eng
Выпуск #6/2025
А. В. Репнин, Е. В. Борисов, А. А. Попович
Мультиматериальная 3D-печать: роль синтеза на подложке
Мультиматериальная 3D-печать: роль синтеза на подложке
Просмотры: 1240
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.6.428.442
Мультиматериальная 3D-печать методом синтеза на подложке (СНП) представляет перспективный подход для создания изделий с локально варьируемыми свойствами. Однако технологические ограничения, связанные с различиями в физико-химических свойствах соединяемых материалов, и отсутствие системной классификации затрудняют развитие данной области. Разработана новая классификация мультиматериалов для СНП, которая включает три группы – однородные сплавы (на основе одного металла), разнородные свариваемые сплавы, разнородные несвариваемые сплавы. Исследованы особенности переходных зон для семи систем (ВТ6/ВТ1-0, AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu, 316L/FeNi36, ВЖ159/БрХЦрТ В, Ti6Al4V/Inconel 718, 316L/NiTi). Установлено, что количество дефектов, микроструктура и фазовый состав переходной зоны определяются типом комбинации сплавов. Разработанная классификация позволяет систематизировать исследования, оптимизировать параметры печати, в том числе лазерных инструментов, и прогнозировать возможность возникновения проблем при создании новых мультиматериальных систем.
Мультиматериальная 3D-печать методом синтеза на подложке (СНП) представляет перспективный подход для создания изделий с локально варьируемыми свойствами. Однако технологические ограничения, связанные с различиями в физико-химических свойствах соединяемых материалов, и отсутствие системной классификации затрудняют развитие данной области. Разработана новая классификация мультиматериалов для СНП, которая включает три группы – однородные сплавы (на основе одного металла), разнородные свариваемые сплавы, разнородные несвариваемые сплавы. Исследованы особенности переходных зон для семи систем (ВТ6/ВТ1-0, AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu, 316L/FeNi36, ВЖ159/БрХЦрТ В, Ti6Al4V/Inconel 718, 316L/NiTi). Установлено, что количество дефектов, микроструктура и фазовый состав переходной зоны определяются типом комбинации сплавов. Разработанная классификация позволяет систематизировать исследования, оптимизировать параметры печати, в том числе лазерных инструментов, и прогнозировать возможность возникновения проблем при создании новых мультиматериальных систем.
Теги: multi-material 3d printing multi-material classification substrate-based synthesis классификация мультиматериалов мультиматериальная 3d-печать синтез на подожке
Мультиматериальная 3D-печать: роль синтеза на подложке
А. В. Репнин, Е. В. Борисов, А. А. Попович
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
Мультиматериальная 3D-печать методом синтеза на подложке (СНП) представляет перспективный подход для создания изделий с локально варьируемыми свойствами. Однако технологические ограничения, связанные с различиями в физико-химических свойствах соединяемых материалов, и отсутствие системной классификации затрудняют развитие данной области. Разработана новая классификация мультиматериалов для СНП, которая включает три группы – однородные сплавы (на основе одного металла), разнородные свариваемые сплавы, разнородные несвариваемые сплавы. Исследованы особенности переходных зон для семи систем (ВТ6/ВТ1-0, AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu, 316L/FeNi36, ВЖ159/БрХЦрТ В, Ti6Al4V/Inconel 718, 316L/NiTi). Установлено, что количество дефектов, микроструктура и фазовый состав переходной зоны определяются типом комбинации сплавов. Разработанная классификация позволяет систематизировать исследования, оптимизировать параметры печати, в том числе лазерных инструментов, и прогнозировать возможность возникновения проблем при создании новых мультиматериальных систем.
Ключевые слова: мультиматериальная 3D-печать, синтез на подожке, классификация мультиматериалов
Статья получена: 27.08.2025
Статья принята: 19.09.2025
1. Введение
Мультиматериальное строение, сочетающее разнородные металлы или сплавы в едином изделии, становится ключевым инструментом в создании деталей с комбинированными свойствами – например, жаропрочностью и легкостью или износостойкостью и пластичностью [1–3]. Исторически такие изделия получали методами сварки, диффузионного соединения или композитного литья, однако эти подходы часто ограничены риском расслоения, высокой себестоимостью и сложностью формирования сложных геометрий [4–6]. Развитие аддитивного производства (АП), в частности процесса синтеза на подожке (СНП), позволило создать новый способ изготовления мультиматериалов, обеспечивая точное управление составом и структурой при их изготовлении [7, 8].
В отличие от традиционных технологий СНП-технология позволяет изготавливать изделия с заданным распределением материалов за счет избирательного плавления металлических порошков с помощью высокомощного источника излучения (лазера или электронного луча) [9]. Это открывает возможности для изготовления изделий с локальным изменением химического состава, которые могут найти свое применение в таких различных сферах, как энергетика, робототехника, автомобилестроение [10] (рис. 1). Однако остаются нерешенными определенные трудности при использовании СНП для создания мультиматериалов, например, такие, как управление термическими напряжениями при плавлении разнородных порошков, оптимизация параметров лазера для минимизации дефектов, изготовление изделий из несвариваемых сплавов [11]. Несмотря на это, СНП задает новый стандарт в аддитивном производстве мультиматериалов, объединяя гибкость дизайна с уникальными эксплуатационными характеристиками [12].
В контексте мультиматериальной 3D-печати за счет использования СНП-процесса наибольшее внимание исследователей привлекают бинарные металлические системы, демонстрирующие технологическую совместимость и функциональную синергию [13]. Среди титановых систем активно изучается комбинация Ti‑6Al‑4V с чистым титаном (Cp-Ti), обеспечивающая градиентный переход механических свойств при сохранении биосовместимости для медицинских имплантатов [14]. Перспективными являются сочетания различных титановых сплавов, например Ti‑6Al‑4V с Ti‑6Al‑2Sn‑4Zr‑2Mo, позволяющие оптимизировать малый вес и жаропрочность [15]. Система алюминий-медь (AlSi10Mg/C18400) активно исследуется для теплообменных устройств, где требуется сочетание легкости алюминиевых конструкций с высокой теплопроводностью меди [16]. Значительный интерес представляют комбинации жаропрочных никелевых сплавов с медными сплавами (Inconel 718/CuCr1Zr) для создания изделий с локализованным отводом тепла в высокотемпературных условиях [17]. Аналогично изучаются системы нержавеющая сталь-медь (316L/CuCr1Zr), обеспечивающие сочетание коррозионной стойкости с превосходной теплопроводностью [18]. Перспективными являются комбинации сталей (H13/316L), позволяющие создавать изделия с градиентными свойствами твердости [19]. Основными вызовами остаются различия в температурах плавления, коэффициентах термического расширения и склонности к образованию хрупких интерметаллидных фаз в зоне соединения материалов [20].
