基于激光粉末床熔融的双钢负热膨胀超材料设计与性能研究

本综述系统探讨了利用激光粉末床熔融（LPBF）技术制备304L不锈钢（SS）与300级马氏体时效钢（MS）双材料负热膨胀（NTE）超材料的创新方法。研究通过优化工艺参数（如能量密度E=P/(v×h×t)）实现高强度界面结合，结合有限元分析（FEA）与数字图像相关（DIC）实验验证了八角形和十二角双锥晶格结构的优异NTE性能（CTE达-5.41×10-6 m/(m·°C)），为航空航天和精密仪器领域热稳定性结构设计提供新范式。

　　

材料设计与制备方法

研究采用气体雾化法制备的15-45μm粒径MS300与SS304L粉末，通过EOS M280型LPBF设备在氩气保护环境下（氧含量<0.1%）进行多材料打印。创新性地采用垂直方向材料交替策略：先打印SS304L基体后暂停工艺，彻底清舱后更换MS300粉末，在界面区域采用特殊工艺参数（能量密度57-75 J/mm³）处理5个过渡层，最终实现150-200μm厚的元素互扩散界面区。

界面微观结构与力学特性

扫描电镜（SEM）与电子背散射衍射（EBSD）分析揭示界面形成梯度过渡结构，Marangoni对流导致熔池内元素循环混合，产生Cr、Ni等元素的浓度梯度分布。纳米压痕测试显示界面区域硬度从SS侧的300HV渐变至MS侧的430HV，划痕测试中穿透深度从5μm（SS区）降至4μm（MS区），证实界面力学性能的连续性。拉伸试验所有试样均断裂于SS基体区域（抗拉强度650MPa，延伸率40%），证明界面结合强度高于SS本体。

负热膨胀晶格设计原理

基于Maxwell准则（M=s-3n+6）设计拉伸主导型晶格单元，通过双锥体 tegum 乘积运算构建六角形、八角形和十二角形双锥单元。关键设计约束包括：①水平层材料一致性 ②无支撑制造 ③限制悬垂长度。FEA模拟显示十二角双锥单元在300°C时呈现最优NTE性能（垂直收缩量0.0483mm，CTE=-5.79×10^-6 m/(m·°C)），其多边结构有效减少悬垂长度提升制造可行性。

热膨胀性能实验验证

采用双相机DIC系统在20-320°C温度区间监测晶格热变形，每10°C保温3分钟后采集数据。实验结果与FEA预测趋势一致：八角形（CTE_exp=-5.41×10^-6）和十二角形晶格（CTE_exp=-5.65×10^-6）与模拟值偏差仅1.3-2.5%，而六角形晶格因制造变形出现27.7%偏差。所有晶格在300°C均保持负膨胀特性，但NTE效应随温度升高而减弱，源于材料本征CTE的温度依赖性。

工艺参数优化机制

通过设计实验（DOE）矩阵系统优化激光功率（185-350W）和扫描速度（520-1320mm/s），发现64.2J/mm³（MS300）和62.5J/mm³（SS304L）能量密度可实现>99.6%致密度。过低能量密度导致未熔合孔隙，过高能量密度引发球化效应和锁孔气孔。界面最佳工艺窗口为64-75J/mm³，此时熔池深度约100μm、宽度120μm，形成无缺陷的细胞枝晶凝固组织。

应用前景与挑战

研究证实LPBF制备钢基NTE超材料的可行性，其性能可通过调整晶格几何参数（多边形边数、支杆厚度比）和材料组合进行定制化设计。当前挑战包括：①多材料打印中的粉末交叉污染控制 ②薄支杆结构的热变形控制 ③长期热机械疲劳性能评估。该技术为航天光学系统、精密仪器支架等热稳定性要求极高的领域提供创新解决方案。