journal article·2026-05-15Open access

Mixing‐Driven Defects and Composition Evolution in Multi‐Material Metal Additive Manufacturing

Zhilang Zhang, Steve Gaudez, Mario Togni, Steven Van Petegem, Markus Bambach, Mamzi Afrasiabi

Abstract

ABSTRACT Multi‐material laser powder bed fusion (LPBF) enables the fabrication of components with spatially tailored compositions, but reliable process design remains largely limited by an incomplete understanding of melt pool interactions, mixing‐induced instabilities, and defect formation. In this work, we combine operando synchrotron X‐ray radiography with high‐fidelity multi‐material multiphysics modeling to resolve, for the first time, the real‐time coupling between inter‐material mixing, keyhole instability, and pore formation. We show that material mixing fundamentally alters the stability landscape of the keyhole, giving rise to composition‐driven shape transitions and mixing‐induced collapse events that generate large pores. Meanwhile, microscale gas entrapment during forced convection of dissimilar materials produces a distinct class of fine pores. Quantitative mapping of transient composition fields reveals how local alloying gradients govern defect trajectories and melt pool transport. This work establishes a validated mechanistic framework for multi‐material LPBF and provides a quantitative basis for process optimization toward defect‐controlled, compositionally graded metal additive manufacturing.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Additive Manufacturing Materials and Processes · Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies · Cellular and Composite Structures

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

School of Advanced Manufacturing and Robotics Peking University Beijing China

Center for Photon Science Paul Scherrer Institut Forschungsstr Villigen Switzerland

Advanced Manufacturing Lab ETH Zurich Leonhardstr Zurich Switzerland

Funding

Schweizerischer Nationalfonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung

References (65)

