通過激光粉末床熔合技術(shù)實現(xiàn)多材料界面結(jié)合強度的增強

南極熊導(dǎo)讀：隨著汽車行業(yè)對降低能耗的需求日益增長，汽車輕量化已成為關(guān)鍵趨勢。鋁合金以低密度特性成為實現(xiàn)輕量化的重要材料，但單一材料難以滿足汽車零部件的多樣化需求。因此，結(jié)合鋼鐵和鋁合金的多材料的3D打印零部件，展現(xiàn)了在汽車領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

△研究人員采用高性能多材料3D打印技術(shù)制造的輕量化懸架塔汽車零部件

2024年12月18日，南極熊獲悉，日本東北大學(xué)(Tohoku University)材料研究中心與新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造孵化中心的研究團隊，已在多材料3D打印技術(shù)領(lǐng)域取得新的進展。通過激光粉末床熔合（LPBF）技術(shù)制造輕質(zhì)且耐用汽車零件，為汽車制造業(yè)帶來了新的可能性。

△研究成果已發(fā)在《增材制造》雜志，題目為“通過控制激光束粉末床熔合中的液/固界面實現(xiàn)鋼/鋁合金多材料增材制造”（傳送門）

多材料3D打印技術(shù)憑借其在制造過程中的獨特靈活性，已成為增材制造領(lǐng)域備受關(guān)注的焦點。然而，該技術(shù)在實際應(yīng)用中面臨挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)涉及到不同金屬材料組合時，例如鋼和鋁。這些金屬界面容易形成脆性金屬間化合物，導(dǎo)致材料雖然變得更輕，但強度卻有所下降。

△使用不同掃描速度下的L-PBF獲得的鋼/鋁合金界面

輕質(zhì)高強度鋼鋁合金的多材料3D打印技術(shù)

這項研究的目的是生產(chǎn)一種重量輕但不影響強度的鋼鋁合金。為此，研究團隊采用了激光粉末床熔合（LPBF）技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)通過提高激光掃描速度，可以顯著減少脆性金屬間化合物（例如Al5Fe2和Al13Fe4）的形成。研究者提出，高速掃描引發(fā)的非平衡凝固過程有助于最小化溶質(zhì)分配，從而降低材料弱點的產(chǎn)生。結(jié)果，最終產(chǎn)品展現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)合界面強度。

東北大學(xué)特聘助理教授Seungkyun Yim強調(diào)：“簡單地將兩種金屬并置并不能保證它們能夠自發(fā)地結(jié)合。我們必須深入理解原位合金化的過程?！?br />

△使用不同掃描速度下的L-PBF獲得的鋼/鋁合金多材料界面強度

依托于這一發(fā)現(xiàn)，研究團隊成功制造出了他們認為是世界上首個采用定制幾何形狀的全尺寸汽車多材料部件——懸架塔的原型。該研究小組計劃將這些研究成果擴展至其它需要解決類似金屬粘合問題的材料組合，以實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

這項研究不僅為多材料3D打印技術(shù)的應(yīng)用開辟了新的道路，也為汽車制造業(yè)的輕量化和性能提升提供了新的解決方案。隨著多材料3D打印技術(shù)的不斷進步，預(yù)計未來將有更多高性能、輕質(zhì)化的零件被應(yīng)用到汽車及其它工業(yè)領(lǐng)域。