你是否想过，能像打印复杂图案一样“打印”出性能可定制的金属材料？多材料激光粉末床熔融（MM-LPBF）技术是实现路径之一。尽管该技术尚存挑战，但它已为复杂工况下的材料设计开辟了新维度。
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多材料激光粉末床熔融（MM-LPBF）技术制造具有复杂异质结构的双金属材料，以解决传统合金在复杂工况下难以兼具多种优异性能的问题。传统合金因成分均匀而性能受限，而多材料集成结构可弥补这一缺陷。增材制造技术，尤其是L-PBF，因其在制造复杂结构方面的优势而备受关注，但现有技术仍面临诸多挑战。
来自华东理工大学的研究团队在国际期刊CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology上发表了Multi-material laser powder bed fusion (MM-LPBF) additive manufacturing of dual-phase heterostructure steel。该研究通过改进L-PBF系统和工艺软件，成功制造了316 L奥氏体不锈钢和18Ni300马氏体钢的双金属集成材料，并探索了其在动态冲击载荷下的性能表现，为开发新型高性能合金系统提供了理论和实验支持。本期谷·专栏将对该研究进行简要分享。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2025.07.001
全文概述
MM-LPBF增材制造技术能够实现多种金属材料的人工设计和空间有序集成结构的精细化制造。通过基于成分相似性和冶金相容性的异种材料匹配筛选，利用316L奥氏体不锈钢和18Ni300马氏体钢粉末作为原材料，采用MM-LPBF技术制备了三种具有不同异质性结构的双金属集成块状材料，分别是交错多层平面、交错多层棋盘和交错多层旋转光栅结构。
3D打印出的双金属构型呈现出细晶马氏体相（BCC晶体结构）和粗晶奥氏体相（FCC晶体结构）的双相和双峰结构，且双相区域按照人工设计呈现空间有序分布。双相区域之间的界面通过激光熔池熔化-凝固行为形成的“双相交错混合”过渡形式牢固结合。这些空间排列的相区的特征几何尺寸为200-500μm，双相混合区宽度为100μm，作为界面区域。考虑到奥氏体钢和马氏体钢双金属集成材料的强度-延展性协同效应，实验验证了在不同冲击应变率条件下异质结构的动态冲击性能，结果表明这些双相、双峰和多级异质结构具有良好的抗冲击性和能量吸收能力。这种MM-LPBF增材制造路径有利于使用更多集成的不同金属材料开发具有强度-韧性协同效应的新型合金体系。
图文解析
图1展示了自制的双材料制造系统及其在MM-LPBF工艺中的应用。图1a说明了该系统被整合到商用LPBF机器中，图1b则展示了系统的关键特征，包括可移动双圆筒粉末输送机构、基于真空的粉末清除装置以及500W激光器。通过优化工艺参数，实现了超过99.8%的相对密度，并针对316L合金和18Ni300合金分别设定了不同的激光功率和扫描速度。此外，定制软件支持独立应用优化后的激光参数，粉末床层厚保持为50µm，连续层之间的旋转角度为67°。
图 1. （a）内置可移动双粉末室装置的国产双金属MM-LPBF增材制造系统示意图，（b）双金属打印工艺，（c）分别具有交错多层平面（I型）、交错多层棋盘（II型）和交错多层旋转光栅（III型）异质结构的三类双金属集成块状材料，以及（d）I型数字模型的解构，（e）II.型，以及（f）III.型。
图2通过试样模型的尺寸图和实际试样的照片，全面展示了三种不同异质结构（I型交错多层平面、II型交错多层棋盘、III型交错多层旋转光栅）的几何形状、尺寸参数和材料分布情况。
图 2. 用于 SHPB 动态压缩冲击试验 （a） 的这三种类型试样的试样模型和尺寸图 ，以及通过 MM-LPBF AM 的 I 型 （b）、III 型 （c， d） 和 II 型 （e） 试样的照片。
图3展示了I型样品中镍、铬、锰和钴呈现分层分布，而铁元素由于两种合金含量相似，分布波动极小，这种微小波动对实现两种合金界面处的强冶金结合至关重要。微观结构分析显示，316L合金区域呈现柱状晶粒，而18Ni300合金区域为细晶粒结构，且18Ni300合金区域的晶界密度远高于316L合金区域，主要归因于马氏体相变。该相变导致18Ni300区域形成BCC结构，而316L区域保持FCC结构，最终形成了BCC/FCC双相层状异质结构。
图 3. 通过 MM-LPBF 对双金属样品进行横截面显微照片：垂直于构建方向 （BD） 的 I 型样品（a）;与 BD 平行的 II 型样品 （b）;与 BD 平行的 III 型样品 （c）。
图 4. SHPB 动态压缩试验获得的 3 类异质结构试件和基体材料的工程应力-应变数据：1000 s （a）、2000s （b） 和 3000 s （c） 应变速率下的工程应力-应变曲线，以及 UCS （d）、总应变 （e） 和吸收能（f） 与应变速率的关系。
总结
1. 通过多材料激光粉末床熔化（MM-LPBF）技术，成功构建了三种具有异质结构的双金属集成块体材料，包括交错多层平面、交错多层棋盘格和交错多层旋转光栅。这些双金属结构展现出双相异质组成，包含细晶粒的马氏体相（BCC晶体结构，平均晶粒尺寸为3.97μm）和粗晶粒的奥氏体相（FCC晶体结构，平均晶粒尺寸为26.33μm）。
2.异质相界面展现出良好的晶格过渡。在伸长的激光熔池和材料混合的干扰下，形成了宽度约为100μm的水平界面和宽度超过150μm的垂直界面，这些界面处的相互作用更为剧烈。
3.动态分离式霍普金森压杆（SHPB）测试表明，双金属样品兼具18Ni300合金的高强度和316L合金的韧性。通过“混合规则”“桶效应”“连续交错相互作用”以及界面区域的背应力强化等机制的联合效应，直观地展示了多材料增材制造样品解决强度 – 韧性权衡的潜力。
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