采用仿生手指结构接口的Ti64/AlSi10Mg复合材料的多材料激光粉末床熔融成型技术

《Journal of Materials Research and Technology》：Multi-material laser powder bed fusion of Ti64/AlSi10Mg composites with bionic finger-inserted interface

三维多材料钛合金/铝合金仿生界面结构设计与激光粉末床熔融制备技术研究，通过五层指插入式界面（FII）结构实现抗拉强度提升156%（99 MPa→254 MPa），但延伸率低于1%。关键发现包括：材料互扩散形成AlTi2/TiAl3等脆性化合物，β相比例增加导致显微硬度超过500 HV，界面裂纹源于热膨胀系数差异和材料相容性问题。

　　本研究聚焦于利用自然生物结构中常见的交错微结构设计，探索通过多材料激光粉末床熔融（LPBF）技术制造具有增强机械性能的三维多材料Ti64/AlSi10Mg复合结构。通过这种仿生设计，研究团队成功制造出具有高精度和精细特征的结构，并验证了其在提升材料性能方面的潜力。该研究不仅展示了多材料复合结构在机械性能上的显著提升，还揭示了其在制造过程中的关键挑战。

在自然界中，许多生物结构通过独特的交错界面实现卓越的结合性能，例如鱼类的骨板、鹿的头骨等。这些结构的核心机制在于通过复杂的界面形态增加接触面积，从而实现均匀的应力传递。基于这一灵感，研究团队设计了具有不同交错层数的复合结构，包括单层、三层和五层结构，并通过一步多材料LPBF工艺实现了制造。实验结果表明，随着交错层数的增加，复合结构的拉伸强度显著提升。例如，五层结构的拉伸强度达到了254 MPa，比单层结构提升了156%，这表明交错层数对结构性能具有重要影响。然而，尽管拉伸强度得到提升，复合结构的延展性仍相对较低，不足1%。这说明在提高强度的同时，如何改善延展性仍是一个关键问题。

通过X射线衍射（XRD）、能量色散光谱（EDS）和电子背散射衍射（EBSD）等技术对复合结构的微观结构进行了详细分析。结果表明，AlSi10Mg与Ti64之间的界面处发生了显著的元素扩散，并形成了多种金属间化合物，如AlTi2和TiAl3。这些化合物的形成可能与材料在高温熔融过程中的相互作用有关。此外，研究发现，由于多材料LPBF过程中Al和Si元素的引入，Ti64的典型α/α′马氏体微观结构被改变为更接近等轴的形态，并且β相的比例显著增加。这种微观结构的变化与分散强化效应相结合，使得复合结构的显微硬度显著提升，超过了500 HV。这表明，材料的微观结构演化在提升机械性能方面起到了重要作用。

然而，尽管制造过程中实现了良好的冶金结合和几何精度，但某些局部区域仍存在微裂纹。这些裂纹可能与残余应力和材料不兼容性有关。在制造过程中，由于Ti64和AlSi10Mg具有显著不同的热膨胀系数（CTE），导致在冷却过程中产生较大的热应力。此外，两种材料之间的冶金不兼容性也促使了脆性金属间化合物的形成，这些化合物在固相线收缩或外部载荷作用下容易发生裂纹。因此，微裂纹的存在限制了复合结构的机械性能，特别是在延展性方面。

通过显微硬度测试和拉伸实验，研究团队对不同交错层数的结构进行了性能评估。结果表明，随着交错层数的增加，复合结构的硬度和拉伸强度均显著提高。然而，即使是五层结构，其硬度和拉伸强度仍低于单层材料的性能。这说明，虽然交错结构能够有效分散局部应力，但其整体性能仍受到界面缺陷的限制。此外，研究还发现，五层结构的拉伸强度虽然显著高于单层结构，但其强度仍低于传统铝硅合金的强度，表明在进一步优化界面设计和制造工艺方面仍有空间。

在进一步的分析中，研究团队通过扫描电子显微镜（SEM）对断裂表面进行了观察，发现裂纹主要出现在Ti64/AlSi10Mg界面附近。这表明，界面的冶金结合强度和结构设计对整体性能具有重要影响。特别是TiAl3等脆性金属间化合物，不仅具有较高的强度，但同时脆性较大，成为裂纹萌生和扩展的主要区域。此外，AlSi10Mg区域中还存在孔隙缺陷，这些孔隙可能成为应力集中点，加速裂纹的形成。

研究还指出，多材料LPBF制造过程中，粉末交叉污染是一个亟待解决的问题。由于AlSi10Mg的密度较低，其粉末在制造过程中更容易被空气流动和负压吸附带入Ti64的熔融区域，导致局部污染。这种污染现象在不同材料的界面处表现出不对称性，表明当前的制造参数需要进一步优化，以减少粉末污染对结构性能的影响。

此外，研究团队还对不同结构的制造工艺进行了比较。结果显示，采用多材料LPBF制造的复合结构在强度方面优于传统的单材料制造工艺。例如，五层结构的拉伸强度接近传统铝硅合金的强度，但其延展性仍然较低。这表明，尽管交错结构能够显著提升强度，但在延展性方面仍存在不足。因此，如何在提升强度的同时改善延展性，是未来研究的重要方向。

总体而言，这项研究验证了多材料LPBF技术在制造高性能、仿生的Ti64/AlSi10Mg复合结构方面的可行性。通过优化界面设计和制造参数，可以进一步提升结构的机械性能。然而，当前的研究仍面临一些挑战，如残余应力、材料不兼容性以及粉末交叉污染等问题。这些挑战需要通过更精细的工艺控制和材料设计来解决，以实现更高性能的复合结构。未来的研究方向可能包括开发更先进的多材料制造技术，优化制造参数以减少粉末污染，以及探索更有效的界面强化策略，以进一步提升复合结构的性能。