Show source-provided references
1. 10.1126/science.abg148710.1126/science.abg1487 ↗
2. 10.1103/RevModPhys.94.04500210.1103/RevModPhys.94.045002 ↗
3. 10.1016/j.actamat.2016.11.01810.1016/j.actamat.2016.11.018 ↗
4. 10.1016/j.addma.2024.10461810.1016/j.addma.2024.104618 ↗
5. 10.1038/nature2389410.1038/nature23894 ↗
6. The Effect of Process Parameters on Residual Stress Evolution and Distortion in the Laser Powder Bed Fusion of Ti‐6Al‐4V
7. 10.1038/s41467-020-16188-710.1038/s41467-020-16188-7 ↗
8. 10.1002/advs.20240081610.1002/advs.202400816 ↗
9. 10.1038/s44334-025-00020-510.1038/s44334-025-00020-5 ↗
10. 10.1016/j.addma.2023.10340710.1016/j.addma.2023.103407 ↗
11. 10.1016/j.actamat.2016.12.07010.1016/j.actamat.2016.12.070 ↗
12. 10.1016/j.addma.2025.10495010.1016/j.addma.2025.104950 ↗
13. 10.1080/17452759.2025.252679810.1080/17452759.2025.2526798 ↗
14. 10.1016/j.matchar.2022.11219510.1016/j.matchar.2022.112195 ↗
15. 10.1016/j.jmatprotec.2024.11847910.1016/j.jmatprotec.2024.118479 ↗
16. 10.1080/17452759.2024.242913210.1080/17452759.2024.2429132 ↗
17. 10.1016/j.addma.2023.10344710.1016/j.addma.2023.103447 ↗
18. 10.1016/j.jallcom.2022.16407910.1016/j.jallcom.2022.164079 ↗
19. 10.1016/j.addma.2019.10097010.1016/j.addma.2019.100970 ↗
20. 10.1038/s41467-023-40456-x10.1038/s41467-023-40456-x ↗
21. 10.1016/j.addma.2023.10340810.1016/j.addma.2023.103408 ↗
22. 10.1002/advs.20220354610.1002/advs.202203546 ↗
23. 10.1038/s41467-019-10973-910.1038/s41467-019-10973-9 ↗
24. 10.1080/21663831.2021.196653710.1080/21663831.2021.1966537 ↗
25. 10.1016/j.actamat.2018.12.02710.1016/j.actamat.2018.12.027 ↗
26. 10.1016/j.addma.2024.10416610.1016/j.addma.2024.104166 ↗
27. 10.1016/j.msea.2024.14663810.1016/j.msea.2024.146638 ↗
28. 10.1126/science.abj377010.1126/science.abj3770 ↗
29. 10.1038/s41467-024-54133-010.1038/s41467-024-54133-0 ↗
30. 10.1016/j.addma.2025.10475410.1016/j.addma.2025.104754 ↗
31. 10.1016/j.addma.2025.10497110.1016/j.addma.2025.104971 ↗
32. 10.1016/j.scriptamat.2025.11668110.1016/j.scriptamat.2025.116681 ↗
33. 10.1016/j.actamat.2016.02.01410.1016/j.actamat.2016.02.014 ↗
34. 10.1016/j.actamat.2017.05.06110.1016/j.actamat.2017.05.061 ↗
35. 10.1016/j.actamat.2020.06.03310.1016/j.actamat.2020.06.033 ↗
36. 10.1016/j.addma.2022.10264510.1016/j.addma.2022.102645 ↗
37. 10.1016/j.cma.2018.06.03310.1016/j.cma.2018.06.033 ↗
38. 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.12437810.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124378 ↗
39. 10.1016/j.cma.2025.11842310.1016/j.cma.2025.118423 ↗
40. 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.11945810.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119458 ↗
41. 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.12285510.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122855 ↗
42. 10.1016/j.addma.2020.10144810.1016/j.addma.2020.101448 ↗
43. 10.1016/j.addma.2023.10348110.1016/j.addma.2023.103481 ↗
44. 10.1126/science.aav468710.1126/science.aav4687 ↗
45. 10.1126/science.abd158710.1126/science.abd1587 ↗
46. 10.1038/s41467-023-43371-310.1038/s41467-023-43371-3 ↗
47. 10.1016/j.addma.2025.10475610.1016/j.addma.2025.104756 ↗
48. 10.1016/j.ijmachtools.2024.10422410.1016/j.ijmachtools.2024.104224 ↗
49. 10.1002/advs.20251365210.1002/advs.202513652 ↗
50. 10.1038/s41467-022-28694-x10.1038/s41467-022-28694-x ↗
51. 10.1038/s41467-024-45913-910.1038/s41467-024-45913-9 ↗
52. 10.1016/j.addma.2026.10514910.1016/j.addma.2026.105149 ↗
53. 10.1038/s41467-019-10009-210.1038/s41467-019-10009-2 ↗
54. 10.1016/j.jmatprotec.2025.11916310.1016/j.jmatprotec.2025.119163 ↗
55. 10.1016/j.cirpj.2025.07.00110.1016/j.cirpj.2025.07.001 ↗
56. 10.1016/j.addma.2020.10119410.1016/j.addma.2020.101194 ↗
57. 10.1016/j.actamat.2014.08.01610.1016/j.actamat.2014.08.016 ↗
58. 10.1126/sciadv.aar400410.1126/sciadv.aar4004 ↗
59. 10.1016/j.jcp.2009.04.02710.1016/j.jcp.2009.04.027 ↗
60. 10.1016/j.msea.2005.09.02410.1016/j.msea.2005.09.024 ↗
61. 10.1016/j.apm.2012.08.00510.1016/j.apm.2012.08.005 ↗
62. 10.1016/j.csite.2023.10347710.1016/j.csite.2023.103477 ↗
63. 10.1016/j.jmatprotec.2011.09.01110.1016/j.jmatprotec.2011.09.011 ↗
64. 10.1364/AO.54.00247710.1364/AO.54.002477 ↗
65. 10.1016/j.cma.2022.11542210.1016/j.cma.2022.115422 ↗