雙金屬結(jié)構(gòu)正在成為當(dāng)前金屬3D打印研究的熱點(diǎn)方向，結(jié)合了兩種甚至多種不同材料性能的結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)滿(mǎn)足應(yīng)用中對(duì)幾種性能的需求，如高強(qiáng)度-高耐腐蝕性、高強(qiáng)度-高導(dǎo)熱性。當(dāng)前研究中常見(jiàn)到的雙金屬結(jié)構(gòu)通常具有明顯的材料區(qū)域劃分，如通過(guò)上下區(qū)分或通過(guò)內(nèi)外區(qū)分，材料界面規(guī)律且單一。本期3D打印技術(shù)參考要介紹的這種雙金屬結(jié)構(gòu)借鑒了當(dāng)前骨骼和木材的結(jié)構(gòu)特征，其具有仿生多維界面，3D打印的材料整體強(qiáng)度因此大幅提高。

金屬3D打印雙金屬互鎖結(jié)構(gòu)

通過(guò)觀(guān)察自然結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)仿生設(shè)計(jì)已成為科學(xué)界進(jìn)一步擴(kuò)展材料性能的重要意識(shí)，這是因?yàn)樽匀唤Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性是許多現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，科學(xué)思想和技術(shù)進(jìn)步不斷對(duì)自然機(jī)制有了更深入的了解。對(duì)自然設(shè)計(jì)原則的認(rèn)識(shí)和識(shí)別必然會(huì)擴(kuò)展產(chǎn)品性能和功能。自然界中普遍存在多材料結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)機(jī)械性能的材料變化的排列很少沿著單個(gè)平面，更常見(jiàn)的是軸向變化，內(nèi)層被外層包圍，材料的每個(gè)區(qū)域都為整體功能提供了獨(dú)特的性能，研究人員在骨骼和木材中都發(fā)現(xiàn)了這種規(guī)律。在木材解剖中，這種關(guān)系很容易在橫紋切割暴露的同心環(huán)中識(shí)別出來(lái)，從外部的活韌皮部到最內(nèi)部的心材，每個(gè)區(qū)域都對(duì)樹(shù)木的整體生存起著至關(guān)重要的作用，區(qū)域之間的相互作用部分負(fù)責(zé)靈活但堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。這種多材料排列帶來(lái)的性能提升引起了科學(xué)界的關(guān)注，人們?cè)噲D通過(guò)越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性的仿生設(shè)計(jì)來(lái)模仿這些提升。例如，在構(gòu)建骨骼金屬植入物時(shí)，對(duì)整體多孔結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)仍然有很多不足之處，從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，只有將這些方法與組合變化相結(jié)合，才能繼續(xù)取得進(jìn)展。

天然多材料結(jié)構(gòu)（如骨骼）表現(xiàn)出成分結(jié)構(gòu)的變化：這種變化不是沿著單個(gè)平面觀(guān)察到的，而是體現(xiàn)在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和材料布置中，這些特點(diǎn)在很大程度上決定了機(jī)械性能和獨(dú)特的功能特性；木材解剖結(jié)構(gòu)中存在環(huán)形結(jié)構(gòu)變化，這些同心環(huán)通常具有交叉紋理，每個(gè)區(qū)域都發(fā)揮著對(duì)樹(shù)的整體生存至關(guān)重要的功能，區(qū)域之間的相互作用在一定程度上負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)的靈活運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)度

華盛頓州立大學(xué)的研究人員以此為啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種特殊的具有雙噴嘴的電弧能量沉積系統(tǒng)，能夠通過(guò)同時(shí)或順序沉積創(chuàng)建徑向雙金屬?gòu)?fù)合界面。他們以308 L不銹鋼和低碳鋼作為雙金屬對(duì)，樣品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三種不同配置：實(shí)心308 L不銹鋼、實(shí)心低碳鋼和徑向雙金屬，后者由低碳鋼外殼包圍的不銹鋼中心芯組成。對(duì)打印的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測(cè)試，分析微觀(guān)結(jié)構(gòu)和相，并測(cè)量了硬度值；討論了在單層上雙重沉積不同金屬的工藝復(fù)雜性，包括增加的沉積熱輸入、加劇的層高問(wèn)題、界面力學(xué)以及沉積路徑規(guī)劃的作用。這些工藝輸入對(duì)界面形成、微觀(guān)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響是這項(xiàng)工作的關(guān)鍵，并形成了多維徑向雙金屬電弧增材制造的基礎(chǔ)理論。

具有徑向變化的雙金屬DED電弧的工藝順序流程圖。使用軟件執(zhí)行沉積路徑規(guī)劃，首先沉積低碳鋼外殼，在中空凹陷周?chē)纬蓤A形珠。308L不銹鋼沉積到該空心中，并且重復(fù)該過(guò)程，將每一層堆疊在前一層之上，直到達(dá)到完整的構(gòu)建高度；最后對(duì)沉積樣品進(jìn)行加工獲得所需的最終尺寸

a.沉積態(tài)徑向雙金屬結(jié)構(gòu)排列、后續(xù)銑削過(guò)程的材料去除邊界以及用于提供微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析的切割平面位置；b.拋光橫截面圖像顯示了構(gòu)建方向以及核心中不銹鋼材料楔形突出進(jìn)入低碳鋼外殼的互鎖之字形圖案

