高性能梯度功能材料激光增材制造研究現狀
時間：2022-03-20 20:17 來源：中國粉體網 作者：admin 閱讀：次
導讀：梯度功能材料是由兩種或多種材料復合且成分呈連續梯度變化的一種新型復合材料，在當今飛速發展的工程領域受到了廣泛的關注。但傳統的梯度功能材料制備技術無法滿足航空、醫療、軍事等工業領域的需要。而增材制造作為一種新興技術，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，FGM）是一種先進的工程材料，具有空間漸變的組分、孔隙或微結構，能在嚴苛的工作環境下保持材料性能、避免零件失效。功能梯度材料的概念于1984年由日本學者新野正之與平井敏雄首次提出，其設計思想是采用沿厚度方向組分連續變化的陶瓷/金屬功能梯度材料，來解決材料內部的界面熱應力問題。相較常規的復合材料，功能梯度材料在梯度層中實現了組分連續變化，減少了層間熱膨脹系數、彈性模量等材料性能差異，降低了界面應力，既提高了材料性能和可靠性又保證了材料復合特性。
時至今日，功能梯度材料已經從最初的耐高溫隔熱材料，延伸至生物醫學工程、核工業、航空航天、半導體光電、國防軍工等領域，并越來越受到各國專家學者的重視。隨著功能梯度材料的廣泛應用，制備周期長、工序復雜的傳統制造技術越發難以滿足可定制、復雜形狀功能梯度材料的快速制備，需要一種更柔性、更高效的制造技術來促進功能梯度材料的發展。激光增材制造（LAM）技術是20世紀90年代發展起來的一項集計算機、數控、材料、激光等于一體的新型先進制造技術。
2激光增材制造原理
激光增材制造技術，是基于微積分的思想，采用激光作為能量源，對預置的或同步送進的金屬粉末進行逐層激光熔覆，通過材料添加的方式一層一層堆積制備出實體零件。
3激光增材制造分類
因其是在世界各地不同研究機構相對獨立地發展，因此激光增材制造技術擁有諸多名稱，但原理基本相似。最具代表性的激光增材制造技術為以同步送粉為技術特征的激光熔化沉積技術（LMD）和以粉末鋪床為技術特征的激光選區熔化技術（SLM）。激光熔化沉積技術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合層覆蓋在基體表面，形成新的金屬層。
激光選區熔化技術與激光熔化沉積技術的區別在于粉末添置形式的不同，激光選區熔化技術在激光束進行掃描前，先利用鋪粉輥在基體上預鋪一層金屬粉末，然后用激光束按照預設的掃描軌跡對粉末進行有選擇的熔化，每熔化完一層成型缸下降預設高度，同時鋪粉缸上升預設高度，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展
激光增材制造技術的一個重要發展方向是制備高性能梯度功能材料，該領域已引起國內外學者的廣泛關注，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。
金屬材料具有其他工程材料無法比擬的優異的綜合物理、化學和力學性能。通過調整金屬材料的微觀結構來進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構，打破原本耦合在一起的材料性能，允許其中一個或多個性能單獨改善，可使材料的整體性能和使役性能得到極大優化和提升。國內外研究人員采用先進的激光增材制造技術制備了不同種類的金屬／金屬梯度功能材料，對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實現金屬表面改性逐漸發展起來。目前此方法已經成為在金屬表面改性中最具價值和發展前景的技術之一，在很多領域已得到廣泛的應用。
由于金屬材料和陶瓷材料的熔點不同，這樣會在金屬熔池中產生強烈的對流，容易破壞金屬和陶瓷之間的結合。通過原位反應生成的增強相與基體有較好的濕潤性，同時反應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相與基體結合更牢固，是解決界面結合問題的有效方法。因此，原位自生金屬基陶瓷復合材料受到國內外研究人員的普遍關注，并初見成效。
雖然該領域的發展已經取得了長足的進步，但尚存在很多問題需要進一步研究和解決，比如目前關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較少。此外，研究重點一般為梯度功能材料的顯微組織演變、相組成以及力學性能檢測，而對于工藝參數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識。因此不能從所涉及的許多相關技術領域得到充分的技術支持，從而限制了其應用。
1功能梯度材料