Анализ опубликованных результатов показал значительный и растущий объем исследований, посвященных мультиматериальным структурам, изготавливаемым СНП-методом. Однако, несмотря на активные исследования, количество принципиально различных и широко внедряемых мультиматериальных систем ограничивается общепринятыми материалами. Это обусловлено комплексом серьезных технологических барьеров. Во-первых, само оборудование СНП зачастую не оптимизировано для эффективной и надежной работы с несколькими порошковыми материалами, требующей прецизионного контроля дозирования и подачи разнородных порошков в зону сканирования. Во-вторых, ключевым ограничением являются фундаментальные различия физико-химической природы соединяемых материалов. Разница в температурах приводит к сложностям в подборе единого энергетического режима лазерного излучения или электронного луча, обеспечивающего полноценное сплавление обоих материалов без непроплавов или перегрева. Различия в коэффициентах термического расширения являются основной причиной возникновения значительных остаточных напряжений и деформаций, а также риска расслоения или растрескивания, особенно в зоне перехода между материалами. Кроме того, как упоминалось ранее, существует проблема склонности многих комбинаций металлов (особенно Fe-Cu, Al-Ti, Al-Fe, Ni-Al, Ti-Cu) к образованию хрупких интерметаллидных фаз в области соединения, что резко снижает механическую прочность и надежность изделия.
Эти технологические и материаловедческие вызовы делают разработку новых мультиматериальных систем путем многочисленных проб и ошибок дорогостоящей и длительной. В связи с этим становится очевидной острая необходимость в систематизации накопленных знаний. В настоящее время отсутствует общепринятая классификация мультиматериалов, изготавливаемых СНП-методом. Такая классификация, позволила бы структурировать поле исследований. Она помогла бы выявить общие закономерности, применимые к группам материалов, оптимизировать стратегии параметров печати для этих групп, прогнозировать проблемы и направлять разработку новых перспективных комбинаций. Целью данной работы является восполнение этого пробела путем разработки такой классификации, основанной на анализе литературных данных и, что особенно важно, на опыте собственных экспериментальных исследований авторов в области мультиматериального СНП.
2. Материалы и методы
Выбор материалов для мультиматериальных систем определяется ключевыми критериями. Комбинация должна обеспечивать локальное изменение свойств при соблюдении экономической эффективности, технологической осуществимости и эксплуатационной целесообразности. Например, усиление зоны изделия материалом «Б» взамен базового «А» требует оценки: превосходит ли «Б» по прочности, оправдана ли его стоимость по сравнению с полной заменой или локальным нанесением с учетом расходов на мультиматериальное производство. Критически важна технологическая совместимость материалов из-за возможных ограничений физико-химической природы. Эти факторы и текущие возможности технологии (например, СНП) существенно ограничивают число возможных комбинаций.
На основе литературного обзора и собственных экспериментальных исследований мультиматериалов, полученных СНП-методом, видно, что во многих случаях локальные свойства отдельных зон имеют характерные для того или иного сплава значения. В связи с этим в исследованиях целесообразнее акцентировать внимание на такой составляющей мультиматериалов, как переходная зона. Переходная зона представляет собой результат взаимодействия двух материалов в процессе изготовления. Она имеет определенные особенности, которые обуславливаются выбранным технологическим процессом. Например, при использовании СНП, где основной операцией является плавление порошкового слоя высокоэнергетическим источником энергии, возможно возникновение следующих особенностей: образование дефектов из-за несоответствия параметров изготовления химическому составу; изменение микроструктуры, химического и фазового составов, а также твердости переходной зоны из-за смешивания двух сплавов при плавлении и диффузии элементов после кристаллизации. Эти особенности должны быть исследованы, чтобы оценить их влияние на свойства мультиматериалов в целом. Авторами были проведены исследования таких мультиматериальных систем, как ВЖ159/БрХЦрТ В [21], ВТ6/ВТ1-0 [22], 316L/NiTi [23], AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu, 316L/FeNi36 [24], Ti6Al4V/Inconel 718 [25] и др. Изготовление мультиматериалов осуществлялось на установке селективного лазерного плавления (СЛП) 3DLam Mini. Заводская модель 3D-принтера была модифицирована для создания мультиматериальных образцов. Была изменена система подачи порошка: добавлен дополнительный бункер для второго материала и устройство его дозирования. Также ряд мультиматериалов изготавливались на установке СЛП – SLM 280HL производства компании SLM Solutions Gmb H. Режимы для изготовления мультиматериальных образцов на вышеназванных установках представлены в табл. 1.
Проводился комплексный анализ дефектообразования, микроструктуры, химического и фазового составов в переходной зоне.
3. Результаты и обсуждение
3.1. Анализ основных особенностей переходной зоны мультиматериалов
Для формирования классификации необходимо проанализировать основные особенности, которые могут возникать в переходной зоне мультимате-
риалов.
1. Образование пористости
Возникновение пористости в переходной зоне мультиматериалов возможно по двум причинам – избыточная энергия плавления материала и недостаточная энергия. При избыточной энергии идет образование газовой пористости (рис. 2а). Поры в данном случае имеют сферическую форму. При недостаточной энергии происходит образование несферических пор, которые возникают из-за неполного сплавления частиц порошка (рис. 2b). Устранить данного рода дефект можно за счет подбора параметров для первых слоев нового материала.
2. Образование трещин
Одной из причин образования трещин является несоответствие коэффициентов термического расширения двух материалов. Из-за данной особенности возникает неравномерная усадка, что приводит к повышенным термическим напряжениям. Второй причиной образования трещин может быть наличие нежелательных фаз – охрупчивающих интерметаллидов. Важно отметить, что данные фазы могут не присутствовать в отдельных сплавах, а возникать при сплавлении двух материалов (рис. 3а). Одним из вариантов борьбы с данной проблемой является использование переходного слоя из металлов и сплавов (рис. 3b). Переходной слой в данном случае будет выступать в качестве «буфера», который предотвращает контакт двух материалов.
3. Ширина переходной зоны
В зависимости от выбранных материалов, а точнее от физических свойств металлов и сплавов (температура плавления, поглощательная способность, теплопроводности и т. д.) и режимов изготовления изделий методом СНП будет изменяться ширина переходной зоны. Возможны случаи, когда граница раздела имеет резкий переход (рис. 4а). В таком случае возможно возникновение повышенных напряжений в переходной зоне, что может привести к снижению свойств мультиматериальных изделий. Другой вариант – образование широкой переходной зоны (рис. 4b и 3c). В таких случаях часто встречается перемешивание металлов и сплавов в переходной зоне. Это также нельзя назвать благоприятным фактором, так как, во‑первых, в переходной зоне идет формирование незаданного химического состава, для которого не подобраны режимы изготовления, что может привести к дефектам. Во-вторых, в переходной зоне могут образовываться охрупчивающие интерметаллиды и чем она шире, тем вероятнее их появление и повышение их количества.
4. Фазообразование в переходной зоне
Образование новых фаз в переходной зоне можно отнести как к положительному фактору, так и к отрицательному. Если при взаимодействии двух материалов в результате плавления образуются фазы, способствующие упрочнению, то это может оказать благоприятное влияние. В свою очередь возможно образование фаз, снижающих прочностные свойства соединения. В большинстве случаев такие фазы относятся к охрупчивающим интерметаллидам. Их присутствие в переходной зоне приводит к возникновению трещин и расслоению при печати. В некоторых случаях, даже использование переходных слоев не приводит к полному устранению проблемы трещинообразования (рис. 5)
3.2. Классификация мультиматериалов
На основе вышеперечисленных особенностей переходной зоны можно сформировать классификацию мультиматериалов, изготавливаемых СНП-методом. Данная классификация позволит систематизировать будущие исследования мультиматериалов, получаемых СНП-методом. Предлагается использовать три основные группы мультиматериалов (рис. 6):
Мультиматериалы на основе однородных сплавов
Мультиматериалы на основе разнородных свариваемых сплавов
Мультиматериалы на основе разнородных несвариваемых сплавов
Термина однородные сплавы не существуют, однако мы вводим его для данной классификации. В соответствии с этим термином, однородные сплавы – это сплавы на основе одного металла. Следующая группа мультиматериалов – мультиматериалы на основе разнородных свариваемых сплавов. Такого определения также нет, и оно вводится для данной классификации: разнородные свариваемые сплавы – сплавы на основе разных металлов. Последняя группа мультиматериалов – разнородные несвариваемые сплавы, то есть сплавы, между которыми отсутствует свариваемость. На основании полученной классификации исследованные мультиматериалы можно разделить на группы: мультиматериалы на основе однородных сплавов – ВТ6/ВТ1–0, AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu и 316L/FeNi36, на основе разнородных свариваемых сплавов – ВЖ159/БрХЦрТ В, на основе разнородных несвариваемых сплавов –Ti6Al4V/Inconel 718 и 316L/NiTi.
