面向轻量化、耐久汽车零件的多材料金属3D打印

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  要点速览
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  多材料金属3D打印如何结合两种合金
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  为什么梯度过渡优于硬性材料突变
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  哪些汽车零件适合多材料金属3D打印
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  多材料金属3D打印的局限
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  在CNC上精加工打印的多材料零件
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  分步流程：从合金组合到成品零件
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  多材料打印与竞争工艺的对比

粉末床熔融通过激光或电子束在薄层金属粉末上扫描来成形零件。在多材料设备中，两套或多套粉末系统向同一成形区域供粉。铺粉器先铺合金A完成前几层，随后系统切换为合金B，或在同一层内按受控比例沉积两种粉末。

在切换点，新粉末熔化进入上一层的顶部。结合就在这个共享熔池中形成。它不是粘接界面，也不是机械互锁。两种合金在很短距离内相互扩散，通常为几十微米，结果是具有自身晶粒组织和硬度的冶金结合。

这一点很重要，因为结合区是第三种材料，而不是一条边界。其性能取决于哪两种合金相接、有多少能量到达界面、熔池凝固有多快。铜合金与不锈钢相接的表现与钛与铝完全不同。界面是工艺开发投入时间最多的地方。

实际结论：不能把多材料零件设计成两个独立实体在一个平面上拼接。要设计一个有厚度的过渡区，并给设备留出成形空间。

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  结合类型共享熔池上的冶金扩散，不是钎焊或粘接。
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  过渡宽度硬性突变时为几十微米，梯度混合时为数毫米。
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  控制变量激光功率、扫描速度、扫描间距、层厚、粉末供给比例。

当两种热膨胀系数不同的合金在尖锐平面相接时，冷却会把它们拉开。失配表现为残余应力、变形或沿界面开裂。钢与铝之间的硬性突变是典型例子：热膨胀差大，形成的金属间化合物脆。

梯度过渡通过在接头处逐层改变成分来解决这个问题。第1层是100%合金A。第20层可能是70/30。第40层可能是30/70。每个中间层的热膨胀值都更接近相邻层，而不是远端。应力逐渐累积，而不是集中在一个平面上。

梯度会增加成形时间和设备复杂度，并改变局部力学性能。梯度区在拉伸下通常比任一母合金都弱。因此要把它放在低载荷处，或加厚截面补偿。把梯度当作免费特性的设计者，通常第一次打印就得到开裂零件。

对于汽车支架和壳体，3–8 mm 的梯度区是常见起点。低于 2 mm 应力集中会回来。高于 10 mm 成形时间代价很难合理化，除非零件是安全关键件。

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  解决的问题热膨胀失配导致尖锐合金-合金平面开裂。
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  典型宽度结构汽车接头为 3–8 mm。
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  代价梯度区的抗拉强度低于任一母合金。

适合的零件是那些单靠一种合金无法实现减重或功能的零件。需要耐磨活塞内孔和轻质铝壳体的制动卡钳体是合理候选。需要在一个方向刚性好、另一个方向有阻尼的悬架立柱也是。两者都在一个几何体中结合了两种材料功能。

热管理是另一个有力场景。电池壳体部件或逆变器支架如果一面需要导热、另一面需要隔热或耐磨，可以在热路径上用铜合金、在结构路径上用不锈钢。把两者作为独立零件连接通常会引入紧固件、密封垫和泄漏路径。打印成一个整体可消除这三者。

会输的方案比人们想的更简单。有重量目标的单合金支架，用 7075 或 6061-T6 铝从坯料加工更便宜，而且不用精加工工序就能达到 ±0.005 mm。带细长加强筋、合金过渡尖锐的零件在打印过程中会变形。疲劳关键的悬臂类零件内部有孔隙，不适合，因为梯度界面处的孔隙很难检测。

一条实用规则：如果你不能用一句话说清两种材料各自承担的不同任务，这个零件就不需要多材料打印。

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  适合的零件制动部件、热结构支架、带耐磨面的轻量化壳体。
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  不适合的零件单合金支架、疲劳关键悬臂、细长加强筋、尖锐过渡。
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  尺寸说明目前多数多材料打印件仍在 250 mm 成形包络内。

金属间化合物相是第一类失效模式。有些合金组合会在界面形成脆性化合物：铁和铝形成 FeAl 和 Fe3Al，钛和铝形成 TiAl 相。这些相硬且易裂。如果该组合无法避免，梯度区必须足够宽，使用载荷必须低。

孔隙是第二类。材料切换处的熔池比单合金扫描时更不稳定，因为粉末流动、吸收率和热导率都在变化。未熔合缺陷会聚集在界面附近。热等静压可以闭合内部孔隙，但也会改变两种合金的显微组织，因此热处理制度必须针对该组合进行验证。

残余应力是第三类。大平面截面在中途高度换合金时容易翘曲。预热基板和把零件按梯度方向摆放有帮助。把过渡区放在刚度要求低的区域也有帮助。

最后是检测。梯度界面很难用单一无损检测方法验证。计算机断层扫描在薄截面能很好地读出密度变化，但厚钢截面会衰减射线束。在投入量产前，通常只有对随炉试块做破坏性剖切才能确认界面。

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  脆性相Fe-Al 和 Ti-Al 组合形成硬质金属间化合物，受载时开裂。
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  孔隙未熔合缺陷聚集在界面；热等静压有帮助，但会改变两种合金。
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  检测限制CT 在厚钢中效果差；常用随炉试块。

几乎没有打印的汽车零件以打印态交付。轴承内孔、密封面、螺纹根部和定位销孔需要机加工公差。打印件进我们车间时是 ±0.1 mm，经过一道精加工后出厂是 ±0.005 mm。装夹环节才是材料组合真正成为问题的地方。

不同合金的切削特性不同。一侧铝、另一侧 17-4PH 不锈钢的零件在相同切削力下会不均匀让刀。我们通常按材料区域分别安排粗加工和精加工工序，然后在过渡区做一次连续精加工以保持几何连续。进给和转速按较硬合金设定，这会拖慢铝一侧。

工件夹持同样重要。打印的混合零件往往没有平面基准，因此在 CAD 模型里加一个牺牲性基板凸台或打印工装特征值得做。没有它，第一道机加工序就可能让零件移动，在第二道工序开始前就丢掉公差。

表面处理做到工艺允许的程度。内孔和密封面用精细精加工达到 Ra 0.8–1.6 μm。外观外表面可保持 Ra 1.6–3.2 μm，或在合金组合允许时做喷砂和阳极氧化。对铝-不锈钢混合件做阳极氧化只影响铝，有时这正是你要的，有时会造成颜色不一致。

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  公差路径打印 ±0.1 mm，功能特征精加工到 ±0.005 mm。
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  切削策略按合金分别粗加工，过渡区一次连续精加工。
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  工件夹持在 CAD 模型里加打印基准凸台或牺牲特征。