2026年2月20日，诺丁汉大学增材制造中心(CfAM)的研究人员与制造技术中心(MTC) 和Autodesk Research合作，分析了界面取向如何影响激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺中IN718 和 GRCop-42的缺陷形成和微观结构演变。
相关研究以题为“Effect of interface orientationin laser powder
bed fusion of IN718/GRCop-42 bimetallic parts for
Aerospace”的论文发表在《增材制造快报》上，评估了水平、垂直和倾斜界面，以确定沉积顺序和重涂方向如何影响航空航天相关双金属零件中的合金混合和相形成。
这项工作的重点是火箭燃烧室等部件，其中IN718提供高温强度，而 GRCop-42（一种由 NASA 开发的 Cu-Cr-Nb 合金）增强散热。
对水平方向的IN718/GRCop-42界面进行背散射和成分分析，结果显示存在未熔合缺陷和晶粒细化现象。图片来自Bulloch等人
采用选择性粉末沉积的多材料激光粉末床熔融成型
为了制备双金属样品，研究人员使用了配备1 kW连续波镱光纤激光器（光斑直径80
μm）和舍弗勒Aerosint选择性粉末沉积（SPD）重涂机的AconityMIDI+激光粉末床熔融（LPBF）系统。SPD系统能够在一次重涂过程中实现空间可控的多材料沉积，从而允许将不同的粉末放置在每一层的特定区域。样品制备过程中采用了水平界面、垂直界面以及IN718和GRCop-42之间45°角过渡三种界面。对于每种几何形状，均测试了两种沉积顺序。在一些样品中，IN718沉积在GRCop-42上；而在另一些样品中，沉积顺序则相反。此外，还改变了相对于界面平面的重涂方向，以评估粉末扩散如何影响合金分布和界面微观结构。
用于多材料激光粉末床熔融（LPBF）的舍弗勒Aerosint选择性粉末沉积（SPD）重涂机的示意图。图片来自Bulloch等人
沉积顺序会影响水平界面缺陷
对于水平界面，沉积顺序至关重要。当IN718沉积在GRCop-42上时，界面处会形成未熔合（LoF）缺陷。背散射成像显示了未熔化的IN718颗粒。作者将这种现象归因于铜合金基底的高导热性，它能快速散热并降低熔池温度。在前几层IN718沉积过程中增加激光功率可以减轻这些缺陷。 颠倒沉积顺序改变了结果。将GRCop-42沉积到IN718上并未产生LoF缺陷。相反，界面处发生了显著的合金混合。X射线衍射表明，在界面附近出现了一个小的附加峰，与过渡线以上富铜区域中的体心立方α-Cr相一致；而电子背散射衍射（EBSD）则揭示了晶粒细化和外延生长的证据。
重涂方向会影响垂直和倾斜界面
对于垂直和倾斜界面，重涂方向的方向对于界面相起着至关重要的作用。当界面平面垂直于重涂方向时，第一层沉积材料会大量渗入第二层区域。在某些情况下，观察到与粉末沉积不规则性相关的孔隙，这与水平界面中观察到的热导率驱动的LoF缺陷截然不同。当界面平面与重涂层方向平行时，界面处会形成逐渐的成分过渡。作者认为，这种梯度效应有助于降低合金间热膨胀系数不匹配引起的应力集中。
垂直和倾斜的IN718/GRCop-42界面成分图显示了材料交叉和梯度形成随重涂方向的变化。图片来自Bulloch等人
界面处的微观结构演变
微观结构分析揭示了基于混合行为的明显差异。在富铜区域中镍污染显著的区域，晶粒呈现出柱状晶向等轴晶的转变以及局部晶粒细化，界面处富铜区域晶粒较细，而富镍区域晶粒较粗。在成分边界更清晰的样品中，柱状枝晶结构得以保留。
总体而言，研究表明界面相对于构建方向和重涂层方向的取向直接影响IN718/GRCop-42双金属 LPBF 结构中的合金混合、相演变和缺陷形成。虽然作者表明在某些配置下可以实现无缺陷界面，但他们指出，还需要进一步的拉伸和疲劳测试来确定取向驱动的微观结构差异如何影响热循环下的机械性能。
界面可靠性仍然是多金属增材制造中的一个关键障碍
近期的研究项目同样聚焦于在极端环境下连接不同金属的挑战。一项由英国主导的项目正在探索用于聚变能源材料的增材制造方法，研究如何将钨和铜等金属结合以承受严苛的温度梯度。与诺丁汉大学的研究类似，这项工作也反映了一个更广泛的技术难题：尽管多金属体系有望实现定制化的热性能和机械性能，但对界面微观结构的可靠控制仍然是其在高温应用中部署的关键障碍。
硬件技术的进步也拓展了多材料应用能力。苏黎世联邦理工学院的研究人员近期展示了一种高速多材料粉末床熔融系统，旨在提高材料铺放效率。然而，仅靠机器性能无法解决冶金的复杂性。正如诺丁汉大学的研究结果表明，沉积顺序、重涂方向和界面取向会显著改变混合行为和缺陷形成，这表明，对于航空航天和其他极端环境应用而言，对工艺-结构的理解与硬件创新同样重要。
来源：南极熊
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