3D科学谷洞察
“ 材料或形态梯度的排列决定了多材料组件的特性和功能，在多材料增材制造组件中，可以使用异质成分过渡或平滑的浓度梯度来消除明显的边界。”
异种金属的增材制造通过结合不同材料的物理特性，可实现组件局部减重、性能增强及多功能集成，例如轻质铝与高导热铜的结合在热交换器和导电部件中潜力巨大。
然而，异种金属间热物理性质差异显著（如熔点、热膨胀系数），加之工艺参数不易确定，易导致元素偏析、残余应力、裂纹及脆性金属间化合物的形成，严重影响构件性能。传统实验方法难以实时观测熔池动态行为与元素分布，限制了工艺优化效率。同步辐射X射线成像技术能够穿透材料内部，实时捕捉密度差异大的熔体流动与混合过程，为揭示异种金属的增材制造中的缺陷形成机制、实现高通量参数筛选提供了关键手段。
上海交通大学材料科学与工程学院特种材料研究所团队联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学马前教授等人，提供了一种通过X 射线成像进行高通量参数筛选的新方法。通过原位X射线成像技术揭示了激光定向能量沉积中铝/铜合金的熔池动态行为，同时提出了非平衡凝固模型来量化元素分布，将成分、工艺参数与扩散和凝固偏析联系起来。相关研究以”High-throughput screening of process parameters and composition in laser additive manufacturing via in-situ X-ray imaging”为题发表于《Scripta Materialia》。第一作者为上海交通大学博士生张晓林，王洪泽副教授和吴一副研究员为共同通讯作者，共同作者包括王浩伟讲席教授、马前教授、孙华助理研究员、夏存副研究员、唐梓珏博士、王安博士、王茂松博士和博士生魏强龙。
增材制造中AlSi7Mg/CuCrZr的熔化行为通过原位X射线成像实时监测。研究发现了两种流动模式：均匀混合（马兰戈尼流主导）与非均匀混合（逆时针涡流），如视频1、视频2所示。通过追踪示踪粒子的速度量化熔体流速，提出净线性能量输入ΔQ（ΔQ = Qi – Qp，Qi 为激光输入能量，Qp为粉末熔化所需能量）作为关键参数（图2）。当ΔQ > 0时，较大的熔体流速促进元素均匀混合；反之则因能量不足导致Cu富集与流动受限。
图2 熔池动力学：(a)不同成分和加工参数下两种熔化流动模式，(b1) – (b2) 流动模式示意图，(c) 示踪粒子速度间接量化的熔体流动速率统计，(d)熔体流速与 ∆Q之间的关系，∆Q 表示净线性能量
针对凝固过程，建立了基于非平衡分配系数的数学模型，结合Péclet数来量化凝固界面元素偏析情况（图3）。研究发现，均匀混合模式下，熔体流速超过0.05 m/s时，凝固时局域平衡占主导，Cu元素没有明显的偏析；而低流速下发生溶质截留和Cu元素的明显偏析。通过X射线灰度值反推元素浓度（Lambert-Beer定律），建立了流速与凝固偏析的映射关系，为抑制IMCs提供了理论依据。凝固组织的形成需结合熔化与凝固过程的共同作用进行分析。非均匀混合模式下，Al/Cu热膨胀系数差异引发应力集中，沿晶界形成微裂纹；均匀混合时，铜元素的凝固偏析仍可能形成低熔点共晶液膜，加剧裂纹敏感性。然而，流速足够高时，熔体强对流促使铜合金粉末快速重分布，减少局部的Cu富集并抑制液膜形成，最终获得无裂纹的组织。
图3 (a) 不同 Péclet数下的非平衡分配系数和熔体流动速率。(b)局域平衡和(c) 溶质截留凝固行为下对应的熔池内的铜元素分布
本研究通过原位X射线成像与非平衡凝固模型的结合，实现了异种金属激光增材制造中参数与成分的高通量筛选，揭示了能量输入对异种金属熔体流动和凝固行为的影响机制，为偏析的抑制和性能的提升提供了新方法。该成果对航空航天、电子器件等领域的多功能梯度材料开发具有重要指导意义。
本论文得到科技部重点研发计划国际合作项目、国家自然科学基金等经费的资助。感谢上海光源快速X光成像光束线站(https://cstr.cn/31124.02.SSRF.BL16U2)在X射线成像方面提供的技术支持。
团队现长期诚聘激光增材制造/激光成形工艺和装备，增材制造材料表征（微观组织、力学性能、疲劳），增材制造过程同步辐射成像、增材制造超结构等方向博士后。联系人：王洪泽 (hz.wang@sjtu.edu.cn)。
内容来源:上海交通大学特种材料研究所
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