通过蓝光激光定向能沉积增材制造技术实现铝/铜双金属的高强度与耐腐蚀性

《Additive Manufacturing》：Achieving high strength and corrosion resistance of Al/Cu bimetals via blue-laser directed energy deposition additive manufacturing

　　

Xiaolin Zhang|Zijue Tang|Maosong Wang|Huihui Yang|Yi Wu|Yongbing Li|Haowei Wang|Hongze Wang

摘要

铝/铜双金属结构在先进换热器、海洋部件及电气系统领域具有巨大应用潜力。然而，由于这类材料对红外激光的高反射率，以及易形成脆性金属间化合物和裂纹，其通过增材制造实现并不容易。本研究采用蓝光激光定向能量沉积技术提升材料的吸光性，并借助原位X射线成像技术观察熔池动态，从而了解界面形态与金属间化合物形成的机制。通过X射线成像，研究首先发现了两种不同的熔池动态：在高热输入条件下，过度混合模式会促进铝和铜元素的相互作用，进而导致宏观裂纹的产生；而受限混合模式则会使界面呈现锯齿状，抑制脆性金属间化合物的形成。该铝/铜双金属结构的最大剪切强度为132MPa，这一数值高于以往的研究结果，且其耐腐蚀性能优异，腐蚀电流密度比基体低21%。这种优异的结合强度得益于锯齿状界面，它能将剪切测试过程中产生的裂纹引向富含铜的应力吸收区域。本研究为通过蓝光激光定向能量沉积技术制造无裂纹、高性能的多材料部件提供了新途径。

引言

在工程领域，多材料部件因其能够带来单一材料无法实现的卓越多功能性能而备受关注。铝/铜双金属结构结合了铝的高比强度以及铜出色的热导性、电导性和耐腐蚀性，因此被广泛用于电气、海洋工程和换热器等领域。激光定向能量沉积技术能够精确控制成分，非常适合用来制造这类具有梯度特性的材料。不过，在高热梯度作用下，元素偏聚以及脆性金属间化合物的形成会促使裂纹产生。熔池内的元素扩散和偏聚现象受激光、粉末与基体之间相互作用的影响，加工策略会显著改变这些现象。高能量输入会引发马兰戈尼对流和反冲压力，促使元素从基体向涂层层迁移。有研究指出，良好的润湿性以及强烈的马兰戈尼流动带来的充分元素扩散有助于提升结合强度，但对于容易形成金属间化合物的不同材质，还需控制热输入量。原位同步辐射X射线成像技术可以捕捉不同材料中的这些瞬态动态。通过X射线成像获得的铝/铜熔池流动模式与非平衡凝固模型相结合，可快速筛选出合适的成分和工艺参数。在增材制造的非平衡凝固过程中，相的形成会偏离平衡状态，使得α-Al、Al?Cu和Al?Cu?相的溶解度增加。虽然高速冷却可以抑制金属间化合物的生长，但会加剧残余应力和裂纹问题。通过结合高速定向能量沉积技术与残余应力模拟，已经可以制造出无裂纹且金属间化合物得到控制的铝/铜部件。不过，红外激光定向能量沉积往往存在加工窗口窄、粉末捕获效率低的问题，而蓝光激光定向能量沉积则有望以更低的能量输入来沉积铝和铜合金这类高反射率材料。金属间化合物是决定材料性能的关键因素。沉积在铝基体上的层的剪切强度受成分、界面微观结构以及缺陷等多种因素的共同影响。有研究显示，增加铜的含量可以提高剪切强度，还能使铝合金基底上的高熵合金涂层的断裂模式从脆性转变为延性断裂。这种结合强度的提升源于元素在界面处的扩散以及金属间化合物的形成，不过过厚的金属间化合物层反而会引入脆性和应力集中，降低剪切强度。此外，涂层厚度和孔隙率等因素也会显著影响材料的机械性能。研究表明，外部载荷作用下，涂层厚度增加会加剧与铝基体的应变不匹配，而较高的孔隙率则会导致界面处应力集中，这两者都会降低剪切强度。有趣的是，某些特定的金属间化合物形态反而可能有益。例如，界面处Cu?Al?相呈带状排列时，可以将扩展的裂纹引向相邻的较软区域，从而增强结合强度。关于激光定向能量沉积技术在铝基体上制备铜涂层时的具体剪切断裂机制，仍有待进一步研究。腐蚀性能同样受界面微观结构的影响。不同相之间的电化学势差异会形成微电偶，从而导致选择性腐蚀。较高的铝含量有助于形成连续的防护性Al?O?膜，从而提升材料的整体耐腐蚀性。此外，减小Al?Cu颗粒的尺寸并实现更均匀的铜溶质分布，也有利于提升腐蚀性能。在CuCrZr合金腐蚀过程中，若铬和锆以沉淀相的形式存在，其电极电位低于铜基体，因此会优先发生阳极溶解。研究表明，锆对铜合金耐腐蚀性的负面影响比铬更为显著。尽管已有诸多研究成果，但关于利用定向能量沉积技术制造铝/铜双金属结构的研究仍然相对较少。

