金屬3D打�,。―ED）高溫合金功能梯度材料中的缺陷形成預防及減少

導讀：定向能量沉積（DED）是一種通過高功率激光或電子束聚焦在金屬材料上,，將供應到該區(qū)域的金屬粉末熔化以沉積材料的3D打印方法,。由于其精細的微觀結(jié)構(gòu)和快速凝固的特性,，DED工藝具有優(yōu)異的機械性能,。它還允許調(diào)整混合比,，同時通過兩個以上的料斗同時供應多種材料,。因此，該工藝可以制造具有各種混合比的多種材料,。

然而,，當不同種類的材料熔在一起時，由于晶格結(jié)構(gòu),、殘余熱應力,、熱膨脹系數(shù)（CET）和其他熱/物理性質(zhì)的差異，兩種異種材料的界面可能會發(fā)生分層或裂紋,。

2022年6月5日,，南極熊獲悉，為解決此類問題,，來自釜山韓國海洋大學的研究人員研究了功能梯度材料的缺陷形成原因和解決辦法,，并在《Journal of Materials Research and Technology》期刊上發(fā)表了題為“Defect of functionally graded material of inconel 718 and STS 316Lfabricated by directed energy deposition and its effect on mechanicalproperties”的論文。

相關論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 22000291?via%3Dihub

功能梯度材料

功能梯度材料（FGM）具有逐漸改變的界面特性,，它通過混合不同的材料,、改變它們的結(jié)晶或排列方式來制造在整體結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)梯度變化的特性。這意味著,，在一個單一的打印對象中,，你可以創(chuàng)建一個在不同點上同時具有剛性和柔性的iPhone外殼。

也許我們現(xiàn)在還不確定FGMs的實際應用價值，或者它們在未來的3D打印中會有多廣泛的應用,。然而,，可以肯定的是，如果所有的問題得到解決,，這將催生出新的應用方向,。

制造過程中普遍存在的缺陷是限制3D打印FGM應用的主要障礙之一。研究團隊通過控制不同材料在不同比例下的混合機制,，以了解缺陷發(fā)生的地方,。

△根據(jù)激光功率和送粉速度在橫截面上產(chǎn)生的缺陷示意圖

定向能沉積

值得關注的是，研究人員選用了定向能沉積（DED）技術(shù)來制備FGM部件,。在增材制造領域內(nèi),，定向能沉積要比粉末床熔融（PBF）受到的關注少得多。在這種情況下,，他們研究了不同材料（316L不銹鋼和Inconel 718鎳基高溫合金）之間的界面層,。在層之間，可能會出現(xiàn)裂縫和缺陷,，理想情況下,，相對于彼此的正確材料組合可以減少這種情況。

Do-Sik Shim教授說："Inconel718具有優(yōu)良的性能,，但它很昂貴,。通過將其與STS 316L混合以創(chuàng)造高性能的FGM，我們不僅提高了其技術(shù)和商業(yè)優(yōu)勢,，而且還提高了其經(jīng)濟可行性,，"

該團隊在實驗中使用了Optomec LENS系統(tǒng)，建立了一系列的部件,，并對梯度以及激光功率和進給率進行了調(diào)整,。他們制備了一些部件，將鋼打印在鉻鎳鐵合金上,，并在其中混入10%和25%的梯度變體,。在沒有梯度的樣品中，兩種材料之間形成了裂縫,。相比之下,，梯度樣品由于組織展現(xiàn)出柱狀晶到等軸晶的過渡形貌（FGM微觀結(jié)構(gòu)的過渡），以及沉淀相或包含鈦,、鋁或鉻雜質(zhì),，只在特定區(qū)域才顯現(xiàn)出裂縫。同時,，25%分級的樣品顯示出最高的拉伸強度和伸長率,。