3.3. Мультиматериалы на основе однородных сплавов
В переходной зоне однородных сплавов (ВТ6/ВТ1-0, AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu и 316L/FeNi36) не наблюдается большого количества дефектов. В них могут встречаться единичные поры. Присутствует единичное смешение двух сплавов. Необходимо отметить, что с учетом этой особенности для однородных мультиматериалов нет необходимости в подборе режимов изготовления и возможно использование уже отработанных режимов для сплавов.
Микроструктура в однородных мультиматериалах не имеет ярко выраженного изменения при переходе от одного сплава к другому. В системе ВТ6/ВТ1-0 четко прослеживается микроструктура в области сплава ВТ6, которая характеризуется ламелями из α + β фаз. В области сплава ВТ1-0 микроструктура представляет собой структуру корзинного плетения, состоящие из α-фазы. При переходе от сплава ВТ6 к сплаву ВТ1-0 происходит градиентное изменение Al и V. Исследование химического состава в системе AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu говорит о том, что в зоне AlSi10Mg присутствует Si. А в зоне Al-Si-Mg-Cu в виде вторичной фазы выделяются частицы, обогащенные Cu – Al2Cu. Микроструктура системы 316L/FeNi36 представляет собой крупные зерна с эпитаксиальным ростом, которые распространяются по направлению выращивания. Исследуемую область можно разделить на три различные зоны: зона состава FeNi36, переходная зона и зона 316L.
В однородных мультиматериалах в процессе изготовления методом СЛП не образуется новых фаз. В системе AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu в зоне сплава без меди наблюдается только Al и Si и отсутствуют другие фазы. В зоне сплава с медью к Al и Si добавляется небольшое количество Al2Cu. Анализ фазового состава системы 316L/FeNi36 говорит о том, что в нем присутствует γ-Fe, γ-Fe64Ni36 и α-Fe. Наличие последней можно объяснить тем, что в области FeNi36 образовались зона с повышенным содержанием Fe.
3.4. Мультиматериалы на основе разнородных свариваемых сплавов
В переходной зоне разнородных свариваемых сплавов наблюдается большое количество дефектов, что связано с существенными отличиями в физических свойствах сплавов. Вне зависимости от очередности печати того или иного сплава. Оптимизация параметров печати переходных слоев стабилизирует процесс плавления и снижает количество дефектов – для переходной зоны БрХЦрТ В/ВЖ159 это 325 или 375 Дж/мм3, а для переходной зоны ВЖ159/БрХЦрТ В это 120 или 140 Дж/мм3.
В разнородных свариваемых сплавах микроструктура имеет ярко выраженное изменение при переходе от одного сплава к другому. Анализируя распределение элементов в переходной зоне мультиматериала системы ВЖ159/БрХЦрТ В, стоит отметить наличие области со стороны медного сплава, в которой помимо Cu присутствует Ni. Такая же ситуация наблюдается со стороны ВЖ 159, где имеется область, в которой имеется как Ni, так и Cu. В переходной зоне не образуется новых фаз и наблюдаются пики, соответствующие фазам для обоих сплавов.
3.5. Мультиматериалы на основе разнородных несвариваемых сплавов
Изготовление мультиматериалов из разнородных несвариваемых сплавов методом СЛП не технологично. В переходной зоне разнородных несвариваемых сплавов формируется большое количество дефектов, что связно с отличием в физических свойствах и с формированием охрупчивающих фаз в процессе СЛП. В данном случае подбор оптимальных режимов печати не эффективен. Возможный вариант решения данной проблемы – использование переходных слоев. Для системы Ti6Al4V/Inconel 718 были использованы переходные слои из Cu и из Cu+Nb. Для системы 316L/NiTi использовался переходный слой из ВЭС (CoCrFeNiMn).
Для системы Ti6Al4V/Inconel 718 переходные зоны сплавов с медью не имеют существенных дефектов, но в них присутствуют области перемешивания сплавов. В системе 316L/NiTi переходная зона ВЭС/NiTi характеризуется сильным перемешиванием сплавов, множеством трещин и малым количеством пор. Вероятная причина трещинообразования – фазовые особенности формирования переходной зоны.
Микроструктура разнороднородных несвариваемых мультиматериалов имеет ярко выраженное изменение при переходе от одного сплава к другому. В результате травления образцов можно четче проследить эффект перемешивания металлов и сплавов в переходной зоне разнородных мультиматериальных образцов. Наблюдается развитие островковой макросегрегации, что объясняется эффектом Марангони.
В мультиматериале Ti6Al4V/Inconel 718 наблюдается достаточно резкий переход основного элемента никелевого сплава к Cu, но количество меди изменяется более плавно при переходе к титановому сплаву. Можно сделать вывод о том, что переходная зона между Cu и титановым сплавом будет больше, чем между Cu и никелевым сплавом. Переходные зоны Ti6Al4V/Nb и Inconel 718/Cu имеют достаточно резкий переход по содержанию основных элементов. Противоположная картина наблюдается в переходной зоне Nb/Cu, где присутствует постепенный переход от одного элемента к другому.
В процессе изготовления образцов системы Ti6Al4V/Inconel 718 не возникает каких-либо новых фаз. То есть использование переходного слоя позволяет устранить проблему образования охрупчивающих интерметаллидов. Исследование микроструктуры системы 316L/NiTi говорит о том, что в переходной зоне образуется островковая макросегрегация. Повышение содержания железа и повышенные значения твердости в островковых макросегрегацих, может говорить об образовании такого охрупчивающего интерметаллида, как FeTi, что хорошо прослеживается на дифрактограммах.
На основе сформированной классификации (рис. 6) и проведенных исследований можно осуществить сравнение групп мультиматериалов между собой, а также выделить основные выводы по особенностям переходных зон (табл. 2).
Заключение
Разработана и экспериментально верифицирована классификация мультиматериалов, изготавливаемых методом СНП, на основе изучения переходных зон. Исследованы дефектообразование, микроструктура и фазовый состав переходных зон различных мультиматериалов. Основные результаты представлены ниже:
Классификация мультиматериалов:
Однородные сплавы (например, Ti6Al4V/Cp-Ti): минимальные дефекты, отсутствие новых фаз, градиентный химический состав в переходной зоне.
Разнородные свариваемые сплавы (например, ВЖ159/БрХЦрТ): дефекты минимизируются за счет оптимизации параметров печати.
Разнородные несвариваемые сплавы (например, Ti6Al4V/Inconel 718): трещины и охрупчивающие интерметаллиды (без использования переходных слоев).
