H13工具钢在铝青铜上的定向能量沉积：多材料增材制造中的缺陷形成机制与界面调控

《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A-PHYSICAL METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE》：Directed Energy Deposition of H13 Steel onto Aluminum Bronze: Imperfections in Multi-material Additive Manufacturing

本研究针对多材料增材制造中因材料热物性差异导致的独特缺陷难题，通过激光定向能量沉积技术将H13工具钢沉积于铝青铜基体，系统分析了未熔颗粒分布规律与垂直裂纹形成机制。研究发现铜元素在奥氏体晶界偏析诱发热裂纹，而铝青铜的高导热性导致钢粉未完全熔化，但界面仍保持良好结合强度。该工作为异质材料界面缺陷控制提供了重要理论依据。

　　

在增材制造技术飞速发展的今天，实现多材料一体化成型已成为高端装备制造领域的迫切需求。然而，当不同金属材料在激光定向能量沉积过程中相遇时，由于热物理性质的显著差异，往往会产生单材料体系中未曾出现的复杂缺陷。这些缺陷如同隐藏在完美结构中的"暗礁"，严重制约着多材料构件在模具、航空航天等关键领域的应用可靠性。

以往研究多聚焦于单一材料的工艺优化，通过调整激光功率、沉积速度等参数来消除未熔合、气孔等常见缺陷。但当H13工具钢与铝青铜这两种热导率、熔点迥异的材料组合时，其界面行为变得异常复杂。有趣的是，前期研究表明将铝青铜沉积于钢基体可获得近乎完美的界面，而反向沉积顺序却会引发灾难性缺陷——这种强烈的路径依赖性背后隐藏着怎样的科学规律？挪威科技大学与丹麦技术大学的研究团队在《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A》发表的这项研究，正是要揭开这一谜题。

研究人员采用激光定向能量沉积技术制备了"三明治"结构试样：先在碳钢基板上沉积5毫米厚H13工具钢，再覆盖5毫米铝青铜，最后沉积2毫米钢层。通过保持与前期研究相同的工艺参数，重点观察了钢层与铝青铜界面的缺陷特征。实验运用了光学显微镜、扫描电镜搭配能谱分析、电子背散射衍射技术和X射线显微断层扫描等多尺度表征手段，并结合原位拉伸测试揭示了缺陷在载荷下的演化行为。

材料与方法

本研究采用Trumpf TruLaser Cell 3000设备进行DED-LB制备，通过双向扫描策略（每层旋转90°）构建试样。表征技术包含：金相制样（碳化硅砂纸研磨+金刚石抛光+OP-U抛光）、双试剂腐蚀（2%硝酸乙醇溶液+Beraha铁基着色试剂）、ZEISS Ultra 55扫描电镜搭配EDS/EBSD检测系统、Xradia 520 Versa显微CT系统（分辨率1.24微米）以及定制拉伸装置（应变速率2×10^-3mm/s）。数据处理采用MTEX工具箱进行奥氏体晶粒重构，ImageJ进行三维可视化处理。

微观结构特征

光学显微图像显示界面存在明显的未熔H13钢颗粒（约100微米），这些颗粒在铝青铜基体中呈现梯度熔化特征。EBSD分析证实颗粒边缘发生重结晶，而核心保持原始细小晶粒，对应能谱测量显示铜含量从颗粒中心的0.3wt%骤增至边缘区域的10wt%。值得注意的是，未熔颗粒并非仅分布于界面线，而是贯穿整个初级混合区。

裂纹形成机制

显微CT三维重构揭示了裂纹的空间分布规律：主要裂纹呈45°角倾斜于扫描方向，沿重建的奥氏体晶界扩展。图8所示EBSD晶粒重构结果明确显示，铜富集相优先在奥氏体晶界析出，其凝固收缩导致晶界弱化，引发热裂纹。这种沿晶裂纹特征与铜在钢中极低的固溶度密切相关，证实了铜偏析是裂纹萌生的主导因素。

界面性能评估

硬度测试显示初级混合区硬度波动显著（300-600 HV0.1），与微观结构不均匀性直接相关。拉伸测试中试样承受600MPa应力后，裂纹在铝青铜层约束下发生桥接扩展，断口分析显示钢侧为脆性断裂而铝青铜侧呈现韧性韧窝，证明界面结合强度优于预期。这种良好的 cohesion 得益于铝青铜对未熔颗粒的机械锚固作用。

讨论与展望

本研究揭示了多材料DED-LB中缺陷形成的双重矛盾：提高热输入可消除未熔颗粒，但会加剧铜元素扩散进而促进热裂纹；降低热输入虽能抑制裂纹，却会导致未熔颗粒增多。这种此消彼长的关系表明，单纯优化工艺参数难以同时解决两类缺陷。创新性地提出将未熔颗粒视为增强相的思路，通过控制铝青铜包裹钢颗粒形成复合材料界面，可能突破现有技术瓶颈。

更重要的是，研究证实沉积顺序对界面质量具有决定性影响。当铝青铜作为沉积材料时，其低熔点特性允许在较低热输入下实现良好熔合，避免铜向钢中过度扩散。这一发现为多材料结构设计提供了重要指导：通过合理规划沉积序列，可规避材料组合的固有局限性。

该工作不仅阐明了H13钢/铝青铜界面的缺陷形成机理，更建立了多材料增材制造缺陷分析的研究范式。其发展的多模态表征方法（特别是奥氏体晶粒重构与显微CT联用技术）为复杂界面研究提供了有力工具。未来通过建立热-流-质耦合模型，有望实现缺陷的主动调控，推动多材料增材制造向可靠性更高的方向发展。