本研究提出了一种利用蓝光激光定向能量沉积技术制备高质量铝/铜双金属结构的新方法。通过原位X射线成像技术，研究了蓝光激光沉积所具有的低能量输入对材料混合模式以及金属间化合物形成的抑制作用。此外，本研究还引入了一个无量纲的佩克莱特数，用以量化工艺参数对熔池流动、金属间化合物形成以及结合强度的综合影响，从而阐明了锯齿状界面提升材料机械性能的机制。这项研究证明了蓝光激光定向能量沉积技术在制造高反射率双金属部件方面的应用潜力。

章节节选

蓝光激光定向能量沉积工艺流程

由于铝和铜合金具有高反射率，使用传统的红外激光进行沉积存在很大困难。在本研究中，采用了波长为450纳米的蓝光激光来沉积铝-铜双金属结构。铜铬锆粉末（成分：0.8wt.%铬，0.2wt.%锆，其余为铜）被沉积在AlSi7Mg基体上。详细的材料成分见表1。蓝光激光定向能量沉积的实验装置包括一台蓝光激光器

蓝光激光定向能量沉积技术助力高反射率材料的稳定沉积

图2展示了使用不同激光源进行铝/铜双金属结构定向能量沉积时熔池的特征。

• (1)
  在低能量红外激光照射下（见图2a-c），由于铜铬锆粉末的高反射率，其很难被熔化。粉末P_i的情况就能体现这一点。在时间t = t₀时，粉末P_i撞击到熔池表面并漂浮在其上方。到t₀ + 2毫秒时，粉末通过热传导开始部分熔化，形成蝌蚪状的形态

熔池动态对界面形态的影响

在结果部分，研究了P/V比和F/V比对界面形态以及裂纹形成的影响。为阐明激光功率和粉末供给参数对熔池动态的耦合效应，本研究引入了净线性能量输入ΔQ这一概念：$?Q=Q_i?Q_p$$Q_i={\eta }_s\frac{P}{V}$$Q_p=?H_f\frac{F}{{\eta }_{p}V}$其中，Q_i表示线性能量输入，Q_p是为熔化入射粉末所需的线性能量，η_s是基体的激光吸收率，η_p是粉末的吸收率，ΔH_f则是熔化热。当P/V比较大时

结论

本研究成功利用蓝光激光定向能量沉积技术制造出了具有优异机械性能和耐腐蚀性的铝/铜双金属结构。通过采用受限混合模式，得到了锯齿状界面，有效抑制了金属间化合物的形成以及裂纹的扩展。研究结论如下：

• 1.
  由于铝/铜双金属对红外激光具有高反射率，低能量输入会导致较差的冶金结合效果，而高能量输入

作者贡献说明

王洪泽：论文撰写——审阅与编辑。吴毅：结果验证、项目管理。李永兵：数据可视化、资源协调。王浩伟：论文撰写——审阅与编辑、课题指导。张晓林：论文初稿撰写、实验研究。唐志杰：研究方法设计、概念构思。王茂松：实验研究、数据整理。杨慧慧：资金筹集、统计分析。

利益冲突声明

所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。