《Additive Manufacturing》：Hybrid additive manufacturing of high performance Ti/Al dissimilar metal structure: Interfacial design and strengthening mechanisms
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该研究提出一种激光粉末床熔融（L-PBF）与低热输入金属惯性气体定向能量沉积（MIG-DED）的混合增材制造策略，成功制备了双尺度增强的钛/铝异种金属结构（DSR-TAS），其抗拉强度达222.3±9 MPa，相当于基体5183铝合金强度的81%。宏观层面通过榫卯结构将拉伸载荷转化为剪切应力抑制界面剥离，微观层面利用表面粗糙度促进熔融铝毛细浸润形成微机械互锁，同时控制低热输入将脆性中间相层厚度限制在3-13 μm。
耿永亮|赵梦|方学伟|关莉|杨建南|刘倩莉|张友伟|黄科|卢炳恒
西安交通大学制造系统工程国家重点实验室，中国陕西省西安市雁翔路99号，邮编710054
摘要
为了解决钛/铝异种金属部件（DMC）中由脆性金属间化合物（IMCs）引起的低接头强度问题，本研究提出了一种混合增材制造（AM）策略。该方法结合了激光粉末床熔融（L-PBF）和低热输入金属惰性气体定向能量沉积（MIG-DED）技术，制备出双尺度增强型钛/铝结构（DSR-TAS）。首先，利用L-PBF技术制备了具有榫槽结构的Ti64晶格支架。随后，通过MIG-DED技术在榫槽中沉积5183铝合金，建立了牢固的冶金连接和机械互锁。最后，使用常规MIG-DED技术以标准热输入量完成铝基体的沉积，从而完成DSR-TAS的构建。所得结构的抗拉强度为222.3±9 MPa，达到基础5183铝合金强度（275±4 MPa）的81%。这种增强效果归因于双尺度协同机制：在宏观层面上，榫槽结构将拉伸载荷转化为剪切应力，有效抑制了界面剥落；在微观层面上，表面粗糙度促进了熔融铝的渗透，形成了增强界面结合力的微观机械锁扣。此外，控制热输入量将IMC层厚度限制在3–13 μm范围内，防止了脆性相的形成。这项工作为高性能异种金属部件的集成制造提供了一种有前景的方法。
引言
异种金属部件（DMC）在一种或多种方向上具有连续或离散的成分和性能梯度变化，因其能够协同整合组成材料的优势特性而受到广泛关注[1]、[2]、[3]。在航空航天工程等要求高功能复杂性的领域，DMC在强度重量比、热管理和结构可靠性方面具有显著优势。在各种材料体系中，钛和铝合金由于其出色的比强度、耐腐蚀性和热稳定性，成为航空航天和高性能结构应用的理想候选材料[4]、[5]。然而，由于钛和铝在物理和化学性质上的极端不兼容性，制造可靠的Ti/Al DMC仍面临巨大挑战。两者熔点（Ti：1668°C vs. Al：660°C）和热膨胀系数（Δα > 30 × 10?? K?1）的巨大差异，以及几乎为零的互溶性，导致界面处形成脆性金属间化合物（如Ti?Al、TiAl、TiAl?和Ti?Al?），这些化合物会引发严重的界面脆化和裂纹萌生，使断裂韧性降低到基础材料的10%以下[6]、[7]，从而严重限制了实际应用。
为了解决这些挑战，人们广泛研究了各种传统的连接技术和功能梯度材料（FGM）来制造Ti/Al DMC。现有方法包括超声波点焊[8]、[9]、摩擦搅拌焊接[10]、[11]、激光混合焊接[12]、[13]、激光粉末床熔融（L-PBF）与冷喷涂[1]以及层压板的固态 bonding[14]、[15]、[16]。尽管取得了显著进展，但这些传统方法在应用于Ti/Al体系时仍存在根本性局限。主要问题包括：（1）过高的热输入导致IMC过度生长和厚脆性界面层；（2）由于热膨胀不匹配而产生大量残余应力，导致变形和分层；（3）几何灵活性有限，限制了复杂部件的制造；（4）难以实现实现真正DMC功能所需的连续成分梯度。为了减轻IMC的形成，通常会使用Cu、Zn或Ni等中间层，利用其高塑性来降低界面应力，利用扩散屏障特性抑制Ti-Al直接反应，并形成延展性的Ti-Cu或Al-Cu IMCs以增强接头强度[8]。然而，实现精确的界面控制对于可靠的DMC来说仍然是一个具有挑战性的关键问题，传统技术难以持续克服。