Ключевые закономерности переходных зон:
Пористость определяется энергией лазера в переходной зоне (сферическая – при избытке энергии, несферическая – при недостатке).
Трещины вызваны разницей КТР материалов и образованием хрупких фаз (напр., FeTi в 316L/NiTi).
Ширина переходной зоны зависит от физических свойств сплавов: резкие переходы провоцируют напряжения, широкие зоны – неконтролируемое смешение.
Практическая значимость:
Классификация позволяет прогнозировать дефекты, оптимизировать режимы печати и ускорить разработку изделий с мультиматериальным строением.
Благодарности
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Соглашение о предоставлении субсидии № 075-03-2025-256).
REFERENCES
Wagner A., Rogers H., Le A. Exploring New Frontiers in Multi-Material Additive Manufacturing. IEEE Eng Manag Rev. 2024;53(2):122–133. DOI: 10.1109/EMR.2024.3412403
Nazir A., Gokcekaya O., Md Masum Billah K., Ertugrul O., Jiang J., Sun J., Hussain S. Multi-material additive manufacturing: A systematic review of design, properties, applications, challenges, and 3D printing of materials and cellular metamaterials. Mater. Des. 2023;226:111661. DOI:10.1016/J.MATDES.2023.111661
Hasanov S., Alkunte S., Rajeshirke M., Gupta A., Huseynov O., Fidan I., Alifui-Segbaya F., Rennie A. Review on Additive Manufacturing of Multi-Material Parts: Progress and Challenges. J.Manuf Mater Process. 2021;6(1):4. DOI:10.3390/JMMP6010004
Sherpa B.B., Rani R. Advancements in explosive welding process for bimetallic material joining: A review. J. Alloy Metall Syst. 2024;6:100078. DOI:10.1016/J.JALMES.2024.100078
Wang D., Sun X., Jiang Y., Chang X., Yonglei X. Review on the application of stainless-clad bimetallic steel in the marine environment. Anti-Corrosion Methods Mater. 2024;71(2):132–142. DOI:10.1108/ACMM‑06‑2023‑2832
Li G., Jiang W., Guan F., Zhang Z., Wang J., Yu Y., Fan Z. Preparation, interfacial regulation and strengthening of Mg/Al bimetal fabricated by compound casting: A review. J. Magnes Alloy. 2023;11(9):3059–3098. DOI:10.1016/J.JMA.2023.09.001
Kavousi Sisi A., Ozherelkov D., Chernyshikhin S., Pelevin I., Kharitonova N., Gromov A. Functionally graded multi-materials by laser powder bed fusion: a review on experimental studies. Prog Addit Manuf. 2024;10:1843–1912. DOI: 10.1007/s40964‑024‑00739‑1
Nandhakumar R., Venkatesan K. A process parameters review on selective laser melting-based additive manufacturing of single and multi-material: Microstructure, physical properties, tribological, and surface roughness. Mater Today Commun. 2023;35:105538. DOI:10.1016/J.MTCOMM.2023.105538
Gunasekaran J, Sevvel P, Solomon IJ. Metallic materials fabrication by selective laser melting: A review. Mater Today Proc. 2021;37(2):252–256. DOI:10.1016/J.MATPR.2020.05.162
Verma A., Kapil A., Klobčar D., Sharma A. A Review on Multiplicity in Multi-Material Additive Manufacturing: Process, Capability, Scale, and Structure. Mater. 2023;16(15):5246. DOI:10.3390/MA16155246
Wei C., Li L. Recent progress and scientific challenges in multi-material additive manufacturing via laser-based powder bed fusion. Virt. and Phys. Prot. 2021;16(3):347–371. DOI:10.1080/17452759.2021.1928520
Kolluri A. P. Multi-material additive manufacturing and future scope and expected progress. Multi-material Addit Manuf. Published online January 1, 2025:373–402. DOI:10.1016/B978‑0‑443‑29228‑6.00016‑5
Rafiee M., Farahani R. D., Therriault D. Multi-Material 3D and 4D Printing: A Survey. Adv Sci. 2020;7(12):1902307. DOI:10.1002/ADVS.201902307
Borisov E., Polozov I., Starikov K., Popovich A., Sufiiarov V. Structure and properties of Ti/Ti64 graded material manufactured by laser powder bed fusion. Materials. 2021;14(20):6140. DOI:10.3390/MA14206140
Fan H., Wang C., Tian Y., Zhou K., Yang S. Laser powder bed fusion (L-PBF) of Ti‑6Al‑4V/Ti‑6Al‑2Sn‑4Zr‑2Mo and Ti‑6Al‑4V/γ-TiAl bimetals: Processability, interface and mechanical properties. Mater. Sc. Eng. A. 2023;871:144907. DOI:10.1016/J.MSEA.2023.144907
Sing S.L., Lam L. P., Zhang D. Q., Liu Z. H., Chua C. K. Interfacial characterization of SLM parts in multi-material processing: Intermetallic phase formation between AlSi10Mg and C18400 copper alloy. Mater Charact. 2015;107:220–227. DOI:10.1016/J.MATCHAR.2015.07.007
Marques A., Cunha Â., Gasik M., Carvalho O., Silva F. S., Bartolomeu F. Inconel 718‑copper parts fabricated by 3D multi-material laser powder bed fusion: a novel technological and designing approach for rocket engine. Int J. Adv Manuf Technol. 2022;122(3–4):2113–2123. DOI: 10.1007/s00170‑022‑10011‑x
Meyer I., Oel M., Ehlers T., Lachmayer R. Additive manufacturing of multi-material parts – Design guidelines for manufacturing of 316L/CuCrZr in laser powder bed fusion. Heliyon. 2023;9(8): e18301. DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e18301
Hengsbach F., Koppa P., Holzweissig M. J., Aydinöz M. E., Taube A., Hoyer K. P., Starykov O., Tonn B., Niendorf T., Tröster T., Schaper M. Inline additively manufactured functionally graded multi-materials: microstructural and mechanical characterization of 316L parts with H13 layers. Prog Addit Manuf. 2018;3(4):221–231. DOI:10.1007/S40964‑018‑0044‑4
Sefene E. M. State-of-the-art of selective laser melting process: A comprehensive review. J. Manuf Syst. 2022;63:250–274. DOI:10.1016/J.JMSY.2022.04.002
Repnin A. V., Borisov E. V., Popovich A. A., Shamshurin A. I. Production of the VZh159-BrKhTsrT Multi-Material Using Selective Laser Melting Method. Russ J Non-Ferrous Met. 2024;65(2):122–131. DOI:10.1134/S1067821224600947
Repnin A., Borisov E., Emelianov A. Popovich A. Fracture Toughness of Ti6Al4V/Cp-Ti Multi-Material Produced via Selective Laser Melting. Met. 2023;13(10):1738. DOI:10.3390/MET13101738
Repnin A., Kim A., Popovich A. Interfacial Characterization of Selective Laser Melting of a SS316L/NiTi Multi-Material with a High-Entropy Alloy Interlayer. Cryst. 2023;13(10):1486. DOI:10.3390/CRYST13101486
Repnin A., Borisov E., Maksimov A., Rozhkova D., Popovich A. Investigation of the 4D Multi-Material 316L/FeNi36 Obtained by Selective Laser Melting. Micromachines. 2024;15(11):1288. DOI:10.3390/MI15111288/S1
Repnin A., Borisov E., Popovich A. Formation of the Cu+Nb Interlayer in the Inconel 718/Ti6Al4V Multi-Material Obtained by Selective Laser Melting. Mater. 2024;17(23):5801. DOI:10.3390/MA17235801
Информация об авторах
Репнин Арсений Вячеславович – к. т. н., инженер лаборатории «Синтез новых материалов и конструкций», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, e-mail: repnin_arseniy@mail.ru; Санкт Петербург, Россия.