硬度和XRD分析

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試驗(yàn)前的低碳鋼整體壓縮：b.試驗(yàn)后的低碳鋼整體壓縮試樣；c.低碳鋼試樣向外塑性變形的曲率半徑；d.試驗(yàn)前308L不銹鋼整體壓縮試樣；e測(cè)試后的308L不銹鋼整體壓縮試樣；f .308L不銹鋼試樣向外塑性變形的曲率半徑；g.試驗(yàn)前的徑向雙金屬壓縮試樣；h.試驗(yàn)后徑向雙金屬壓縮試樣；i.徑向雙金屬試樣向外塑性變形的曲率半徑；j.具有徑向雙金屬變化和穿過(guò)不銹鋼芯中心的鉆孔釋放通道的樣本；k.測(cè)試后對(duì)徑向雙金屬樣品進(jìn)行鉆孔

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整體式和雙金屬試樣的平均抗壓測(cè)試結(jié)果比較

硬度測(cè)試的結(jié)果3D打印技術(shù)參考不做具體描述，具體可以從測(cè)試圖中查看。壓縮載荷引起的變形在不銹鋼和低碳鋼對(duì)照樣本中最為顯著，但在雙金屬樣本中明顯受到限制。所有樣本都顯示出核心和套管之間界面處的嚴(yán)重缺陷，即使在壓縮后，這些缺陷仍然以空隙或裂紋的形式存在，盡管一些區(qū)域在材料的互鎖楔形之間的界面處完全融合。低碳鋼對(duì)照樣品的平均抗壓強(qiáng)度為370MPa，不銹鋼對(duì)照樣品的平均抗壓強(qiáng)度為346MPa，徑向雙金屬樣品的平均抗壓強(qiáng)度為493MPa。觀(guān)察到的徑向雙金屬樣本的抗壓強(qiáng)度比低碳鋼對(duì)照增加了33%，比不銹鋼對(duì)照增加了42%。

潛在應(yīng)用

雙金屬增材制造的預(yù)緊概念對(duì)未來(lái)的增材設(shè)計(jì)策略具有重大影響，通過(guò)徑向變化逐層創(chuàng)建強(qiáng)化關(guān)系的能力無(wú)疑將引起各種應(yīng)用的關(guān)注。立即想到的是冷縮配合，其中依靠不同部件之間的高徑向壓力來(lái)減少相對(duì)運(yùn)動(dòng)或傳遞扭矩。同時(shí)制造曲軸、鐵路車(chē)輪、帶、渦輪盤(pán)和機(jī)床是其他潛在的應(yīng)用。大型航天器可能包括增材制造的結(jié)構(gòu)部件，能夠跨越很長(zhǎng)的距離，并帶有壓縮整個(gè)結(jié)構(gòu)的中央預(yù)張緊材料芯。

雙金屬電弧沉積系統(tǒng)

考慮到此類(lèi)應(yīng)用，進(jìn)一步的研究必須解決一些挑戰(zhàn)。例如，兩種不同材料的物理排列及其在最終構(gòu)建中的相互作用表明沉積路徑規(guī)劃和排序的重要性。材料成分的急劇變化和互鎖楔塊尖端的應(yīng)力集中也可能會(huì)促進(jìn)高周疲勞使用情況下的失效，并且異種雙金屬偶被證明容易受到腐蝕。

END

這項(xiàng)工作的主要目標(biāo)之一是探索多維雙金屬電弧增材制造多金屬結(jié)構(gòu)的潛在優(yōu)勢(shì)，并引入具有復(fù)雜界面的結(jié)構(gòu)可能性。在Z軸構(gòu)建方向上連續(xù)重復(fù)單個(gè)水平面內(nèi)的徑向雙金屬變化，以使界面在整個(gè)金屬樣本中永久存在。值得注意的是，雙金屬對(duì)的沉積和冷卻幾乎同時(shí)發(fā)生，當(dāng)金屬在環(huán)形布置中一起冷卻時(shí)，所產(chǎn)生的金屬之間的相互作用會(huì)促進(jìn)環(huán)向應(yīng)力，這與線(xiàn)性沉積完全不協(xié)調(diào)。這種物理安排，由此生產(chǎn)的雙金屬樣品的特點(diǎn)是具有復(fù)雜的界面，該界面表現(xiàn)出冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖。機(jī)械測(cè)試和微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析證實(shí)了生產(chǎn)徑向變化雙金屬增材結(jié)構(gòu)的可行性，這種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念或?qū)Ω鄳?yīng)用產(chǎn)生啟發(fā)。