金属3D打印（DED）高温合金功能梯度材料中的缺陷形成预防及减少

导读：定向能量沉积（DED）是一种通过高功率激光或电子束聚焦在金属材料上，将供应到该区域的金属粉末熔化以沉积材料的3D打印方法。由于其精细的微观结构和快速凝固的特性，DED工艺具有优异的机械性能。它还允许调整混合比，同时通过两个以上的料斗同时供应多种材料。因此，该工艺可以制造具有各种混合比的多种材料。

然而，当不同种类的材料熔在一起时，由于晶格结构、残余热应力、热膨胀系数（CET）和其他热/物理性质的差异，两种异种材料的界面可能会发生分层或裂纹。

2022年6月5日，南极熊获悉，为解决此类问题，来自釜山韩国海洋大学的研究人员研究了功能梯度材料的缺陷形成原因和解决办法，并在《Journal of Materials Research and Technology》期刊上发表了题为“Defect of functionally graded material of inconel 718 and STS 316Lfabricated by directed energy deposition and its effect on mechanicalproperties”的论文。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 22000291?via%3Dihub

功能梯度材料

功能梯度材料（FGM）具有逐渐改变的界面特性，它通过混合不同的材料、改变它们的结晶或排列方式来制造在整体结构上呈现梯度变化的特性。这意味着，在一个单一的打印对象中，你可以创建一个在不同点上同时具有刚性和柔性的iPhone外壳。

也许我们现在还不确定FGMs的实际应用价值，或者它们在未来的3D打印中会有多广泛的应用。然而，可以肯定的是，如果所有的问题得到解决，这将催生出新的应用方向。

制造过程中普遍存在的缺陷是限制3D打印FGM应用的主要障碍之一。研究团队通过控制不同材料在不同比例下的混合机制，以了解缺陷发生的地方。

△根据激光功率和送粉速度在横截面上产生的缺陷示意图

定向能沉积

值得关注的是，研究人员选用了定向能沉积（DED）技术来制备FGM部件。在增材制造领域内，定向能沉积要比粉末床熔融（PBF）受到的关注少得多。在这种情况下，他们研究了不同材料（316L不锈钢和Inconel 718镍基高温合金）之间的界面层。在层之间，可能会出现裂缝和缺陷，理想情况下，相对于彼此的正确材料组合可以减少这种情况。

Do-Sik Shim教授说："Inconel718具有优良的性能，但它很昂贵。通过将其与STS 316L混合以创造高性能的FGM，我们不仅提高了其技术和商业优势，而且还提高了其经济可行性，"

该团队在实验中使用了Optomec LENS系统，建立了一系列的部件，并对梯度以及激光功率和进给率进行了调整。他们制备了一些部件，将钢打印在铬镍铁合金上，并在其中混入10%和25%的梯度变体。在没有梯度的样品中，两种材料之间形成了裂缝。相比之下，梯度样品由于组织展现出柱状晶到等轴晶的过渡形貌（FGM微观结构的过渡），以及沉淀相或包含钛、铝或铬杂质，只在特定区域才显现出裂缝。同时，25%分级的样品显示出最高的拉伸强度和伸长率。

△(a)   多层沉积的DED工艺和扫描程序和 (b) DED 机器的示意图

"这些发现将导致该领域的改进，例如降低成本，延长设备中的部件寿命，以及增强功能，"Shim教授认为。

现在，研究团队将研究几何形状以及它们如何影响他们的结果。DED总是被看作是一种非常粗糙的技术，由于打印系统缺乏对温度和气流的控制，以及粗糙的表面，意味着这个过程往往需要大量的加工，并且不能建造最复杂的零件。然而，PBF受到腔体大小的限制，使得大型尺寸的（1m长以上）的零件非常昂贵。同时，大型粘结剂喷射部件在其生坯状态下会因其自身重量而变形或倒塌。DED确实是我们制造几米或更大的结构件的最佳选择。因此，韩国研究团队进行的这项工作对于将DED推进到成为一种更可行的生产技术具有重要的意义。

研究结果

通过对不同的DED工艺参数对Inconel718 和 STS 316L进行了实验，研究人员建立匹配的工艺参数。在设定的工艺条件下，评估了 Inconel 718 和 STS 316L 的FGM沉积电位。在非分级、分级 (25) 和分级 (10) 样品的条件下对 FGM 进行了沉积特性、力学性能和微观结构研究。得到的结果如下：

△不同混合比的Inconel 718 和 STS 316L 粉末制备非分级和分级材料的示意图

(1)通过在不同的激光功率和粉末进料速率下进行多层沉积实验来分析沉积层和缺陷。确认根据工艺参数，缺陷和沉积熔池的形状有所不同。根据激光功率和送粉速度变化而出现的沉积缺陷可以通过实验得到证实。

(2)FGM 沉积条件是根据为每种粉末建立的条件设定的。在非梯度样品中，由于冷却速度、两种材料之间的热膨胀系数和SiO2的差异，在界面附近出现了裂纹。而在分级样品中，在特定区域形成了垂直裂纹，这些裂纹是由柱状到等轴转变（CET）、析出物和Ti、Al或Cr夹杂物而形成的。

(3)对未分级和分级样品的硬度特性研究表明，分级样品中观察到平滑的硬度变化，与未分级样品不同。硬度的温和转变是由于从 Inconel 718 到 STS 316L 的持续成分变化，证明了 FGM 镀层的有用性。然而，在发生垂直裂纹的区域，硬度急剧下降。硬度最低的区域与沉淀导致裂纹的区域相匹配。

(4)与单一材料沉积物相比，非分级和分级样品的拉伸强度和伸长率较低。当比较未分级和分级样品时，分级（25）样品的拉伸强度和伸长率相对较好，而分级（10）样品的拉伸强度和伸长率最低。结果，机械性能可能会根据 FGM 的混合比而改变。因此，为 FGM 沉积物选择适当的混合比至关重要。

测试结果证实，力学性能因梯度成分而异，因此选择合适的梯度成分对 DED 制造的 FGM 至关重要。此外，机械性能会根据 FGM 混合比例而变化，需要优化工艺以设定合适的混合比例并限制裂纹。FGM沉积物（不包括出现裂纹的混合比）设置比分级 (25) 样品更宽的混合比，在预热基板的同时产生沉积物，并为每层沉积提供足够的停留时间以抑制裂纹并改善 FGM 沉积物的机械性能，在这项研究中，判断未来在去除裂纹发生区域后，FGM 沉积物会提高抗拉强度和伸长率。

当航天飞机穿越大气层时，其燃烧室必须承受恶劣的环境以及高达 1000-2000 K 的温度，这些温度非常极端，以至于传统的复合材料无法满足所需的性能标准。在这种情况下，复合材料的失效通过分层发生，在此期间纤维与基体分离。因此，当在高温环境中使用的部件上应用 FGM 沉积时，将实现成本节约和部件寿命的提高。