通过双喷嘴材料挤出技术，定制STS316L-IN718层压复合材料的共烧机制和机械性能

《Materials Science and Engineering: A》：Tailoring co-sintering mechanism and mechanical properties in STS316L-IN718 layered composite via dual-nozzle material extrusion

　　

李度元|李贞雅|吴仁豪|许允旭|吴尚浩|李时宇|金瑞恩|李秉珠|金亨燮

韩国浦项科技大学（POSTECH）材料科学与工程系，浦项，37673

摘要

不同金属层的共烧结面临热膨胀和致密化行为不匹配的问题，这通常会导致加工过程中的界面不稳定性。在本研究中，使用双喷嘴材料挤出增材制造技术制备了双层STS316L–IN718复合材料，并开发了一种基于热力学的固态共烧结策略，以改善致密化兼容性。通过热力学扩散模拟和膨胀分析确定了1250至1350°C之间的可行烧结窗口，从而在抑制过量Laves相形成的同时实现同时致密化。微观结构表征显示，在IN718区域中Ni₃Nb（γ″）相的析出受扩散控制，而Ni₂(Nb,Mo) C14 Laves相的析出较少，STS316L层则没有次生相。在1350°C下烧结的优化复合材料表现出475 MPa的屈服强度、656 MPa的极限抗拉强度和11.5%的均匀伸长率。多尺度有限元模拟进一步揭示了界面应变分配和几何必需的位错积累，这些因素促进了异质变形引起的强化效应。柔软的STS316L层通过{111}<110>滑移和变形孪晶作用发生变形，而IN718层则通过波动滑移和与γ″相相关的Lomer–Cottrell锁定作用来适应变形。这些结果为通过材料挤出增材制造技术制备的共烧结层状金属复合材料实现致密化兼容性和机械协同作用提供了工艺-结构-性能框架。

引言

在单一结构中结合不同的金属成分可以实现单体合金无法实现的性能组合，例如将高延展性和耐腐蚀性与耐磨性和抗氧化性相结合[1]、[2]、[3]，或将室温可成形性与其他性能相结合[4]、[5]、[6]。这种多材料（层状、层压和梯度）复合材料在航空发动机[7]和核动力发电机[8]中得到了越来越多的应用，其中可以通过空间定制的刚度、热膨胀和损伤容忍度来满足多功能设计要求[9]、[10]。例如，316L奥氏体不锈钢（STS316L）具有耐腐蚀性、可焊性和优异的室温延展性[11]，而IN718则通过γ′/γ″相的析出硬化提供优异的高温强度和强抗氧化性[12]。一个设计良好的层压材料可以同时在室温下实现强度和延展性的协同作用，并在高温下保持机械稳定性，前提是连接和后处理工艺能够有效抑制脆性金属间相（如Laves相或δ相）的形成以及减少界面处的残余应力引起的损伤。

最近的增材制造（AM）工艺已经成功地通过定向能量沉积（DED）制备了功能梯度材料（FGMs）[13]、[14]，以及通过粉末床熔融制备了层状结构[15]的STS316L-IN718多材料复合材料。这些努力展示了对成分和结构的介观尺度控制的潜力，但也表明界面扩散和析出现象对机械行为有重要影响。然而，这些基于激光的AM技术本质上会产生严重的温度梯度和循环再加热，常常导致界面分层[16]、裂纹起始[17]以及金属间相的不可控演变[18]。因此，这些工艺存在几个固有的缺点：（i）不同界面处的热膨胀系数（CTE）不匹配和凝固收缩，（ii）Nb/Mo元素的偏聚导致冷却过程中脆性金属间相的析出[9]，（iii）界面附近缺乏熔合和关键孔隙[19]，以及（iv）残余拉应力的积累导致过早失效[16]。层状结构和工具路径策略的综合作用进一步掩盖了温度演变、扩散动力学和相稳定性之间的内在耦合，这些因素决定了界面的完整性[20]。这些限制突显了需要采用固态制造方法来分离致密化和扩散过程，以克服基于激光的AM技术制备的复合材料的问题。

