蓝色激光定向能量沉积纯Cu-316不锈钢多材料|《JAC》

zhiyongz 16分钟前阅读数 #新材料

       铜等具有高导热性和导电性的金属抗拉强度有限，这限制了它们在工业领域的广泛应用。通过设计和制造多材料结构，可以实现功能和结构部件的集成。本研究探讨了利用蓝色激光定向能沉积（BL-DED）技术制造的铜-不锈钢（Cu-SS）多材料结构的机械和物理性能。通过优化工艺参数，实现了铜和不锈钢的高相对密度。通过对界面微观结构、元素分布以及热导率、电导率和机械性能的综合分析，揭示了不同铜-SS比例下铜-SS多材料的性能差异。
      结果表明，随着SS含量的降低，Cu-SS结构的热导率显著提高，而机械性能则明显降低。由于铜和SS的导电率存在很大差异，涡流导电率表现出明显的测量侧依赖性。此外，通过理论建模和实验验证，建立了铜-不锈钢多材料结构性能的平衡关系，为实现多材料结构的高导热性、高导电性和高强度提供了优化框架。这项研究为先进工程部件的功能和结构集成设计与制造提供了新的见解。
      具有独特机械和物理特性的多材料结构已成为在先进工程组件中实现结构-功能集成的关键策略。在各种增材制造技术中，激光定向能量沉积（L-DED）已被证明在制造具有复杂几何形状的组件方面具有无与伦比的能力，从而为集成制造提供了可行的解决方案。316 L不锈钢（SS）以其出色的耐腐蚀性和机械性能而闻名，在工业领域具有重要意义。然而，在某些特定应用中，SS无法满足对导热性和导电性的严格要求。纯铜以其卓越的热性能和电性能而著称，是应对这一挑战的最佳材料。由L-DED制造的Cu-SS多材料具有高机械强度以及卓越的导热性和导电性，已在航空发动机、热管理器、汽车和模具中得到广泛应用。
     Cu-SS多材料的增材制造工艺和性能已得到广泛研究。Chen等对宏观和微观结构、微裂纹特性和析出演变进行了全面分析，将这些现象归因于液态金属脆化。Tan等进一步评估了工艺参数对界面缺陷的影响。Tomar等观察到通过电弧增材制造制造的多材料结构的机械性能的各向异性变化。这些研究共同揭示了界面处的缺陷（如气孔和裂纹）显著导致了机械性能的恶化。因此，界面的设计和缺陷的缓解已成为突出的研究课题。Yadav等采用了三种成分分级方法来研究界面偏析和微裂纹增长行为。此外，Zhang等引入了一种中间金属（In718）来实现无缺陷界面，从而提高了梯度结构的热导率和热扩散率。然而，Cu及其合金对在980-1080 nm范围内工作的红外激光器的高反射率导致了严重的能源浪费，使加工效率低下且成本高昂。
      Cu对短波长激光器（如蓝色激光器或绿色激光器）表现出明显更高的吸收率。在室温下，蓝色激光器对Cu的吸收率为 60%，明显高于红外激光器。因此，Cu及其合金的蓝色激光增材制造越来越受到关注。Liu等率先应用蓝色激光制造纯铜立方结构，突出了与传统红外激光技术相比的优势。随后，Cu和SS的结合在不锈钢基板上成功实现。此外，还对熔池流动特性进行了详细的模拟和分析。值得注意的是，现有的研究主要集中在可成形性和熔池特性上，而忽视了对机械和物理性能（导电性和导热性）的深入研究。在使用蓝色激光增材制造纯铜的背景下，这种遗漏尤为明显，这可能是由于激光器的能量密度相对较低。
      本研究最初研究了Cu-SS多材料的界面属性和微观结构。随后，评估了多材料的热导率、电导率和机械性能。该研究采用串联结构模型和有效介质渗流理论来阐明由成分差异引起的热导率差异。此外，还评估了电导率的半定量评估。最终，这项工作中的发现和解释提供了对平衡选择方法的定性描述，以实现Cu-SS结构的最佳热（或电）导率和机械强度。该研究是使用华南理工大学内部开发的蓝色激光定向能量沉积（BL-DED）系统进行的，如图1所示。蓝色激光器波长为455 nm，最大工作功率为1000 W。

Fig. 1. Blue laser directed energy deposition system used for this study.

Fig. 3. Manufacturing process of Cu-SS multi-materials. (a1)-(a4) illustrate the schematics of the fabrication process of the material structure. (b1)-(b3) demonstrate the fabricated samples. (c1)-(c2) show the dimensions of research samples. (d1)-(d2) exhibit the samples used for testing.

图4b、c说明了SS和Cu的相对密度与LEPF的关系。据观察，两种材料的相对密度最初随着LEPF的增加而增加，然后略有降低。在本研究中，SS和Cu在LEPF值分别为 4.98 kJ/g 和 13.37 kJ/g 时达到最高，分别为 99.25% 和 91.52%。这些最佳条件对应于SS的600W和Cu的900 W的蓝色激光功率，随后用于进一步的实验。

Fig. 4. Optimization of process parameters for blue laser directed energy deposition of SS and Cu. (a) Schematic of the samples used for relative density measurement, (b) and (c) demonstrate the variation of relative density with LEPF for SS and Cu, respectively, with representative OM images.