功能梯度材料（Functionallygradedmaterial，FGM）是一種先進的工程材料，具有空間漸變的組分、孔隙或微結構，能在嚴苛的工作環境下保持材料性能、避免零件失效。功能梯度材料的概念于1984年由日本學者新野正之與平井敏雄首次提出，其設計思想是采用沿厚度方向組分連續變化的陶瓷/金屬功能梯度材料，來解決材料內部的界面熱應力問題。相較常規的復合材料，功能梯度材料在梯度層中實現了組分連續變化，減少了層間熱膨脹系數、彈性模量等材料性能差異，降低了界面應力，既提高了材料性能和可靠性又保證了材料復合特性。
時至今日，功能梯度材料已經從最初的耐高溫隔熱材料，延伸至生物醫學工程、核工業、航空航天、半導體光電、國防軍工等領域，并越來越受到各國專家學者的重視。隨著功能梯度材料的廣泛應用，制備周期長、工序復雜的傳統制造技術越發難以滿足可定制、復雜形狀功能梯度材料的快速制備，需要一種更柔性、更高效的制造技術來促進功能梯度材料的發展。激光增材制造（LAM）技術是20世紀90年代發展起來的一項集計算機、數控、材料、激光等于一體的新型先進制造技術。
傳統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，是基于微積分的思想，采用激光作為能量源，對預置的或同步送進的金屬粉末進行逐層激光熔覆，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。先通過計算機對所要制備零件進行三維CAD建模，并將CAD模型按一定厚度切分成薄片，使零件由復雜的三維立體結構離散成一系列二維平面結構，然后對每個二維輪廓的掃描軌跡進行設計，并將處理后的數據傳給數控系統以形成數控代碼，最后在計算機程序控制下，采用激光熔覆的方法將粉末材料按照設定路線進行逐行、逐層堆積，最終形成三維實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構相對獨立地發展，因此激光增材制造技術擁有諸多名稱，但原理基本相似。最具代表性的激光增材制造技術為以同步送粉為技術特征的激光熔化沉積技術（LMD）和以粉末鋪床為技術特征的激光選區熔化技術（SLM）。激光熔化沉積技術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合層覆蓋在基體表面，形成新的金屬層。
激光選區熔化技術與激光熔化沉積技術的區別在于粉末添置形式的不同，激光選區熔化技術在激光束進行掃描前，先利用鋪粉輥在基體上預鋪一層金屬粉末，然后用激光束按照預設的掃描軌跡對粉末進行有選擇的熔化，每熔化完一層成型缸下降預設高度，同時鋪粉缸上升預設高度，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展
激光增材制造技術的一個重要發展方向是制備高性能梯度功能材料，該領域已引起國內外學者的廣泛關注，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異的綜合物理、化學和力學性能。通過調整金屬材料的微觀結構來進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構，打破原本耦合在一起的材料性能，允許其中一個或多個性能單獨改善，可使材料的整體性能和使役性能得到極大優化和提升。國內外研究人員采用先進的激光增材制造技術制備了不同種類的金屬／金屬梯度功能材料，對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實現金屬表面改性逐漸發展起來。目前此方法已經成為在金屬表面改性中最具價值和發展前景的技術之一，在很多領域已得到廣泛的應用。
由于金屬材料和陶瓷材料的熔點不同，這樣會在金屬熔池中產生強烈的對流，容易破壞金屬和陶瓷之間的結合。通過原位反應生成的增強相與基體有較好的濕潤性，同時反應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相與基體結合更牢固，是解決界面結合問題的有效方法。因此，原位自生金屬基陶瓷復合材料受到國內外研究人員的普遍關注，并初見成效。
雖然該領域的發展已經取得了長足的進步，但尚存在很多問題需要進一步研究和解決，比如目前關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較少。此外，研究重點一般為梯度功能材料的顯微組織演變、相組成以及力學性能檢測，而對于工藝參數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識。因此不能從所涉及的許多相關技術領域得到充分的技術支持，從而限制了其應用。
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