采用双喷嘴系统的材料挤出（MEX）为生产不同金属复合材料提供了一种固态替代方案[21]、[22]。这种方法能够在最小的热输入下顺序沉积不同的金属-粘结剂原料，然后通过脱粘和烧结建立冶金结合。从经济角度来看，MEX工艺在打印过程中显著降低了温度梯度，为多材料层状复合材料提供了一个成本效益高的平台，并且共烧结技术减少了能耗，缩短了制造时间和成本[23]、[24]。在本研究中，采用了简化的双层配置，以消除层数效应，并在受控的热条件下隔离界面特定的热力学和动力学现象。

需要一个明确的框架来处理STS316L-IN718复合材料，以便将热行为、扩散动力学和相稳定性与共烧结响应联系起来。共烧结开发过程中遇到的主要限制源于不同材料之间的致密化动力学不兼容性、CTE差异和晶格失配[25]。这些不兼容性通常表现为收缩率不匹配、残余应力积累和界面早期开裂，所有这些都会降低层状复合材料的结构完整性。此外，高温下的不受控制的元素扩散会导致脆性金属间相的形成，进一步削弱界面结合力。因此，一种能够协调致密化过程同时抑制有害相形成的共烧结策略对于实现STS316L和IN718之间的稳定界面结合至关重要。

以往关于通过MEX工艺制备的不锈钢和镍基超级合金双金属复合材料的研究主要集中在优化烧结参数[26]、[27]上，而很少有研究系统地探讨了控制界面完整性的热力学和致密化机制[28]、[29]。因此，诸如残余孔隙、收缩不匹配、金属间相的不可控演变以及机械性能的变异性等问题仍然普遍存在[30]。为了克服这些限制，本研究为通过双喷嘴MEX制备的双层STS316L-IN718复合材料开发了一种基于热力学的共烧结策略。通过结合热力学测试、模拟膨胀分析和微观结构表征，我们为当前的STS316L-IN718层状系统定义了一个可行的烧结窗口，同时最小化了界面不稳定性。此外，通过关联界面应变分配和位错行为，本研究阐明了控制共烧结层状复合材料机械协同作用的变形机制。这些结果为设计扩散控制、机械集成的多材料系统提供了基础理解和实用指导，适用于先进的结构应用。

章节摘录

双层复合材料的制备

如图1a所示，使用双喷嘴MEX系统（D-MEX，Reprotech Co.）制备了实验性的STS316L-IN718双层复合材料。通过将气雾化STS316L和IN718粉末与M101聚合物粘结剂混合，制备了颗粒状的可挤出原料[21]。每种原料分别装入不同的料斗中，并依次挤出以构建设计的几何形状。样品的名义尺寸为25 × 60 × 12 mm3，其中初始的6 mm高度由...

共烧结优化

为了优化STS316L-IN718复合材料的固态共烧结，应仔细选择加工温度范围，以避免液态转变引起的不稳定致密化、收缩不匹配以及焊接不同材料时的分层和裂纹起始[42]。图2展示了用于定义可行固态烧结范围的CALPHAD基相建模和DSC分析

通过调节界面应力来诱导共烧结机制

为了建立不同层之间的稳定界面和同步致密化，需要依次耦合S1350复合材料的共烧结热力学和动力学行为。因此，应在烧结的每个阶段建立该层状复合材料的综合共烧结机制，如图9a所示，包括四个阶段：（I）预烧结，（II）受限致密化的开始，（III）应力辅助扩散和同步...

结论

通过双喷嘴材料挤出（MEX）制备了双层STS316L–IN718复合材料，并进行了优化共烧结，从而改善了冶金性能并保持了不同界面之间的完整性。结合热力学-膨胀分析确定了1250～1350°C的有效烧结窗口，该窗口同步了两种合金的致密化动力学并抑制了脆性金属间相的形成。主要结论是...

CRediT作者贡献声明

吴尚浩：数据整理、调查、验证。李度元：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、验证、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。李贞雅：软件、数据整理。吴仁豪：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论。许允旭：调查、数据整理。李时宇：调查、数据整理。金瑞恩：调查、数据整理。李秉珠：软件、资源准备。金亨燮：

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国政府（MSIP）资助的韩国国家研究基金会（NRF）（NRF2022R1A5A1030054）的支持。吴仁豪博士得到了韩国科学信息通信部（MSIP）资助的Brain Pool Program（NRF）的支持（NRF-RS202300263999）。李度元和李贞雅得到了韩国国家研究基金会（NRF）资助的“培养下一代研究人员”基础科学研究计划（博士候选人）的支持（GS8）。