增材制造（AM）作为一种变革性解决方案，为FGM的制造提供了对材料成分和微观结构的前所未有的控制能力。在AM技术中，定向能量沉积（DED）[17]、[18]、[19]和激光粉末床熔融（L-PBF）[20]、[21]、[22]、[23]、[24]在FGM开发中显示出巨大潜力。这些技术通过可控的热输入和精确的材料沉积，实现了复杂几何形状的原位制造，显著加速了FGM的研究与开发[25]、[26]、[27]、[28]。值得注意的是，通过AM制造的晶格结构相比传统制造方法具有无可比拟的优势[29]。虽然已经探索了基于DED的Ti/Al多层沉积，但严重的界面反应和残余应力积累仍然限制了接头的可靠性。最近的研究显示了有希望的结果：张等人证明Cu中间层可以有效抑制脆性Ti-Al IMCs，提高界面强度[25]，而王等人证实Zn中间层可以增强机械性能[26]。结合L-PBF与冷喷涂或MIG-DED的混合方法也被研究，以利用不同工艺的互补优势。尽管取得了这些进展，钛和铝之间的固有物理化学差异仍然是Ti/Al FGM制造的关键挑战，严重降低了界面性能，阻碍了实际应用[30]、[31]。
机械互锁结构被广泛用于提高金属-非金属复合系统的连接强度。通过在金属表面加工凹槽或纹理凸起结构，并通过粘合剂或其他方式将其与非金属结合，可以有效提高连接强度[32]、[33]。然而，在金属-金属复合系统中，不同金属之间的有效结合仍然具有挑战性，关于制备复杂微观连接结构的报道很少[34]。大多数现有结构类似于简单的搭接接头或层压配置，提供的机械互锁效益有限。同时，最近提出了激光热机械相互作用增材制造的概念，这代表了混合AM技术的重要进展，并已在航空航天工业中得到应用。卢等人结合激光冲击强化和激光AM进行了一系列研究[30]、[31]、[35]，证明混合AM在结构制造方面具有显著优势。这些发现表明，使用混合AM技术结合工艺优化以减少界面处的IMC生成，可以实现不同金属的机械互锁结构连接，这是一种有前景且可行的方法。将机械互锁与混合AM相结合，可以提供物理锚定以补充冶金结合，同时混合工艺能够精确控制热输入和微观结构演变。
基于上述考虑，本研究介绍了一种通过创新的L-PBF + MIG-DED混合增材制造工艺制备的双尺度增强型钛/铝结构（DSR-TAS）。所提出的方法策略性地结合了L-PBF的高精度和表面质量以及MIG-DED的高沉积速率和灵活性，并在多个尺度上引入了机械互锁特性以增强界面结合。这种双尺度增强策略旨在：（1）通过可控的热输入和快速固化抑制脆性IMC的形成；（2）通过提供物理锚定的机械互锁结构提高界面强度，补充冶金结合；（3）通过优化工艺参数和中间层设计减少残余应力积累。系统研究了所制备DSR-TAS的微观结构特征、机械性能和失效机制，以阐明结构-性能关系并验证所提出的混合制造策略的有效性。这项工作为DMC的制造提供了新的见解，并为Ti/Al结构在航空航天和高性能应用中的实际应用提供了有希望的途径。
材料制备
本研究使用的原材料如下：Ti64粉末：粒径范围为15–53 μm，球形度超过95%，由西安欧中材料科技有限公司提供，符合ASTM F2924标准。5183铝合金线：直径为1.2 mm，由山东奥泰公司提供。它们的成分见表1。基底材料为Ti-6Al-4V（Ti64）钛合金板（200 × 200 × 20 mm3），表面经过机械加工和抛光，达到Ra < 3.2 μm的粗糙度
成形性和工艺控制
图4展示了一个高速成像序列，捕捉了在第二阶段将5183铝合金沉积到Ti-6Al-4V（Ti64）晶格支架中的整个过程。高速成像的帧率为2000 fps，分辨率为1280 × 720像素。使用辅助激光光源进行照明以减少电弧干扰。DSR-TAS的材料注射过程系统地分为四个不同的阶段。
如图4(a)所示，Al5183
混合增材制造工艺
本研究提出的“低热输入MIG-DED和L-PBF”集成混合制造工艺在实现高强度连接和优异的钛/铝异种金属塑性成形方面显示出显著优势。一方面，通过协同的结构设计和复合加工策略，首先利用L-PBF技术在钛合金上创建高精度的空间凹槽结构；然后使用MIG-DED技术
结论
本研究成功展示了一种三阶段混合增材制造策略，结合了L-PBF、低热输入MIG-DED和常规MIG-DED，制备出了DSR-TAS。这种异种金属结构具有合理设计的宏观榫槽结构以及微观尺度的机械互锁，有效确保了出色的结构完整性。主要贡献总结如下：
1.通过
作者贡献声明
赵梦：撰写——初稿、可视化、验证。耿永亮：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、研究、形式分析。关莉：撰写——审阅与编辑、验证、研究。方学伟：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、资源获取、概念化。刘倩莉：验证、研究。杨建南：撰写——审阅与编辑、验证、研究。黄科：
致谢
本工作得到了国家自然科学基金[项目编号52205414、52275374]、国家关键实验室再制造基金会[项目编号61420052024KJW06]、中国博士后科学基金会[项目编号2024T170713]以及中国科学技术协会青年精英科学家资助计划[项目编号2021QNRC001]的支持。