ORCID: 0009-0001-3157-3317
Борисов Евгений Владиславович – к. т. н., вед. науч. сотрудник лаборатории «Синтез новых материалов и конструкций», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, e-mail: evgenii.borisov@icloud.com; Санкт Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0003-2464-6706
Попович Анатолий Анатольевич – д. т. н., профессор, директор института машиностроения, материалов и транспорта, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, e-mail: director@immet.spbstu.ru; Санкт Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-5974-6654
Вклад авторов
Репнин А. В.: исследование, формальный анализ, написание и редактирование рукописи; Борисов Е. В.: методология, написание и редактирование рукописи, управление проектом; Попович А. А.: концептуализация, привлечение финансирования, ресурсы.
Информация
о конфликте интересов
Авторы подтверждают, что у них нет известных финансовых или межличностных конфликтов, которые могли бы повлиять на исследование, представленное в этой рукописи.
А. В. Репнин, Е. В. Борисов, А. А. Попович
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
Мультиматериальная 3D-печать методом синтеза на подложке (СНП) представляет перспективный подход для создания изделий с локально варьируемыми свойствами. Однако технологические ограничения, связанные с различиями в физико-химических свойствах соединяемых материалов, и отсутствие системной классификации затрудняют развитие данной области. Разработана новая классификация мультиматериалов для СНП, которая включает три группы – однородные сплавы (на основе одного металла), разнородные свариваемые сплавы, разнородные несвариваемые сплавы. Исследованы особенности переходных зон для семи систем (ВТ6/ВТ1-0, AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu, 316L/FeNi36, ВЖ159/БрХЦрТ В, Ti6Al4V/Inconel 718, 316L/NiTi). Установлено, что количество дефектов, микроструктура и фазовый состав переходной зоны определяются типом комбинации сплавов. Разработанная классификация позволяет систематизировать исследования, оптимизировать параметры печати, в том числе лазерных инструментов, и прогнозировать возможность возникновения проблем при создании новых мультиматериальных систем.
Ключевые слова: мультиматериальная 3D-печать, синтез на подожке, классификация мультиматериалов
Статья получена: 27.08.2025
Статья принята: 19.09.2025
1. Введение
Мультиматериальное строение, сочетающее разнородные металлы или сплавы в едином изделии, становится ключевым инструментом в создании деталей с комбинированными свойствами – например, жаропрочностью и легкостью или износостойкостью и пластичностью [1–3]. Исторически такие изделия получали методами сварки, диффузионного соединения или композитного литья, однако эти подходы часто ограничены риском расслоения, высокой себестоимостью и сложностью формирования сложных геометрий [4–6]. Развитие аддитивного производства (АП), в частности процесса синтеза на подожке (СНП), позволило создать новый способ изготовления мультиматериалов, обеспечивая точное управление составом и структурой при их изготовлении [7, 8].
В отличие от традиционных технологий СНП-технология позволяет изготавливать изделия с заданным распределением материалов за счет избирательного плавления металлических порошков с помощью высокомощного источника излучения (лазера или электронного луча) [9]. Это открывает возможности для изготовления изделий с локальным изменением химического состава, которые могут найти свое применение в таких различных сферах, как энергетика, робототехника, автомобилестроение [10] (рис. 1). Однако остаются нерешенными определенные трудности при использовании СНП для создания мультиматериалов, например, такие, как управление термическими напряжениями при плавлении разнородных порошков, оптимизация параметров лазера для минимизации дефектов, изготовление изделий из несвариваемых сплавов [11]. Несмотря на это, СНП задает новый стандарт в аддитивном производстве мультиматериалов, объединяя гибкость дизайна с уникальными эксплуатационными характеристиками [12].
В контексте мультиматериальной 3D-печати за счет использования СНП-процесса наибольшее внимание исследователей привлекают бинарные металлические системы, демонстрирующие технологическую совместимость и функциональную синергию [13]. Среди титановых систем активно изучается комбинация Ti‑6Al‑4V с чистым титаном (Cp-Ti), обеспечивающая градиентный переход механических свойств при сохранении биосовместимости для медицинских имплантатов [14]. Перспективными являются сочетания различных титановых сплавов, например Ti‑6Al‑4V с Ti‑6Al‑2Sn‑4Zr‑2Mo, позволяющие оптимизировать малый вес и жаропрочность [15]. Система алюминий-медь (AlSi10Mg/C18400) активно исследуется для теплообменных устройств, где требуется сочетание легкости алюминиевых конструкций с высокой теплопроводностью меди [16]. Значительный интерес представляют комбинации жаропрочных никелевых сплавов с медными сплавами (Inconel 718/CuCr1Zr) для создания изделий с локализованным отводом тепла в высокотемпературных условиях [17]. Аналогично изучаются системы нержавеющая сталь-медь (316L/CuCr1Zr), обеспечивающие сочетание коррозионной стойкости с превосходной теплопроводностью [18]. Перспективными являются комбинации сталей (H13/316L), позволяющие создавать изделия с градиентными свойствами твердости [19]. Основными вызовами остаются различия в температурах плавления, коэффициентах термического расширения и склонности к образованию хрупких интерметаллидных фаз в зоне соединения материалов [20].
Анализ опубликованных результатов показал значительный и растущий объем исследований, посвященных мультиматериальным структурам, изготавливаемым СНП-методом. Однако, несмотря на активные исследования, количество принципиально различных и широко внедряемых мультиматериальных систем ограничивается общепринятыми материалами. Это обусловлено комплексом серьезных технологических барьеров. Во-первых, само оборудование СНП зачастую не оптимизировано для эффективной и надежной работы с несколькими порошковыми материалами, требующей прецизионного контроля дозирования и подачи разнородных порошков в зону сканирования. Во-вторых, ключевым ограничением являются фундаментальные различия физико-химической природы соединяемых материалов. Разница в температурах приводит к сложностям в подборе единого энергетического режима лазерного излучения или электронного луча, обеспечивающего полноценное сплавление обоих материалов без непроплавов или перегрева. Различия в коэффициентах термического расширения являются основной причиной возникновения значительных остаточных напряжений и деформаций, а также риска расслоения или растрескивания, особенно в зоне перехода между материалами. Кроме того, как упоминалось ранее, существует проблема склонности многих комбинаций металлов (особенно Fe-Cu, Al-Ti, Al-Fe, Ni-Al, Ti-Cu) к образованию хрупких интерметаллидных фаз в области соединения, что резко снижает механическую прочность и надежность изделия.
Эти технологические и материаловедческие вызовы делают разработку новых мультиматериальных систем путем многочисленных проб и ошибок дорогостоящей и длительной. В связи с этим становится очевидной острая необходимость в систематизации накопленных знаний. В настоящее время отсутствует общепринятая классификация мультиматериалов, изготавливаемых СНП-методом. Такая классификация, позволила бы структурировать поле исследований. Она помогла бы выявить общие закономерности, применимые к группам материалов, оптимизировать стратегии параметров печати для этих групп, прогнозировать проблемы и направлять разработку новых перспективных комбинаций. Целью данной работы является восполнение этого пробела путем разработки такой классификации, основанной на анализе литературных данных и, что особенно важно, на опыте собственных экспериментальных исследований авторов в области мультиматериального СНП.
