High Pressure Die Casting (HPDC) with Laser Additively Manufactured (LAM) Lattice Inserts: An Exploratory Study on Densification and Interfacial Microstructure
这项探索性研究表明，通过高压压铸工艺（特别是利用强化压力），将激光增材制造的 316L 不锈钢点阵嵌入件植入 EN AC-43500 铝合金中，能够实现高致密化和稳固且无缺陷的机械结合，同时抑制有害金属间化合物相的形成。
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想象一个重型金属零件被更轻、更强韧的版本取代的世界，而这些版本在承受巨大压力时依然稳固。这就是将两种截然不同的制造技术结合起来所带来的承诺：高压压铸（一种用于大规模生产复杂金属形状，如汽车发动机缸体，并已沿用数十年的方法）与增材制造（工业界对3D打印的称呼）。虽然3D打印允许工程师创造出通过其他任何方式都无法实现的复杂内部结构，但高压压铸则是速度和表面光洁度的冠军。多年来，研究人员一直试图融合这两个世界，主要通过使用3D打印在模具内部制造更好的冷却通道。然而，一种新的方法提出了一个更大胆的问题：如果3D打印的对象不仅仅是制造零件的工具，而是作为最终产品中一个永久性的、功能性的组成部分呢？这就是将精细的、类似海绵状的3D打印晶格直接嵌入固体金属铸件中的挑战，这一过程要求熔融金属能够完美地流入微小的缝隙中，而不留下空隙或在两种材料交界处产生薄弱点。
在德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）的铸造研究所，一个研究团队致力于解决这个难题。他们采用了由不锈钢制成的3D打印结构，这些结构设计有两种被称为体心立方（body-centered cubic）和凯尔文（Kelvin）细胞的重复模式。这些模式看起来像是由支柱和节点组成的复杂几何支架。研究小组为这些支架设计了两种不同的支柱厚度，一组为0.6毫米，另一组为1.2毫米。随后，他们将这些钢制嵌件放入模具中，并将熔融铝合金注入空腔，希望液体金属能淹没钢制晶格，填满每一个角落，从而创造出一个单一的、实心的混合部件。他们测试的关键变量是压力。在标准铸造中，金属被推入并使其冷却。而在这次实验中，研究人员在填充过程的最后阶段施加了一个巨大的额外挤压，即所谓的增压压力，以迫使金属深入进入钢结构内部。他们还测试了金属必须行进的距离，对比了晶格紧邻浇注点以及晶格位于较远位置时的样本情况。
结果表明，额外的挤压不仅是有帮助，更是必不可少的。如果没有增压压力，熔融铝就难以渗透进钢制晶格，导致结构内充满空隙且填充不良。金属无法在开始冷却变硬之前，足够快地穿过那些微小的通道。然而，当研究人员在循环结束时施加高压时，致密化程度得到了显著改善。金属被强行压入晶格深处，形成了一个近乎实心的复合体。有趣的是，金属行进的距离比钢支柱的厚度更为重要。当晶格远离浇注点时，高压的效果最好，能够将金属以极高的均匀性推入结构中。当晶格靠近浇注点时，金属有时会撞击钢结构并产生反弹，或者压力分布不均，导致填充不够完美。研究发现，最佳结果来自于高压与较长流径的结合，这使得金属能够更平缓、更完整地沉降到晶格中。
铸件完成后，团队仔细观察了钢与铝接触的边界。他们原本预期会看到一种混乱的化学反应，这是两种不同金属熔合在一起时的常见问题，通常会产生导致零件失效的脆性层。然而，他们发现两类材料交界处有一条清晰、锐利的线条，没有出现厚重的脆性反应层。这种结合并非通过金属之间的化学熔合形成的；相反，铝是通过物理方式锁合在3D打印钢材粗糙的表面和微孔中的。这种机械互锁作用足以将这两种性质不同的材料结合在一起，而无需化学融合区。高压压铸过程中的快速冷却在此发挥了英雄作用，它让金属迅速凝固，使得钢中的富铁元素没有时间扩散到铝中并形成脆弱的化合物。
最终制成的零件不仅填充良好，而且结构稳固。当研究人员测量材料的硬度时，他们看到了明显的区别：3D打印的钢明显比铸造铝更硬，且两者之间的过渡非常锐利，证实了这两种材料保持了各自的特性，而非融合成了弱质的混合物。这项研究证明，只要对铸造过程进行精确控制，将复杂的3D打印钢晶格嵌入铝铸件中是完全可行的。关键在于利用高压将金属压入晶格，并依靠过程的速度来防止两种金属发生会导致结合强度下降的反应。这为制造比单一制造方法单独实现的目标更轻、更强的混合部件开辟了一条路径，为需要减轻重量且不牺牲性能的行业提供了新的可能性。
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