△(a)   多層沉積的DED工藝和掃描程序和 (b) DED 機器的示意圖

"這些發(fā)現(xiàn)將導致該領域的改進,，例如降低成本，延長設備中的部件壽命,，以及增強功能,，"Shim教授認為。

現(xiàn)在,，研究團隊將研究幾何形狀以及它們?nèi)绾斡绊懰麄兊慕Y(jié)果,。DED總是被看作是一種非常粗糙的技術(shù),，由于打印系統(tǒng)缺乏對溫度和氣流的控制,，以及粗糙的表面，意味著這個過程往往需要大量的加工,，并且不能建造最復雜的零件,。然而，PBF受到腔體大小的限制,，使得大型尺寸的（1m長以上）的零件非常昂貴,。同時，大型粘結(jié)劑噴射部件在其生坯狀態(tài)下會因其自身重量而變形或倒塌,。DED確實是我們制造幾米或更大的結(jié)構(gòu)件的最佳選擇,。因此，韓國研究團隊進行的這項工作對于將DED推進到成為一種更可行的生產(chǎn)技術(shù)具有重要的意義,。

研究結(jié)果

通過對不同的DED工藝參數(shù)對Inconel718 和 STS 316L進行了實驗,，研究人員建立匹配的工藝參數(shù)。在設定的工藝條件下,，評估了 Inconel 718 和 STS 316L 的FGM沉積電位,。在非分級、分級 (25) 和分級 (10) 樣品的條件下對 FGM 進行了沉積特性,、力學性能和微觀結(jié)構(gòu)研究,。得到的結(jié)果如下：

△不同混合比的Inconel 718 和 STS 316L 粉末制備非分級和分級材料的示意圖

(1)通過在不同的激光功率和粉末進料速率下進行多層沉積實驗來分析沉積層和缺陷。確認根據(jù)工藝參數(shù),，缺陷和沉積熔池的形狀有所不同,。根據(jù)激光功率和送粉速度變化而出現(xiàn)的沉積缺陷可以通過實驗得到證實。

(2)FGM 沉積條件是根據(jù)為每種粉末建立的條件設定的,。在非梯度樣品中,，由于冷卻速度、兩種材料之間的熱膨脹系數(shù)和SiO2的差異,，在界面附近出現(xiàn)了裂紋,。而在分級樣品中，在特定區(qū)域形成了垂直裂紋,，這些裂紋是由柱狀到等軸轉(zhuǎn)變（CET）,、析出物和Ti、Al或Cr夾雜物而形成的。

(3)對未分級和分級樣品的硬度特性研究表明,，分級樣品中觀察到平滑的硬度變化,，與未分級樣品不同。硬度的溫和轉(zhuǎn)變是由于從 Inconel 718 到 STS 316L 的持續(xù)成分變化,，證明了 FGM 鍍層的有用性,。然而，在發(fā)生垂直裂紋的區(qū)域,，硬度急劇下降,。硬度最低的區(qū)域與沉淀導致裂紋的區(qū)域相匹配。

(4)與單一材料沉積物相比,，非分級和分級樣品的拉伸強度和伸長率較低,。當比較未分級和分級樣品時，分級（25）樣品的拉伸強度和伸長率相對較好,，而分級（10）樣品的拉伸強度和伸長率最低,。結(jié)果，機械性能可能會根據(jù) FGM 的混合比而改變,。因此,，為 FGM 沉積物選擇適當?shù)幕旌媳戎陵P重要。

測試結(jié)果證實,，力學性能因梯度成分而異,，因此選擇合適的梯度成分對 DED 制造的 FGM 至關重要。此外,，機械性能會根據(jù) FGM 混合比例而變化,，需要優(yōu)化工藝以設定合適的混合比例并限制裂紋。FGM沉積物（不包括出現(xiàn)裂紋的混合比）設置比分級 (25) 樣品更寬的混合比,，在預熱基板的同時產(chǎn)生沉積物,，并為每層沉積提供足夠的停留時間以抑制裂紋并改善 FGM 沉積物的機械性能，在這項研究中,，判斷未來在去除裂紋發(fā)生區(qū)域后,，F(xiàn)GM 沉積物會提高抗拉強度和伸長率。

當航天飛機穿越大氣層時,，其燃燒室必須承受惡劣的環(huán)境以及高達 1000-2000 K 的溫度,，這些溫度非常極端，以至于傳統(tǒng)的復合材料無法滿足所需的性能標準,。在這種情況下,，復合材料的失效通過分層發(fā)生，在此期間纖維與基體分離,。因此,，當在高溫環(huán)境中使用的部件上應用 FGM 沉積時,，將實現(xiàn)成本節(jié)約和部件壽命的提高。