2. Материалы и методы
Выбор материалов для мультиматериальных систем определяется ключевыми критериями. Комбинация должна обеспечивать локальное изменение свойств при соблюдении экономической эффективности, технологической осуществимости и эксплуатационной целесообразности. Например, усиление зоны изделия материалом «Б» взамен базового «А» требует оценки: превосходит ли «Б» по прочности, оправдана ли его стоимость по сравнению с полной заменой или локальным нанесением с учетом расходов на мультиматериальное производство. Критически важна технологическая совместимость материалов из-за возможных ограничений физико-химической природы. Эти факторы и текущие возможности технологии (например, СНП) существенно ограничивают число возможных комбинаций.
На основе литературного обзора и собственных экспериментальных исследований мультиматериалов, полученных СНП-методом, видно, что во многих случаях локальные свойства отдельных зон имеют характерные для того или иного сплава значения. В связи с этим в исследованиях целесообразнее акцентировать внимание на такой составляющей мультиматериалов, как переходная зона. Переходная зона представляет собой результат взаимодействия двух материалов в процессе изготовления. Она имеет определенные особенности, которые обуславливаются выбранным технологическим процессом. Например, при использовании СНП, где основной операцией является плавление порошкового слоя высокоэнергетическим источником энергии, возможно возникновение следующих особенностей: образование дефектов из-за несоответствия параметров изготовления химическому составу; изменение микроструктуры, химического и фазового составов, а также твердости переходной зоны из-за смешивания двух сплавов при плавлении и диффузии элементов после кристаллизации. Эти особенности должны быть исследованы, чтобы оценить их влияние на свойства мультиматериалов в целом. Авторами были проведены исследования таких мультиматериальных систем, как ВЖ159/БрХЦрТ В [21], ВТ6/ВТ1-0 [22], 316L/NiTi [23], AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu, 316L/FeNi36 [24], Ti6Al4V/Inconel 718 [25] и др. Изготовление мультиматериалов осуществлялось на установке селективного лазерного плавления (СЛП) 3DLam Mini. Заводская модель 3D-принтера была модифицирована для создания мультиматериальных образцов. Была изменена система подачи порошка: добавлен дополнительный бункер для второго материала и устройство его дозирования. Также ряд мультиматериалов изготавливались на установке СЛП – SLM 280HL производства компании SLM Solutions Gmb H. Режимы для изготовления мультиматериальных образцов на вышеназванных установках представлены в табл. 1.
Проводился комплексный анализ дефектообразования, микроструктуры, химического и фазового составов в переходной зоне.
3. Результаты и обсуждение
3.1. Анализ основных особенностей переходной зоны мультиматериалов
Для формирования классификации необходимо проанализировать основные особенности, которые могут возникать в переходной зоне мультимате-
риалов.
1. Образование пористости
Возникновение пористости в переходной зоне мультиматериалов возможно по двум причинам – избыточная энергия плавления материала и недостаточная энергия. При избыточной энергии идет образование газовой пористости (рис. 2а). Поры в данном случае имеют сферическую форму. При недостаточной энергии происходит образование несферических пор, которые возникают из-за неполного сплавления частиц порошка (рис. 2b). Устранить данного рода дефект можно за счет подбора параметров для первых слоев нового материала.
2. Образование трещин
Одной из причин образования трещин является несоответствие коэффициентов термического расширения двух материалов. Из-за данной особенности возникает неравномерная усадка, что приводит к повышенным термическим напряжениям. Второй причиной образования трещин может быть наличие нежелательных фаз – охрупчивающих интерметаллидов. Важно отметить, что данные фазы могут не присутствовать в отдельных сплавах, а возникать при сплавлении двух материалов (рис. 3а). Одним из вариантов борьбы с данной проблемой является использование переходного слоя из металлов и сплавов (рис. 3b). Переходной слой в данном случае будет выступать в качестве «буфера», который предотвращает контакт двух материалов.
3. Ширина переходной зоны
В зависимости от выбранных материалов, а точнее от физических свойств металлов и сплавов (температура плавления, поглощательная способность, теплопроводности и т. д.) и режимов изготовления изделий методом СНП будет изменяться ширина переходной зоны. Возможны случаи, когда граница раздела имеет резкий переход (рис. 4а). В таком случае возможно возникновение повышенных напряжений в переходной зоне, что может привести к снижению свойств мультиматериальных изделий. Другой вариант – образование широкой переходной зоны (рис. 4b и 3c). В таких случаях часто встречается перемешивание металлов и сплавов в переходной зоне. Это также нельзя назвать благоприятным фактором, так как, во‑первых, в переходной зоне идет формирование незаданного химического состава, для которого не подобраны режимы изготовления, что может привести к дефектам. Во-вторых, в переходной зоне могут образовываться охрупчивающие интерметаллиды и чем она шире, тем вероятнее их появление и повышение их количества.
4. Фазообразование в переходной зоне
Образование новых фаз в переходной зоне можно отнести как к положительному фактору, так и к отрицательному. Если при взаимодействии двух материалов в результате плавления образуются фазы, способствующие упрочнению, то это может оказать благоприятное влияние. В свою очередь возможно образование фаз, снижающих прочностные свойства соединения. В большинстве случаев такие фазы относятся к охрупчивающим интерметаллидам. Их присутствие в переходной зоне приводит к возникновению трещин и расслоению при печати. В некоторых случаях, даже использование переходных слоев не приводит к полному устранению проблемы трещинообразования (рис. 5)
3.2. Классификация мультиматериалов
На основе вышеперечисленных особенностей переходной зоны можно сформировать классификацию мультиматериалов, изготавливаемых СНП-методом. Данная классификация позволит систематизировать будущие исследования мультиматериалов, получаемых СНП-методом. Предлагается использовать три основные группы мультиматериалов (рис. 6):
Мультиматериалы на основе однородных сплавов
Мультиматериалы на основе разнородных свариваемых сплавов
Мультиматериалы на основе разнородных несвариваемых сплавов
Термина однородные сплавы не существуют, однако мы вводим его для данной классификации. В соответствии с этим термином, однородные сплавы – это сплавы на основе одного металла. Следующая группа мультиматериалов – мультиматериалы на основе разнородных свариваемых сплавов. Такого определения также нет, и оно вводится для данной классификации: разнородные свариваемые сплавы – сплавы на основе разных металлов. Последняя группа мультиматериалов – разнородные несвариваемые сплавы, то есть сплавы, между которыми отсутствует свариваемость. На основании полученной классификации исследованные мультиматериалы можно разделить на группы: мультиматериалы на основе однородных сплавов – ВТ6/ВТ1–0, AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu и 316L/FeNi36, на основе разнородных свариваемых сплавов – ВЖ159/БрХЦрТ В, на основе разнородных несвариваемых сплавов –Ti6Al4V/Inconel 718 и 316L/NiTi.
3.3. Мультиматериалы на основе однородных сплавов
В переходной зоне однородных сплавов (ВТ6/ВТ1-0, AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu и 316L/FeNi36) не наблюдается большого количества дефектов. В них могут встречаться единичные поры. Присутствует единичное смешение двух сплавов. Необходимо отметить, что с учетом этой особенности для однородных мультиматериалов нет необходимости в подборе режимов изготовления и возможно использование уже отработанных режимов для сплавов.
