通过结合激光粉末床熔融技术和场辅助烧结技术，提高多材料AlSi10Mg-cu零件的密度和几何精度

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Enhancing density and geometric accuracy in multi-material AlSi10Mg-cu parts by combining laser powder bed fusion and field-assisted sintering technology

本研究提出一种结合激光粉末床融合（PBF-LB）与场辅助烧结（FAST）的多材料制造工艺，通过控制PBF-LB预制件的孔隙率，利用双模铜粉优化致密化过程，显著改善材料界面质量和几何稳定性。实验表明，PBF-LB/FAST工艺相比选择性粉末沉积（SPD）具有更尖锐的界面（过渡区宽度减少78%）、更小的径向变形（降低至2.4%）和更高的致密性（平均提升2%）。MSC理论在复杂界面几何中存在预测偏差，需考虑有效压力和初始密度匹配的影响。

　　在现代制造业中，多材料制造技术正成为一种重要的发展方向。这种技术能够将功能性或昂贵材料仅放置在需要的位置，从而提升产品的性能并提高资源利用效率，同时避免额外的组装操作。然而，一些传统的多材料制造方法，如多材料激光粉末床熔融（PBF-LB）技术，可能会受到材料冶金不兼容性的影响，从而限制其应用范围。为此，本研究提出了一种创新的方法，结合了PBF-LB的高设计灵活性与固态加工技术——场辅助烧结（FAST）的优势，旨在实现更复杂的多材料结构。

本研究的重点在于使用PBF-LB技术制造具有可控孔隙率的AlSi10Mg预成型体，随后通过FAST技术使用周围纯铜粉末进行烧结，从而实现多材料结构的高密度化。通过采用半球形界面作为测试模型，研究者分析了预成型体密度对最终结构密度和几何精度的影响，包括轴向和径向的变化。此外，还将该方法与选择性粉末沉积（SPD）技术进行了比较。SPD技术通过在粉末床中逐层沉积图案化的粉末，再进行烧结，但其生成的界面较为模糊，而PBF-LB/FAST方法则能够实现更清晰的材料过渡和更少的交叉污染。

然而，研究也发现，当使用多孔预成型体时，其在FAST过程中会受到更大的径向变形。这种变形可以通过与预成型体匹配的双峰分布铜粉末来缓解。此外，双峰粉末在多材料结构中的应用使得最终密度高于SPD方法所得到的结果。这些发现表明，利用PBF-LB制造的多孔预成型体，不仅有助于在FAST过程中实现更均匀的烧结，还能支持更复杂的几何结构设计，为未来可能的应用提供了新的可能性。

本研究还探讨了多材料结构的制造过程，并对不同材料的特性进行了详细分析。使用的铜粉粒径为15-32 μm和45-105 μm，通过混合比例形成双峰分布，以实现更高的堆积密度。AlSi10Mg粉末则采用20-63 μm的粒径分布。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）技术，研究者对粉末的微观结构和成分分布进行了表征。结果显示，不同粒径的粉末具有不同的形态特征，其中AlSi10Mg粉末的球形度较低，且存在更多的次级颗粒。

在PBF-LB制造多孔AlSi10Mg预成型体的过程中，研究者探索了不同激光功率和体积能量密度（VED）对预成型体密度的影响。实验结果表明，随着VED的增加，预成型体的相对密度呈近似线性增长，而较高的激光功率（如360 W）能够带来更高的密度。同时，预成型体在制造过程中也表现出一定的机械稳定性，这得益于优化的扫描策略和加热构建板的应用。此外，预成型体的轮廓设计有助于提高其在烧结过程中的稳定性，减少与刮刀碰撞带来的影响。

在多材料烧结过程中，研究者还对三种粉末（AlSi10Mg、15-32 μm铜粉和双峰铜粉）的主烧结曲线（MSC）进行了分析。MSC理论能够有效描述单一材料在FAST过程中的烧结行为，但当应用于多材料结构时，特别是具有半球形界面的结构，其预测效果受到一定限制。这是因为多孔预成型体在烧结过程中可能会导致有效压力的降低，从而影响烧结速率。同时，双峰铜粉的使用使得烧结过程中的压力分布更加均匀，有助于实现更高的最终密度。

在烧结后的结构分析中，研究者使用了数字显微镜和EDX技术，对不同加工路线下的多材料结构进行了详细的几何和成分分析。结果显示，SPD方法制造的多材料结构在轴向方向上表现出较大的变形，而PBF-LB/FAST方法则能够更有效地控制材料过渡的清晰度和减少交叉污染。特别是在半球形界面处，PBF-LB/FAST方法表现出更窄的材料过渡区域，且其结构在烧结后保持了较高的几何精度。相比之下，SPD方法由于粉末沉积的逐层特性，其生成的界面更为宽泛，尤其是在与沉积方向平行的区域。

研究还发现，尽管SPD方法能够制造复杂的多材料结构，但由于同时处理不同材料，容易出现交叉污染问题，这在一定程度上影响了最终结构的质量。而PBF-LB/FAST方法则通过分步处理，将材料制造和烧结过程分开，从而有效减少了材料之间的相互影响，提高了结构的均匀性和界面的清晰度。此外，双峰铜粉的使用不仅有助于提高最终密度，还能减少径向和轴向方向上的变形，这为未来多材料结构的设计和制造提供了新的思路。

通过对比两种不同的制造路线，研究者得出了以下主要结论：首先，使用具有工程化孔隙率的PBF-LB预成型体，可以更有效地实现多材料结构的均匀烧结，从而减少几何变形。其次，预成型体的初始密度与周围材料的密度匹配，能够显著降低烧结过程中出现的非预期变形。第三，虽然MSC理论在单一材料烧结过程中表现良好，但在多材料结构中，特别是具有复杂几何形状的结构，其预测效果存在偏差，这可能是由于预成型体对有效压力的限制以及烧结过程中材料间的相互作用所致。最后，SPD方法虽然在制造复杂结构方面具有优势，但其材料过渡区域较为宽泛，而PBF-LB/FAST方法则能够实现更清晰、更均匀的材料过渡，这表明后者在多材料结构制造中具有更大的潜力。

本研究不仅为多材料制造技术的发展提供了新的思路，也为未来多材料结构的优化设计和高效制造奠定了基础。通过合理设计预成型体的孔隙率和使用匹配的双峰粉末，可以显著提升多材料结构的烧结效果和几何精度。此外，研究还揭示了MSC理论在多材料结构中的局限性，提示未来需要进一步改进模型，以更准确地预测复杂结构的烧结行为。这些发现对于推动先进制造技术在多个领域的应用具有重要意义，特别是在需要高导电性和导热性、同时具备良好抗腐蚀性能的运输和电气行业中。