新思路 粉床选区激光熔覆提高嵌件散热能力

作为众多金属3D打印工艺中最为成熟的工艺，粉床选区激光熔覆（PBF-LB）在制造内部几何形状高度复杂的零件上有其不可代替的优势。除了被广泛用于生产大型航空航天部件外，该工艺的一个成熟应用是制造带随形冷却通道的模具。随形冷却通道不仅可以提高模具的冷却能力，还可以改善传统制造工艺生产的模具冷却不均匀的缺点。但是，对于尺寸较小的嵌件而言，由于体积有限，在确保工件刚度的前提下，没有足够的空间再引入随形冷却通道。在嵌件中加入铜材料是另一种提高嵌件散热能力的解决思路。近期，一篇关于增材制造多金属嵌件的科研成果发表在国际期刊《Materials & Design》上。

实验设计

本研究选用最常见的15-45 μm工具钢粉末（M300）和-32 μm铜合金粉末（CuCrZr）。M300钢是具有高硬度的马氏体时效钢，CuCrZr是高导热/电的铜材料。铜合金因在红外波段，吸收率低，所以在高功率才能被熔化并形成稳定连续的熔轨。因此，两组不同的工艺参数分别用于扫描M300钢（200 W，700 mm/s，80 μm）和CuCrZr铜合金（500 W，600 mm/s，120 μm；重熔：500 W，650 mm/s，120 μm）。扫描顺序为先钢后铜，再重熔铜。铜完全包裹在钢中。

为了探究几何尺寸和形状对材料垂直界面的影响，该试样含6个嵌件，其中5个嵌件中含不同尺寸的铜柱，如下图所示。

时效热处理：试样放置于空气炉中，炉子在2 h内升温到530 ℃，并在该温度下保温8 h，然后在2 h内缓慢炉冷至室温。

在后续的性能和微观组织结构表征中，科研人员采用了光镜，扫描电镜，CT扫描以及微观硬度仪等测试方法。

经激光选区扫描后的多材料粉层的俯视图

非均匀微观组织

CT成像结果（见下图）表示，M300钢的致密度明显比CuCrZr合金的致密度高。缺陷主要集中在铜基体和界面处。材料混合界面处，缺陷多数呈非球形不规则形状且尺寸较大，而铜基体内的缺陷多呈圆形。值得注意的是，铜在平行于和在垂直于铺粉方向（-X）上呈不均匀分布。在铜芯的外侧，-X方向上，有约1 mm宽的富铜区域（见下图中的b图）。形状不规则的缺陷主要集中在这个区域内且靠近铜芯的位置上。

在XZ界面处，界面清晰，材料混合区域窄；相比较而言，YZ界面更加模糊，钢和铜混合区域宽。

(a)和(b)为CT图像， 深蓝色为富铁区，浅蓝色为富铜区，显示沿铺粉方向的各向异性。(c)为铜合金区域外富铜区域（蓝色圆圈）和样品其他部分（红色十字）的孔隙球形度与等效直径的关系图。

缺陷形成机理

非均匀微观组织主要由铺粉设备的工作原理和铺粉顺序所决定。CuCrZr粉先于M300钢被铺于基板上，多余的粉末被吸走，留下平整的多材料粉床，如以下示意图所示。由于铺粉过程中，气阀关闭后，残余气流会继续将粉末铺到基板上，导致实际粉床中，先铺粉末比模型设计中粉末量更多。还有另一个可能的原因是调平刮刀有可能将一小部分粉末往铺粉前端推送。换言之，先铺粉末在铺粉方向上有所延伸，界面处较宽区域内会有两种粉末的混合。

虚线代表CAD模型的边界

然而，这个混合区域所用的扫描参数是M300钢的工艺参数。由于铜粉的存在，这个能量输入过低，导致了未融合缺陷的出现。越靠近铜芯，铜粉含量越高，未融合缺陷浓度越大，缺陷尺寸也越大。

铜芯中的球形缺陷是由于能量输入过高引起，因为该研究中所用的工艺参数是从尺寸更大的密度块的实验中得出的。尺寸更小意味着熔池周边的温度梯度更小，熔池寿命相对更长，铜熔液对红外激光的吸收率比固态铜要高很多。因此气孔也相对更多。

不同铜芯大小和形状的横截面微观组织图

结论

该研究成果主要为多材料部件的界面设计提供了参考依据。同时，也对未来在界面处优化工艺参数提供了思路。主要结论如下：

1. 尽管在垂直于基板的材料界面上存在一些缺陷，但仍实现了充分的材料混合和良好的冶金键合，这有利于载荷/热量在界面上传递，并有助于在铣加工过程中展现出良好的可加工性。

2. 界面相对于铺粉方向的取向对其化学成分、晶粒大小形态和功能梯度宽度等特性有重要影响。沿铺粉方向的界面有一个长度约为1.5 mm的模糊过渡，而沿非铺粉方向的界面则有一个长度约为0.5 mm的急剧过渡，这与铺粉设备的分辨率一致。铺粉顺序可能会影响局部粉末特性，从而影响模糊界面。

3. 沿铺粉方向的模糊界面有两种可能的形成机制。第一种与定量给料有关，由于气阀的延迟关闭，导致了所需区域之外的污染。第二种与调平有关，由于调平刮刀可能无法有效地吸走所有粉末，从而将多余的粉末从一个区域推到邻近区域。这两种机制都有可能造成污染，尤其受铺粉顺序的影响。

4. 后扫描的材料（本例中为 CuCrZr）会在先扫描的材料上留下涡流纹，从而决定界面的形态，尤其是沿非铺粉方向上的形态。

经铣削加工后的试样

来源：长三角激光联盟