Микроструктура в однородных мультиматериалах не имеет ярко выраженного изменения при переходе от одного сплава к другому. В системе ВТ6/ВТ1-0 четко прослеживается микроструктура в области сплава ВТ6, которая характеризуется ламелями из α + β фаз. В области сплава ВТ1-0 микроструктура представляет собой структуру корзинного плетения, состоящие из α-фазы. При переходе от сплава ВТ6 к сплаву ВТ1-0 происходит градиентное изменение Al и V. Исследование химического состава в системе AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu говорит о том, что в зоне AlSi10Mg присутствует Si. А в зоне Al-Si-Mg-Cu в виде вторичной фазы выделяются частицы, обогащенные Cu – Al2Cu. Микроструктура системы 316L/FeNi36 представляет собой крупные зерна с эпитаксиальным ростом, которые распространяются по направлению выращивания. Исследуемую область можно разделить на три различные зоны: зона состава FeNi36, переходная зона и зона 316L.
В однородных мультиматериалах в процессе изготовления методом СЛП не образуется новых фаз. В системе AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu в зоне сплава без меди наблюдается только Al и Si и отсутствуют другие фазы. В зоне сплава с медью к Al и Si добавляется небольшое количество Al2Cu. Анализ фазового состава системы 316L/FeNi36 говорит о том, что в нем присутствует γ-Fe, γ-Fe64Ni36 и α-Fe. Наличие последней можно объяснить тем, что в области FeNi36 образовались зона с повышенным содержанием Fe.
3.4. Мультиматериалы на основе разнородных свариваемых сплавов
В переходной зоне разнородных свариваемых сплавов наблюдается большое количество дефектов, что связано с существенными отличиями в физических свойствах сплавов. Вне зависимости от очередности печати того или иного сплава. Оптимизация параметров печати переходных слоев стабилизирует процесс плавления и снижает количество дефектов – для переходной зоны БрХЦрТ В/ВЖ159 это 325 или 375 Дж/мм3, а для переходной зоны ВЖ159/БрХЦрТ В это 120 или 140 Дж/мм3.
В разнородных свариваемых сплавах микроструктура имеет ярко выраженное изменение при переходе от одного сплава к другому. Анализируя распределение элементов в переходной зоне мультиматериала системы ВЖ159/БрХЦрТ В, стоит отметить наличие области со стороны медного сплава, в которой помимо Cu присутствует Ni. Такая же ситуация наблюдается со стороны ВЖ 159, где имеется область, в которой имеется как Ni, так и Cu. В переходной зоне не образуется новых фаз и наблюдаются пики, соответствующие фазам для обоих сплавов.
3.5. Мультиматериалы на основе разнородных несвариваемых сплавов
Изготовление мультиматериалов из разнородных несвариваемых сплавов методом СЛП не технологично. В переходной зоне разнородных несвариваемых сплавов формируется большое количество дефектов, что связно с отличием в физических свойствах и с формированием охрупчивающих фаз в процессе СЛП. В данном случае подбор оптимальных режимов печати не эффективен. Возможный вариант решения данной проблемы – использование переходных слоев. Для системы Ti6Al4V/Inconel 718 были использованы переходные слои из Cu и из Cu+Nb. Для системы 316L/NiTi использовался переходный слой из ВЭС (CoCrFeNiMn).
Для системы Ti6Al4V/Inconel 718 переходные зоны сплавов с медью не имеют существенных дефектов, но в них присутствуют области перемешивания сплавов. В системе 316L/NiTi переходная зона ВЭС/NiTi характеризуется сильным перемешиванием сплавов, множеством трещин и малым количеством пор. Вероятная причина трещинообразования – фазовые особенности формирования переходной зоны.
Микроструктура разнороднородных несвариваемых мультиматериалов имеет ярко выраженное изменение при переходе от одного сплава к другому. В результате травления образцов можно четче проследить эффект перемешивания металлов и сплавов в переходной зоне разнородных мультиматериальных образцов. Наблюдается развитие островковой макросегрегации, что объясняется эффектом Марангони.
В мультиматериале Ti6Al4V/Inconel 718 наблюдается достаточно резкий переход основного элемента никелевого сплава к Cu, но количество меди изменяется более плавно при переходе к титановому сплаву. Можно сделать вывод о том, что переходная зона между Cu и титановым сплавом будет больше, чем между Cu и никелевым сплавом. Переходные зоны Ti6Al4V/Nb и Inconel 718/Cu имеют достаточно резкий переход по содержанию основных элементов. Противоположная картина наблюдается в переходной зоне Nb/Cu, где присутствует постепенный переход от одного элемента к другому.
В процессе изготовления образцов системы Ti6Al4V/Inconel 718 не возникает каких-либо новых фаз. То есть использование переходного слоя позволяет устранить проблему образования охрупчивающих интерметаллидов. Исследование микроструктуры системы 316L/NiTi говорит о том, что в переходной зоне образуется островковая макросегрегация. Повышение содержания железа и повышенные значения твердости в островковых макросегрегацих, может говорить об образовании такого охрупчивающего интерметаллида, как FeTi, что хорошо прослеживается на дифрактограммах.
На основе сформированной классификации (рис. 6) и проведенных исследований можно осуществить сравнение групп мультиматериалов между собой, а также выделить основные выводы по особенностям переходных зон (табл. 2).
Заключение
Разработана и экспериментально верифицирована классификация мультиматериалов, изготавливаемых методом СНП, на основе изучения переходных зон. Исследованы дефектообразование, микроструктура и фазовый состав переходных зон различных мультиматериалов. Основные результаты представлены ниже:
Классификация мультиматериалов:
Однородные сплавы (например, Ti6Al4V/Cp-Ti): минимальные дефекты, отсутствие новых фаз, градиентный химический состав в переходной зоне.
Разнородные свариваемые сплавы (например, ВЖ159/БрХЦрТ): дефекты минимизируются за счет оптимизации параметров печати.
Разнородные несвариваемые сплавы (например, Ti6Al4V/Inconel 718): трещины и охрупчивающие интерметаллиды (без использования переходных слоев).
Ключевые закономерности переходных зон:
Пористость определяется энергией лазера в переходной зоне (сферическая – при избытке энергии, несферическая – при недостатке).
Трещины вызваны разницей КТР материалов и образованием хрупких фаз (напр., FeTi в 316L/NiTi).
Ширина переходной зоны зависит от физических свойств сплавов: резкие переходы провоцируют напряжения, широкие зоны – неконтролируемое смешение.
Практическая значимость:
Классификация позволяет прогнозировать дефекты, оптимизировать режимы печати и ускорить разработку изделий с мультиматериальным строением.
Благодарности
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Соглашение о предоставлении субсидии № 075-03-2025-256).
