新策略！无裂纹的铜钢复合材料，双工艺的耦合

| 3DScienceValley · 2024/04/14

多材料激光粉末床熔融 (PBF-LB) 通过将多种材料组合成复杂的形状，提供了新的设计机会。然而，对于热性能、物理性能或弹性性能差异较大的组合，避免界面缺陷具有挑战性。

将铜合金与不锈钢相结合对于某些区域需要高导热性/导电性以及其他区域需要高强度和耐腐蚀性的部件很有吸引力。通常，3D打印的样品表现出明显的混合和两种类型的缺陷：CuCrZr 中的孔隙度和界面附近的钢裂纹。根据3D科学谷的市场研究，瑞士ETH苏黎世联邦理工学院通过热等静压与激光粉末床熔合耦合，开发了制造无缺陷铜钢复合材料新策略。

▲ 热等静压HIP与激光粉末床LPBF耦合
© ETH

多材料增材制造工艺能够创建具有复杂几何形状的双金属结构，这是其他方法无法制造的。例如，将铜合金和不锈钢合并到单个组件中可以利用铜的高导电性和导热性以及钢的机械强度和耐磨性。这种集成可用于发电、传热和电子等多个领域。

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© 3D科学谷白皮书

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此前，来自苏黎世联邦理工学院的先进制造实验室及其合作伙伴率先在多材料激光粉末床融合中使用激光束整形，通过深入研究铜钢组合，解决了界面处的脆化现象，即铜污染裂纹 (CCC)，将界面处的材料混合限制在几十微米内。与传统的高斯光束激光器相比，这不仅显着减少了界面缺陷，而且改变了多材料结构的微观结构。而近日，苏黎世联邦理工学院的先进制造实验室及其合作伙伴又开发了另外一种制造无缺陷铜钢复合材料新策略。

这一次，苏黎世联邦理工学院的先进制造实验室及其合作伙伴通过热等静压 (HIP) 通过闭合毛孔和愈合裂纹有效解决了无缺陷铜钢复合材料的制造挑战。HIP热等静压后保留了非常细小的晶粒结构，事实证明，局部保留粉末未熔化并通过热等静压闭合，是通过 PBF-LB 生产无缺陷 316L-CuCrZr 零部件的成功策略。

根据3D科学谷《金属与金属 l 多材料和蜂窝超材料的3D打印设计、特性、应用、挑战》一文，传统的钢-铜多材料组件制造包括以下步骤：焊接、热轧和复合铸造。然而，多材料AM-增材制造技术可以在优化的工艺条件下一步生产出机械性能得到改善的 316 L/CuSn10 不锈钢铜合金组件，并防止界面处出现裂纹且实现晶格设计，这在传统制造方法中是不可能的。

苏黎世联邦理工学院及其合作伙伴的目标是探索将 MM-PBF-LB 与随后的热等静压 (HIP) 处理相结合的潜力，以便制定创新策略来提高技术应用中异种材料组合的完整性和功能性。特别是，表征并讨论了 PBF-LB激光选区熔融3D打印与HIP热等静压结合对零件界面的微观结构、完整性和局部机械性能的影响。

结论

苏黎世联邦理工学院及其合作伙伴发现，就生产的 CuCrZr-316L 复合材料零件的完整性而言，PBF-LB HIP 后处理可有效闭合多材料 PBF-LB 后 CuCrZr-316L 铜合金与不锈钢结合界面附近可见的众多裂纹和孔隙。

机械性能受HIP处理的影响，尤其是 CuCrZr 的机械性能。经过PBF-LB激光选区熔融3D打印加工后，由于旋节线分解形成的细铁颗粒和局部非常细的晶粒尺寸的综合强化作用，靠近316L不锈钢界面的CuCrZr铜合金硬度高于块体的硬度。HIP热等静压处理后，由于残余应力的消除以及 Cr 和 Zr 的沉淀，观察到CuCrZr块体的硬度总体下降。然而，CuCrZr 在靠近与钢的界面处仍然较硬，因为在 HIP 过程中保留了细晶粒结构，这被认为是由非常细的富含 Cr 和 Fe 的沉淀物的晶界钉扎效应引起的。除了机械性能之外，值得一提的是，在PBF-LB激光选区熔融3D打印快速冷却过程中，固溶体中捕获的元素的沉淀对于寻求高导电性或导热性的应用是有益的。

与界面完全熔化相比，在靠近316L不锈钢界面处留下一定的未熔化 CuCrZr 粉末似乎在 HIP 后不会产生明显的机械性能差异。这种策略对于在两种材料之间创建更清晰的界面仍然很有趣。

在工业环境中，与单独的PBF-LB激光选区熔融3D打印相比，额外的 HIP热等静压处理可能会增加生产成本和时间。然而，对于需要极低残余孔隙率的应用（例如航空航天工业），HIP热等静压处理已成为常见做法。此外，如果进行后续的HIP热等静压处理工艺，可以通过使用更高的层厚度和扫描速度来加速打印过程，从而降低成本，因为只要闭孔率满足，3D打印后就没有必要追求100%的密度。