高性能梯度功能材料激光增材制造研究現(xiàn)狀

來源：中國粉體網(wǎng)

導(dǎo)讀：梯度功能材料是由兩種或多種材料復(fù)合且成分呈連續(xù)梯度變化的一種新型復(fù)合材料,，在當(dāng)今飛速發(fā)展的工程領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。但傳統(tǒng)的梯度功能材料制備技術(shù)無法滿足航空,、醫(yī)療,、軍事等工業(yè)領(lǐng)域的需要。而增材制造作為一種新興技術(shù),，提供了一種全新的思路來解決梯度功能材料的制備問題,。

1功能梯度材料

功能梯度材料（Functionallygradedmaterial，F(xiàn)GM）是一種先進(jìn)的工程材料,，具有空間漸變的組分,、孔隙或微結(jié)構(gòu)，能在嚴(yán)苛的工作環(huán)境下保持材料性能,、避免零件失效,。

功能梯度材料的概念于1984年由日本學(xué)者新野正之與平井敏雄首次提出，其設(shè)計(jì)思想是采用沿厚度方向組分連續(xù)變化的陶瓷/金屬功能梯度材料,，來解決材料內(nèi)部的界面熱應(yīng)力問題,。相較常規(guī)的復(fù)合材料，功能梯度材料在梯度層中實(shí)現(xiàn)了組分連續(xù)變化,，減少了層間熱膨脹系數(shù),、彈性模量等材料性能差異，降低了界面應(yīng)力,，既提高了材料性能和可靠性又保證了材料復(fù)合特性,。

時(shí)至今日，功能梯度材料已經(jīng)從最初的耐高溫隔熱材料,，延伸至生物醫(yī)學(xué)工程,、核工業(yè)、航空航天,、半導(dǎo)體光電,、國防軍工等領(lǐng)域，并越來越受到各國專家學(xué)者的重視,。

隨著功能梯度材料的廣泛應(yīng)用,，制備周期長、工序復(fù)雜的傳統(tǒng)制造技術(shù)越發(fā)難以滿足可定制,、復(fù)雜形狀功能梯度材料的快速制備,，需要一種更柔性,、更高效的制造技術(shù)來促進(jìn)功能梯度材料的發(fā)展。激光增材制造（LAM）技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一項(xiàng)集計(jì)算機(jī),、數(shù)控,、材料、激光等于一體的新型先進(jìn)制造技術(shù),。

傳統(tǒng)的多材料增材制造與多材料FGAM

2激光增材制造原理

激光增材制造技術(shù),，是基于微積分的思想，采用激光作為能量源,，對(duì)預(yù)置的或同步送進(jìn)的金屬粉末進(jìn)行逐層激光熔覆,，通過材料添加的方式一層一層堆積制備出實(shí)體零件。

激光增材制造原理圖

上圖為激光增材制造原理圖,。先通過計(jì)算機(jī)對(duì)所要制備零件進(jìn)行三維CAD建模,，并將CAD模型按一定厚度切分成薄片，使零件由復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)離散成一系列二維平面結(jié)構(gòu),，然后對(duì)每個(gè)二維輪廓的掃描軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì),，并將處理后的數(shù)據(jù)傳給數(shù)控系統(tǒng)以形成數(shù)控代碼，最后在計(jì)算機(jī)程序控制下,，采用激光熔覆的方法將粉末材料按照設(shè)定路線進(jìn)行逐行,、逐層堆積，最終形成三維實(shí)體零件或僅需少量加工的毛坯件,。

3激光增材制造分類

因其是在世界各地不同研究機(jī)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立地發(fā)展,，因此激光增材制造技術(shù)擁有諸多名稱，但原理基本相似,。最具代表性的激光增材制造技術(shù)為以同步送粉為技術(shù)特征的激光熔化沉積技術(shù)（LMD）和以粉末鋪床為技術(shù)特征的激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）。

激光熔化沉積技術(shù)是用高能激光束照射在基體表面,，形成熔池,，送粉器將金屬粉末送入熔池中使其快速熔凝，從而與金屬基體形成冶金結(jié)合層覆蓋在基體表面,，形成新的金屬層,。

激光選區(qū)熔化技術(shù)與激光熔化沉積技術(shù)的區(qū)別在于粉末添置形式的不同，激光選區(qū)熔化技術(shù)在激光束進(jìn)行掃描前,，先利用鋪粉輥在基體上預(yù)鋪一層金屬粉末,，然后用激光束按照預(yù)設(shè)的掃描軌跡對(duì)粉末進(jìn)行有選擇的熔化，每熔化完一層成型缸下降預(yù)設(shè)高度,，同時(shí)鋪粉缸上升預(yù)設(shè)高度,，鋪粉輥均勻鋪下一層粉末，如此一層層疊加直至形成最后所需零件,。

4梯度功能材料激光增材制造研究進(jìn)展

激光增材制造技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向是制備高性能梯度功能材料,，該領(lǐng)域已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，目前高性能梯度功能材料激光增材制造的研究主要集中于金屬材料／金屬材料、金屬材料／陶瓷材料等組合的研究,。

圖：梯度材料制備示意

圖：梯度粉層鋪放

4.1金屬／金屬梯度功能材料激光增材制造

金屬材料具有其他工程材料無法比擬的優(yōu)異的綜合物理,、化學(xué)和力學(xué)性能。通過調(diào)整金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提高其性能已成為近些年材料研究的主要方向,，在金屬材料中引入梯度結(jié)構(gòu),，打破原本耦合在一起的材料性能，允許其中一個(gè)或多個(gè)性能單獨(dú)改善,，可使材料的整體性能和使役性能得到極大優(yōu)化和提升,。國內(nèi)外研究人員采用先進(jìn)的激光增材制造技術(shù)制備了不同種類的金屬／金屬梯度功能材料，對(duì)其組織性能等方面做出了深入的研究,。

4.2金屬／陶瓷梯度功能材料激光增材制造

從20世紀(jì)70年代開始,，人們就在從事金屬上制備陶瓷涂層的研究。直到80年代末,，采用激光增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)金屬表面改性逐漸發(fā)展起來,。目前此方法已經(jīng)成為在金屬表面改性中最具價(jià)值和發(fā)展前景的技術(shù)之一，在很多領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用,。

由于金屬材料和陶瓷材料的熔點(diǎn)不同,，這樣會(huì)在金屬熔池中產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流，容易破壞金屬和陶瓷之間的結(jié)合,。通過原位反應(yīng)生成的增強(qiáng)相與基體有較好的濕潤性,，同時(shí)反應(yīng)所放出的熱量有助于增加陶瓷和金屬的濕潤性，所以原位自生的陶瓷增強(qiáng)相與基體結(jié)合更牢固,，是解決界面結(jié)合問題的有效方法,。因此，原位自生金屬基陶瓷復(fù)合材料受到國內(nèi)外研究人員的普遍關(guān)注,，并初見成效,。

雖然該領(lǐng)域的發(fā)展已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但尚存在很多問題需要進(jìn)一步研究和解決,，比如目前關(guān)于高性能梯度功能材料的激光增材制造所使用的金屬材料主要集中在鈦合金方面,，其他金屬材料的研究相對(duì)較少。此外,，研究重點(diǎn)一般為梯度功能材料的顯微組織演變,、相組成以及力學(xué)性能檢測(cè)，而對(duì)于工藝參數(shù)的選擇以及梯度功能材料激光增材制造的具體制備過程還缺乏深入的認(rèn)識(shí),。因此不能從所涉及的許多相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域得到充分的技術(shù)支持,，從而限制了其應(yīng)用。