图6显示了Cu-SS界面的OM图像。衬底材料（SS）被蓝色激光熔化并转移到Cu区域，最终导致偏析。值得注意的是，与熔池中心相比，熔池边界处富含SS的区域更为明显，从而划定了明显的鱼鳞边界，如图6b所示。混合区（MZ）的平均宽度为1156毫米（通过图 6a 的比例评估），几乎是层厚的两倍。这一观察结果表明，衬底和MZ的上部主要在最初两个Cu层的沉积过程中被蓝色激光熔化。随后的沉积没有导致底层SS 的进一步转移。当温度高于液相线时，液态Cu和SS会相互融合并溶解。然而，由于L-DED工艺固有的高过冷度，流体转变为不稳定的混溶状态。随着金属流体的温度急剧下降，熔点较高的SS首先沉淀并凝固。熔池边界的温度梯度明显高于中心，导致边界处的SS 沉淀量增加，并形成不规则的富含SS的区域，如图 6c-e 所示。

Fig. 6. OM images of the Cu-SS interface: (a) clear interfacial structure, (b) melt pool mixing zone and tracks, (c)-(e) are localized magnified images of (b) showing SS-rich particles and regions and pores.

Cu-SS界面的微观结构如图7 a-c 所示。在混合区内，在富含SS颗粒的地方观察到不同的界面。显微镜检查显示，在富含SS的区域存在微孔，这归因于快速凝固和溶质扩散延迟。值得注意的是，Cu在熔池中表现出不规则的片状形态，并伴有分散的富含SS的颗粒，如图7c所示。图7d-f 中随后的EDS图像集中在图7a 中划定的区域。元素分析显示SS区中Cu的稀缺性，而混合区中Cu的普遍存在。图7d中所示的黑色区域突出了富含SS的颗粒的形态和分布，与之前的观察结果一致。

Fig. 7. Microstructure and EDS analysis of the Cu-SS interface. (a) SEM and (b) OM images of the interface, (c) SEM image of the microstructure in the mixed region, and (d)-(f) the elemental distributions and contents of Cu, Fe and Cr in Fig. 4(a), respectively.

沿成形方向（BD）的线扫描EDS进一步评估，如图10所示。图11说明了Cu-SS界面处晶粒形态、取向和尺寸分布的结果。在界面处鉴定出SS的面心立方（FCC）和体心立方（BCC）相。

Fig. 10. Line-scan EDS elemental analysis results from SS zone, mixed zone to Cu layers. (a) SEM image of the scanning area and (b) elemental distribution results.

Fig. 11. EBSD results at the Cu-SS interface. (a) IPF map projecting along the build direction (BD). (b) grain shape distribution map, where colors represent the grain shape factor (GSh). (c)-(e) polar diagrams corresponding to Cu, BBC-Fe and FCC-Fe phase, respectively. (f) and (g) the grain size distribution of Cu and Fe, respectively.

图12说明了热导率（k）和热扩散（α），温度为Cu-SS多材料。热流沿成形方向传播，依次穿过SS区、混合区和Cu区。Cu-SS多材料结构的显微硬度测试沿沉积方向进行，覆盖3 mm的距离，如图13a所示。在SS区内，平均硬度值为203.09 HV，而在过渡到MZ时，观察到硬度显着降低（平均为142.63 HV）并伴有显着波动。Cu区的平均硬度值最低，为 80.57 HV。Cu-SS多材料、纯Cu和SS的代表性拉伸曲线如图13b所示。

Fig. 12. Thermal conductivity and thermal diffusion of the samples with HCu:HSS=1:2 and 2:1.

Fig. 13. (a) Microhardness of Cu-SS interface and (b) tensile curves of pure Cu, Cu-SS multi-materials and SS fabricated by BL-DED.

Cu-SS多材料结构的机械性能、电导率和导热率直接受微观结构、缺陷和元素分布等因素的影响。基于本文对Cu-SS多材料结构的性能测试和分析，他们试图成形机械性能和热/电导率之间的平衡关系，如图 16 所示。随着 Cu 含量（厚度）的增加，出现了三个不同的阶段。I：较高的机械强度，但导热性和导电性有限;II：高机械性能以及导热性和导电性;III：导热性和导电性高，但机械强度不足，无法承受重载荷。在实际工程应用中，可以根据具体要求选择合适的 Cu/SS 含量比，以实现机械性能和热/电导率的理想平衡。值得注意的是，当 Cu 含量接近 100% 时，涡流电导率会降低，这是由于缺陷的增加。

Fig. 16. Balance between mechanical properties and thermal/electrical conductivity of Cu-SS multi-material structures.

1.Cu-SS界面定义明确，具有富含SS的不同区域和混合区。混合区主要由铜组成，SS以颗粒形式分布。在界面处鉴定出SS的FCC和BCC相，平均晶粒尺寸分别为4.63 μm和3.32μm。混合区的微观结构以等轴晶粒为特征，而SS区则表现出蜂窝状结构。

2.Cu-SS结构的导热系数和导电性随着铜含量的增加而显著增加，而抗拉强度降低。Cu：SS比为2：1的Cu-SS结构在327 K时达到了169.32 W·m⁻¹·K⁻¹ 的最高导热系数，导电率为 84.33% IACS。它还表现出 10.7 MPa 的拉伸强度和17.55% 的伸长率，表现出优异的综合性能。基于热阻模型和有效介质渗流理论的计算揭示了SS厚度对热导率的显著影响。

3.基于实验结果和理论分析，建立了Cu-SS多材料结构的力学性能与热/电导率之间的平衡关系。通过调整铜与不锈钢的比例，可以实现高导热性、高导电性和高强度的最佳组合。这为高级工程应用中多材料结构的设计提供了理论基础。