导读：本文介绍了一种
结合材料喷射技术的混合激光粉末床熔合法制备316 L不锈钢（SS）-铜（Cu）复合材料的方法
。采用两种不同的喷射系统:
喷墨和气动喷射
，配制并评价了两种分子铜前驱体油墨。采用激光扫描技术，通过调节激光聚焦和扫描速度，
研究了铜前驱体油墨直接转化为金属铜的过程
。此外，还
讨论了影响316 L SS_Cu体系的油墨转化率、铜捕获率和有效导热系数的因素
。在300℃下，与316 L SS变形相比，印刷和退火后的复合材料的导热系数分别提高了115%和181%。显微组织分析表明，在退火过程中形成了连续的Cu网络，进一步提高了复合材料的有效导热系数。与变形退火的316 L SS相比，复合材料的显微硬度降低了26%。最后，证明了使用混合LPBF方法制造多金属结构的潜力。
最近的一个研究领域是
开发多材料增材制造(MMAM)工艺
，该工艺能够生产在导热性、耐磨损和耐腐蚀性以及电绝缘方面具有空间定制性能的高性能部件。当零件的使用条件在不同的零件位置不同时，这种结构是有益的，需要在这些零件位置使用不同的材料特性集。在各种金属MMAM技术中，线弧AM (WAAM)和激光定向能量沉积(led)是最常用的用于创建多金属结构的技术。这是由于通过向熔池中注入多根电线或粉末来沉积多种材料的相对简单。然而，
这些方法面临着与尺寸精度和表面粗糙度相关的挑战
。此外，
经常发现很难生产具有复杂几何形状和内部结构的零件
。
与WAAM和led相比，激光粉末床熔融(LPBF)被认为是最适合生产具有复杂设计和复杂内部结构的零件的增材制造技术，同时保持合理的尺寸精度。这归因于几个因素，包括更小的粉末，更细的激光光斑尺寸和更薄的层厚度，使得LPBF有助于制造具有复杂内部结构的高性能部件。近年来，已经开发了几种多材料LPBF方法。
最直接的多材料LPBF方法采用交替叶片。这种方法使用来自两个不同的粉末供应室的粉末交替分层，每个活塞都有自己的分散器和供应室。此外，还开发了一种分体式重涂器储层装置，该装置具有两个单独的粉末容器，从而便于沉积两种不同的粉末。然而，这些系统不能在层内分布，允许在一层内沉积多种材料。这种限制限制了在同一水平面内并排放置不同材料的复杂多材料结构的创建。Fraunhofer IGCV引入了一种带吸粉装置的分离式储层重涂器，以实现层内沉积。然而，在上述系统中，
未使用的粉末之间的交叉污染是不可避免的
。
除了分离式复刻器储层方法外，
超声振动
在多材料LPBF方法中的应用也得到了探索。Open Additive, LLC利用集成了粉末去除装置的多容器料斗来生产功能分级材料。粉末沉积过程包括以下步骤:1)粉末从料斗中沉积;2)由复涂器将沉积的粉末涂抹在构建板上;3)激光固化所需区域;4)去除未使用的粉末。这些步骤对每个材料的每一层重复。这种方法不仅减轻了粉末交叉污染的问题，而且能够在垂直和水平方向上对材料成分进行分级。然而，它引入了一个新的挑战-
由于每层重复粉末沉积步骤，增加了时间
。先前的研究将原位粉末混合机集成到多材料LPBF机中，以消除每层重复分层的需要。尽管如此，基于超声的方法仍然存在固有的挑战，包括
极低的沉积率，这是由逐点超声波给粉造成的，以及低粉床堆积密度
。
为了解决基于分离式储层复涂机和基于超声波方法的固有挑战，
英国的一个研究小组将多个粉末分配器注射器和真空吸盘纳入粉末给料系统。
对于多材料结构的制造，材料沉积过程包括三个步骤:1)超声波粉末点胶，2)激光固结，3)去除未熔化的残余粉末。该过程在单层内重复多次，每次迭代分配不同的材料。虽然这种方法成功地证明了多材料结构的生产，
但由于重复沉积步骤，分层时间增加，这可能会影响生产多材料LPBF部件的成本效益。
另外，
研究人员还探索了一种基于电子照相的方法和基于滚筒的重涂技术
。这些方法分别依靠静电电荷和电场或机械力来选择性地在同一层内沉积不同的粉末，为不需要粉末去除机制的多材料沉积提供了潜在的解决方案。由于它们是最近才推出的，所以全面的信息有限。然而，这些方法的一个潜在问题可能是
孔隙的风险
。粉末被分配到粉末床上，没有任何后续的压实，可能导致不均匀和多孔层。这一点尤为重要，因为先前的一项研究表明，LPBF中的低堆积密度会导致孔隙的形成。
