高性能梯度功能材料激光增材制造研究现状

来源：中国粉体网

导读：梯度功能材料是由两种或多种材料复合且成分呈连续梯度变化的一种新型复合材料，在当今飞速发展的工程领域受到了广泛的关注。但传统的梯度功能材料制备技术无法满足航空、医疗、军事等工业领域的需要。而增材制造作为一种新兴技术，提供了一种全新的思路来解决梯度功能材料的制备问题。

1功能梯度材料

功能梯度材料（Functionallygradedmaterial，FGM）是一种先进的工程材料，具有空间渐变的组分、孔隙或微结构，能在严苛的工作环境下保持材料性能、避免零件失效。

功能梯度材料的概念于1984年由日本学者新野正之与平井敏雄首次提出，其设计思想是采用沿厚度方向组分连续变化的陶瓷/金属功能梯度材料，来解决材料内部的界面热应力问题。相较常规的复合材料，功能梯度材料在梯度层中实现了组分连续变化，减少了层间热膨胀系数、弹性模量等材料性能差异，降低了界面应力，既提高了材料性能和可靠性又保证了材料复合特性。

时至今日，功能梯度材料已经从最初的耐高温隔热材料，延伸至生物医学工程、核工业、航空航天、半导体光电、国防军工等领域，并越来越受到各国专家学者的重视。

随着功能梯度材料的广泛应用，制备周期长、工序复杂的传统制造技术越发难以满足可定制、复杂形状功能梯度材料的快速制备，需要一种更柔性、更高效的制造技术来促进功能梯度材料的发展。激光增材制造（LAM）技术是20世纪90年代发展起来的一项集计算机、数控、材料、激光等于一体的新型先进制造技术。

传统的多材料增材制造与多材料FGAM

2激光增材制造原理

激光增材制造技术，是基于微积分的思想，采用激光作为能量源，对预置的或同步送进的金属粉末进行逐层激光熔覆，通过材料添加的方式一层一层堆积制备出实体零件。

激光增材制造原理图

上图为激光增材制造原理图。先通过计算机对所要制备零件进行三维CAD建模，并将CAD模型按一定厚度切分成薄片，使零件由复杂的三维立体结构离散成一系列二维平面结构，然后对每个二维轮廓的扫描轨迹进行设计，并将处理后的数据传给数控系统以形成数控代码，最后在计算机程序控制下，采用激光熔覆的方法将粉末材料按照设定路线进行逐行、逐层堆积，最终形成三维实体零件或仅需少量加工的毛坯件。

3激光增材制造分类

因其是在世界各地不同研究机构相对独立地发展，因此激光增材制造技术拥有诸多名称，但原理基本相似。最具代表性的激光增材制造技术为以同步送粉为技术特征的激光熔化沉积技术（LMD）和以粉末铺床为技术特征的激光选区熔化技术（SLM）。

激光熔化沉积技术是用高能激光束照射在基体表面，形成熔池，送粉器将金属粉末送入熔池中使其快速熔凝，从而与金属基体形成冶金结合层覆盖在基体表面，形成新的金属层。

激光选区熔化技术与激光熔化沉积技术的区别在于粉末添置形式的不同，激光选区熔化技术在激光束进行扫描前，先利用铺粉辊在基体上预铺一层金属粉末，然后用激光束按照预设的扫描轨迹对粉末进行有选择的熔化，每熔化完一层成型缸下降预设高度，同时铺粉缸上升预设高度，铺粉辊均匀铺下一层粉末，如此一层层叠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进展

激光增材制造技术的一个重要发展方向是制备高性能梯度功能材料，该领域已引起国内外学者的广泛关注，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属材料／金属材料、金属材料／陶瓷材料等组合的研究。

图：梯度材料制备示意

图：梯度粉层铺放

4.1金属／金属梯度功能材料激光增材制造

金属材料具有其他工程材料无法比拟的优异的综合物理、化学和力学性能。通过调整金属材料的微观结构来进一步提高其性能已成为近些年材料研究的主要方向，在金属材料中引入梯度结构，打破原本耦合在一起的材料性能，允许其中一个或多个性能单独改善，可使材料的整体性能和使役性能得到极大优化和提升。国内外研究人员采用先进的激光增材制造技术制备了不同种类的金属／金属梯度功能材料，对其组织性能等方面做出了深入的研究。

4.2金属／陶瓷梯度功能材料激光增材制造

从20世纪70年代开始，人们就在从事金属上制备陶瓷涂层的研究。直到80年代末，采用激光增材制造技术实现金属表面改性逐渐发展起来。目前此方法已经成为在金属表面改性中最具价值和发展前景的技术之一，在很多领域已得到广泛的应用。

由于金属材料和陶瓷材料的熔点不同，这样会在金属熔池中产生强烈的对流，容易破坏金属和陶瓷之间的结合。通过原位反应生成的增强相与基体有较好的湿润性，同时反应所放出的热量有助于增加陶瓷和金属的湿润性，所以原位自生的陶瓷增强相与基体结合更牢固，是解决界面结合问题的有效方法。因此，原位自生金属基陶瓷复合材料受到国内外研究人员的普遍关注，并初见成效。

虽然该领域的发展已经取得了长足的进步，但尚存在很多问题需要进一步研究和解决，比如目前关于高性能梯度功能材料的激光增材制造所使用的金属材料主要集中在钛合金方面，其他金属材料的研究相对较少。此外，研究重点一般为梯度功能材料的显微组织演变、相组成以及力学性能检测，而对于工艺参数的选择以及梯度功能材料激光增材制造的具体制备过程还缺乏深入的认识。因此不能从所涉及的许多相关技术领域得到充分的技术支持，从而限制了其应用。