REFERENCES
Wagner A., Rogers H., Le A. Exploring New Frontiers in Multi-Material Additive Manufacturing. IEEE Eng Manag Rev. 2024;53(2):122–133. DOI: 10.1109/EMR.2024.3412403
Nazir A., Gokcekaya O., Md Masum Billah K., Ertugrul O., Jiang J., Sun J., Hussain S. Multi-material additive manufacturing: A systematic review of design, properties, applications, challenges, and 3D printing of materials and cellular metamaterials. Mater. Des. 2023;226:111661. DOI:10.1016/J.MATDES.2023.111661
Hasanov S., Alkunte S., Rajeshirke M., Gupta A., Huseynov O., Fidan I., Alifui-Segbaya F., Rennie A. Review on Additive Manufacturing of Multi-Material Parts: Progress and Challenges. J.Manuf Mater Process. 2021;6(1):4. DOI:10.3390/JMMP6010004
Sherpa B.B., Rani R. Advancements in explosive welding process for bimetallic material joining: A review. J. Alloy Metall Syst. 2024;6:100078. DOI:10.1016/J.JALMES.2024.100078
Wang D., Sun X., Jiang Y., Chang X., Yonglei X. Review on the application of stainless-clad bimetallic steel in the marine environment. Anti-Corrosion Methods Mater. 2024;71(2):132–142. DOI:10.1108/ACMM‑06‑2023‑2832
Li G., Jiang W., Guan F., Zhang Z., Wang J., Yu Y., Fan Z. Preparation, interfacial regulation and strengthening of Mg/Al bimetal fabricated by compound casting: A review. J. Magnes Alloy. 2023;11(9):3059–3098. DOI:10.1016/J.JMA.2023.09.001
Kavousi Sisi A., Ozherelkov D., Chernyshikhin S., Pelevin I., Kharitonova N., Gromov A. Functionally graded multi-materials by laser powder bed fusion: a review on experimental studies. Prog Addit Manuf. 2024;10:1843–1912. DOI: 10.1007/s40964‑024‑00739‑1
Nandhakumar R., Venkatesan K. A process parameters review on selective laser melting-based additive manufacturing of single and multi-material: Microstructure, physical properties, tribological, and surface roughness. Mater Today Commun. 2023;35:105538. DOI:10.1016/J.MTCOMM.2023.105538
Gunasekaran J, Sevvel P, Solomon IJ. Metallic materials fabrication by selective laser melting: A review. Mater Today Proc. 2021;37(2):252–256. DOI:10.1016/J.MATPR.2020.05.162
Verma A., Kapil A., Klobčar D., Sharma A. A Review on Multiplicity in Multi-Material Additive Manufacturing: Process, Capability, Scale, and Structure. Mater. 2023;16(15):5246. DOI:10.3390/MA16155246
Wei C., Li L. Recent progress and scientific challenges in multi-material additive manufacturing via laser-based powder bed fusion. Virt. and Phys. Prot. 2021;16(3):347–371. DOI:10.1080/17452759.2021.1928520
Kolluri A. P. Multi-material additive manufacturing and future scope and expected progress. Multi-material Addit Manuf. Published online January 1, 2025:373–402. DOI:10.1016/B978‑0‑443‑29228‑6.00016‑5
Rafiee M., Farahani R. D., Therriault D. Multi-Material 3D and 4D Printing: A Survey. Adv Sci. 2020;7(12):1902307. DOI:10.1002/ADVS.201902307
Borisov E., Polozov I., Starikov K., Popovich A., Sufiiarov V. Structure and properties of Ti/Ti64 graded material manufactured by laser powder bed fusion. Materials. 2021;14(20):6140. DOI:10.3390/MA14206140
Fan H., Wang C., Tian Y., Zhou K., Yang S. Laser powder bed fusion (L-PBF) of Ti‑6Al‑4V/Ti‑6Al‑2Sn‑4Zr‑2Mo and Ti‑6Al‑4V/γ-TiAl bimetals: Processability, interface and mechanical properties. Mater. Sc. Eng. A. 2023;871:144907. DOI:10.1016/J.MSEA.2023.144907
Sing S.L., Lam L. P., Zhang D. Q., Liu Z. H., Chua C. K. Interfacial characterization of SLM parts in multi-material processing: Intermetallic phase formation between AlSi10Mg and C18400 copper alloy. Mater Charact. 2015;107:220–227. DOI:10.1016/J.MATCHAR.2015.07.007
Marques A., Cunha Â., Gasik M., Carvalho O., Silva F. S., Bartolomeu F. Inconel 718‑copper parts fabricated by 3D multi-material laser powder bed fusion: a novel technological and designing approach for rocket engine. Int J. Adv Manuf Technol. 2022;122(3–4):2113–2123. DOI: 10.1007/s00170‑022‑10011‑x
Meyer I., Oel M., Ehlers T., Lachmayer R. Additive manufacturing of multi-material parts – Design guidelines for manufacturing of 316L/CuCrZr in laser powder bed fusion. Heliyon. 2023;9(8): e18301. DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e18301
Hengsbach F., Koppa P., Holzweissig M. J., Aydinöz M. E., Taube A., Hoyer K. P., Starykov O., Tonn B., Niendorf T., Tröster T., Schaper M. Inline additively manufactured functionally graded multi-materials: microstructural and mechanical characterization of 316L parts with H13 layers. Prog Addit Manuf. 2018;3(4):221–231. DOI:10.1007/S40964‑018‑0044‑4
Sefene E. M. State-of-the-art of selective laser melting process: A comprehensive review. J. Manuf Syst. 2022;63:250–274. DOI:10.1016/J.JMSY.2022.04.002
Repnin A. V., Borisov E. V., Popovich A. A., Shamshurin A. I. Production of the VZh159-BrKhTsrT Multi-Material Using Selective Laser Melting Method. Russ J Non-Ferrous Met. 2024;65(2):122–131. DOI:10.1134/S1067821224600947
Repnin A., Borisov E., Emelianov A. Popovich A. Fracture Toughness of Ti6Al4V/Cp-Ti Multi-Material Produced via Selective Laser Melting. Met. 2023;13(10):1738. DOI:10.3390/MET13101738
Repnin A., Kim A., Popovich A. Interfacial Characterization of Selective Laser Melting of a SS316L/NiTi Multi-Material with a High-Entropy Alloy Interlayer. Cryst. 2023;13(10):1486. DOI:10.3390/CRYST13101486
Repnin A., Borisov E., Maksimov A., Rozhkova D., Popovich A. Investigation of the 4D Multi-Material 316L/FeNi36 Obtained by Selective Laser Melting. Micromachines. 2024;15(11):1288. DOI:10.3390/MI15111288/S1
Repnin A., Borisov E., Popovich A. Formation of the Cu+Nb Interlayer in the Inconel 718/Ti6Al4V Multi-Material Obtained by Selective Laser Melting. Mater. 2024;17(23):5801. DOI:10.3390/MA17235801
Информация об авторах
Репнин Арсений Вячеславович – к. т. н., инженер лаборатории «Синтез новых материалов и конструкций», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, e-mail: repnin_arseniy@mail.ru; Санкт Петербург, Россия.
ORCID: 0009-0001-3157-3317
Борисов Евгений Владиславович – к. т. н., вед. науч. сотрудник лаборатории «Синтез новых материалов и конструкций», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, e-mail: evgenii.borisov@icloud.com; Санкт Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0003-2464-6706
Попович Анатолий Анатольевич – д. т. н., профессор, директор института машиностроения, материалов и транспорта, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, e-mail: director@immet.spbstu.ru; Санкт Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0002-5974-6654
Вклад авторов
Репнин А. В.: исследование, формальный анализ, написание и редактирование рукописи; Борисов Е. В.: методология, написание и редактирование рукописи, управление проектом; Попович А. А.: концептуализация, привлечение финансирования, ресурсы.
Информация
о конфликте интересов
Авторы подтверждают, что у них нет известных финансовых или межличностных конфликтов, которые могли бы повлиять на исследование, представленное в этой рукописи.
Отзывы читателей
