) 10摄氏度/秒，(e) 20摄氏度/秒。(f)使用FVM模式的单一轨道。红色矩形高亮显示中心平面。(g)从热流体模拟(左)和实验结果(右)获得的横截面的比较，熔化的用红色表示。(h)中心平面的温度梯度场。(I)中心平面处的冷却速率场(j)凝固熔池区域1、2和3中的微观结构的放大图。从(k)区域1的顶部观察到的受激枝晶结构；(l)第二区；(m)第三区。(n)-(q)显示了AlSi10Mg LPBF过程CA模拟，用于分析不同部分的熔合边界成核。(n)宽度中部的横向(TD)截面；(o)–(q)在(n)中描述的不同建造方向(BD)部分。
图13.MMAM利用模型控制缺陷综述。(a)-(e)显示了不同阴影间距下相邻轨道的模拟结果。(f)-(i)是具有不同组成和激光功率(50微米层厚度)的第二扫描层的横截面，(f)和(I)显示由低体积能量密度引起的不连续轨迹，导致成球效应、未熔合和孔隙，(g)和(h)用较高VED形成的连续轨迹。(j)-(m)显示了具有不同激光功率的Ti25Nb10Ta的顶表面形貌:(j)180W；230W；(l) 280W和(m) 330W。(n)至(r)显示了说明熔池和小孔形成的时间快照。
图14.总结了增强MMAM过程控制的建模方法。(a)具有不同热静置时间的样品中的孔隙度。(b)在第5层、第10层、第15层和第20层评估了逐层失真的预测准确性，将实验结果与来自生成式机器学习模型的模拟进行比较。(c)使用梁模型、全三维模型和全三维模型的相应Von Mises应力模拟的晶格结构变形。(d)弯曲路径打印成形网格结构的模拟结果。
图15.MMAM熔池动力学模拟概要:(a)和(NiAl表面混合物的形成:白色(Ni)和蓝色(Al)。(c)基材(NiAl)内部的小孔和熔池。(d)-(f)摩尔组成的内部视图。黄色虚线箭头表示中心平面上的流动运动，而红色实线箭头表示3D圆周运动。(g)Re和Pe的示意图和定义，对(h)小孔深度、(I)液体速度和(j)熔池尺寸的影响。(k)在该Ti和Nb原位合金化期间固化轨迹的俯视图和(l)纵向截面图。黑线表示熔池边界。代表性模拟结果说明了(m)熔体流动，(n)表面张力梯度，以及(o)沿横截面的温度梯度。
Prof. Peng Cao（曹鹏） ，奥克兰大学教授，在轻合金成分设计、金属粉末近净成形技术、新能源材料与器件等领域作了大量开创性工作，在新西兰已经主持完成了数十项科研项目，在包括Science Advances, Angewandte Chemie 、Acta Materialia和Chemical Engineerign Journal 等国际学术期刊上发表学术论文230篇，出版专著（含章节）10本。现任美国金属学会 (ASM)，材料研究学会(MRS)会员、新西兰皇家学会 (RSNZ)会员；上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室客座教授；北京科技大学客座教授；中南大学粉末冶金国家重点实验室客座高级科学家。 
Wuxin Yang，奥克兰大学博士后。
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