适用于功能梯度材料的选区激光熔化与冷喷复合增材制造技术

供稿人:张晓宇 李涤尘

选区激光熔化技术是利用高能的激光热源将金属粉末熔化、逐层累加制造出近净成形工件的过程，该技术具有加工精度高、性能好的特点，但选区激光熔化技术在制造不相容材料、不可焊材料以及高反射率材料（如铝合金）时容易产生内部缺陷，影响性能。冷喷技术是通过拉瓦尔喷嘴将粉末加速至超音速后沉积成形的过程，由于该技术为冷加工过程，可实现对部分不可焊材料进行增材制造，但在加工高质强比、高硬度的材料（如TC4）时较难通过冷喷技术实现沉积。选区激光熔化与冷喷复合的增材制造技术，可适用于功能梯度材料的成形。

图一 复合制造试样示意图

都柏林大学圣三一学院Shuo Yin等人利用选区激光熔化与冷喷复合增材制造技术，在选区激光熔化的钛合金上冷喷铝合金成功加工出功能梯度材料，并对其微观结构进行了研究。这种复合的增材制造工艺有效地防止了不同材料连接处脆性相出现，成形出了含不可焊金属成分的致密的、可机械加工的功能梯度材料。尽管通过该技术得到了致密的微观结构，但仍具有一定缺陷。在采用激光选区熔化制造TC4时，由于未熔颗粒累积和表面粗糙度的影响，试样中有较大的孔洞缺陷。而在冷喷过程中缺陷主要表现为粉末未完全塑性变形产生的较小孔洞。通过激光选区熔化制造的TC4试样晶粒表现为针状马氏体组织，不同于粉末材料的α和β相，使得硬度有所提高。冷喷加工过程晶粒结构并没有发生变化，但由于加工硬化效应试样硬度相比粉末有较大提升。此外，断口分析表明功能梯度材料具有较高的结合强度。

图二 复合制造试样内部缺陷图

该研究展示了一种复合制造的方式，对成形试样进行了组织力学分析，为今后面向功能梯度材料的增材制造方式提供了新的可能。

参考文献：
Shuo Yin, Xingchen Yan, Chaoyue Chen, Richard Jenkins, Min Liu, Rocco Lupoi, Hybrid additive manufacturing of Al-Ti6Al4V functionally graded materials with selective laser melting and cold spraying, Journal of Materials Processing Technology,Volume 255,2018,Pages 650-655,ISSN 0924-0136,

供稿人:张晓宇 李涤尘 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室