按需材料喷射系统，如喷墨打印、液体点胶机和气溶胶喷射打印，为多材料LPBF系统的发展提供了潜在的集成机会。在喷墨印刷中，液滴的形成要么是通过施加电压时的压电变形，要么是通过加热喷嘴使油墨蒸发。气溶胶喷射印刷将油墨雾化成细小的液滴，然后通过载气输送。同时，在液体分配器和直接墨水书写系统中，压缩气源控制液体的分配。本文演示了
使用混合LPBF实现多材料结构，将相对大量的二次材料掺杂到SS基体中
。
一类可以利用杂化LPBF的有趣材料是导热复合材料。通过调整热物理特性来控制热传递的能力有可能显著提高微通道换热器和连续流微反应器的热性能。通常，这种设备使用耐腐蚀的SS。然而，这种材料缺乏高导热性。在这种情况下，铜(Cu)由于其高导热性而成为一种补充材料，尽管它的机械强度低于SS。鉴于此，最近的研究利用各种方法研究了铁(Fe)或SS与铜结合以增强其导热性的潜力。然而，
虽然这些方法可以生产复合材料，但用这些方法生产多材料结构具有挑战性
。
为了
了解潜在的过程物理和化学，以便制定混合LPBF的工艺策略，提高316 L SS矩阵的导热性。美国俄勒冈州立大学Kijoon Lee等人
研究了
铜前驱体光热分解成元素铜，重点是激光体积能量密度(VED)对铜转化的影响
。进一步，研究了
有效捕获转化铜到SS基体所需的工艺顺序
。此外，还研究了
喷墨打印(IJP)和气动喷射(PJ)两种材料喷射技术对前驱体掺杂和多金属结构转化的适用性
。对其微观结构、导热性和力学性能进行了详细的评价。最后，努力
证明了使用混合LPBF生产多金属热交换器的潜力
。
相关研究成果以“Multi-metal additive manufacturing of selectively doped 316 L stainless steel-copper composite using hybrid laser powder bed fusion”发表在
Addictive Manufacturing上。
链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860424002483?via%3Dihub
图1所示。多金属结构复合LPBF工艺开发的方法学步骤流程图。
图2所示。混合式LPBF工具显示(a)气闸门打开前后(b)延伸至粉末床室，(c)施乐喷墨打印头，(d)安装在与气闸门相连的龙门架上的注射器。
图3所示。甲酸铜络合油墨分解的反应机理。
图4所示。光斑大小(主轴)和相应的VEDs(次轴)的每个扫描速度取决于焦点的移动。
表2。
用于激光转换的基于焦点
位
移和扫描速度的VED值(J/mm3)
图5所示。
说明两种不同工艺策略的工艺步骤的示意图。
表3。
标签
和加工条件。
图6所示。
逆流管
脚/板式换热器截面图。
图7所示。
(a)激光辐照后的试样;(b)显示完全转换券(实心形状)和部分或未转换券(空心形状)的每次焦点移位的VED与扫描速度之比。
表4。
光热转换
铜涂层的组成。
图8所示。
(a)转换铜的顶表面SEM图像，显示纳
米
结构的铜;(b)转换铜在316 L SS上的XRD图(θ-2θ扫描)。
图9所示。
(a)采用气压喷射(PJ)在316 L SS固
结表面沉积前驱体铜墨;(b)采用混合LPBF-PJ制备mmc。
图10所示。316lss与316lss上一亚层铜涂层的反射率。
图11所示。工序B中转换铜的质量与子层的关系。
表5所示。
采用不同工艺对
息票的铜捕获率进行比较。
图12所示。不同激光参数下缺陷形成的OM图像。
图13所示。界面裂纹的SEM图像。
图14所示。印刷和退火后的PJ-B1和PJ-B2板材，包括锻造后的316 L SS[45]在不同温度下的导热系数。
图15所示。a)印刷试样的SEM显微图，b)印刷试样的EDS元素图，c)退火试样的SEM显微图，d)退火试样的EDS元素图。
图16所示。
热传导机理示意图:(左)印件
的离散颗粒结构，(右)退火后的连续网状结构。
表6所示。
PJ-B2复合材料各富cu和富fe相的平均元素组成(wt%)。
图17。
退火钢板的STEM EDS元素映射。
图18所示。
(a)柱上选择性掺杂Cu墨水示意图，(b)
激光转换后的Cu转换示意图，(c)激光转换后的多金属LPBF结构图。
本研究引入了一种与气动喷射分配器集成的混合
LPBF工具，用于在粉末床中选择性掺杂前驱体油墨，从而通过混合LPBF制造多金属结构。
采用
