来源：江苏激光联盟
导读：据悉，本文综述了激光粉末定向能量沉积（LP-DED）的工业应用。本文为第二部分。
梯度材料
LP-DED工艺的一个主要优点是可以通过改变沉积材料的成分来生产组件，从而获得功能梯度材料（FGM）。通过局部更改构成零件的材料，可以优化零件的功能。因此，FGMs组件的特性是不均匀的，但它们在组件内会发生变化。例如，考虑到皮带轮，更可取的做法是在轮毂和轮缘附近使用硬化耐磨材料，在芯部使用更具韧性的材料（图16）。两种材料之间界面区的机械性能介于纯材料性能之间。
图16 功能梯度材料在皮带轮上的应用表示。
工业中广泛使用了几种常规技术，可以获得FGM组件，如物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、粉末冶金（PM）和离心法（CM）。然而，与传统工艺相比，使用LP-DED工艺，除了可以生产复杂形状外，还可以获得更高的产量、更低的能耗和最大的材料利用率。此外，LP-DED过程允许修改设计过程，引入化学成分作为设计参数。
在以下段落中，介绍了工业和学术领域中获得的最相关的研究结果，涉及应用的宏观领域，即航空航天、工具和前两个领域中未包括的所有其他部门。
航空航天用LP-DED FGM零件
航空航天部门是第一个应用FGMs的部门。FGM组件包括火箭发动机组件、航天器桁架结构和热交换面板。然而，生产的零件具有高应力集中的特点，可能会发生分层。因此，进行了几项可行性研究，以优化具有不同特性的材料组合，同时考虑工艺参数和成分。此外，连接的几何形状和尺寸也会影响机械性能。
在使用预混合粉末混合物的LMD过程中，沉积前后的组成比可能不同。
钛合金因其高耐蚀性、高强度重量比、低密度和高温下的高强度而在航空航天领域得到广泛应用。然而，它们的耐磨性差，硬度低。为此，为了克服这一问题，研究了不同的FGM材料。其中，TiC是生产钛FGM组件研究最多的材料之一，因为它与钛合金具有冶金兼容性，密度低，硬度和杨氏模量值高。
（a）制造良好的GRCop-84/铬镍铁合金718双金属结构。（b） GRCop-84/铬镍铁合金718双金属结构的横截面。（c） GRCop-84/铬镍铁合金718 FGM，具有成分梯度层。
此外，应注意的是，不同的航空航天组件，如望远镜和高精度光学镜基板，受到可能导致热冲击和尺寸变形的大温度变化。这可以通过使用具有低热膨胀系数特征的材料来减少。
铬镍铁合金是另一种成功用于航空航天应用的材料，因为它具有耐高温腐蚀、抗疲劳和抗蠕变的性能。为了提高铬镍铁合金718的导热性，Onuike等人生产了In718/GRCop-84 FGM。GRCop-84是一种铜基合金，用于主燃烧室和喷嘴衬套。采用了两种方法，即在In718上直接沉积GRCop-84和在沉积过程中逐渐变化GRCop-84合金。结果表明，与IN718相比，采用渐变法可以获得更均匀的界面，热导率提高约300%。然而，为了生产无缺陷样品，由于GRcop-84的高反射率，比能量应增加约270%。
模具行业中的LP-DED FGM
功能梯度材料的首批工业应用之一涉及表面涂层，由海德激光服务公司获得。这是一家总部位于马萨诸塞州的公司，其应用主要集中在工具和模具、核能和发电行业的耐磨涂层上。第一步是比较LP-DED工艺与传统工艺的性能。使用LP-DED工艺在镍基体中沉积碳化钨，与传统工艺（如热喷涂或等离子转移工艺）相比，他们获得了更好的冶金结合。Thivillon等人将LP-DED工艺与TIG焊接进行了比较，分析了钴基钨铬钴合金和镍基高温合金Inconel 625的涂层质量。通过显微组织、硬度和稀释度等不同特性来评估涂层质量。结果表明，采用LP-DED工艺可获得更高的硬度和更细的晶粒。此外，TIG焊接获得的冶金结合显示出许多不规则性。相比之下，LP-DED得到的冶金结合效果较好（图17）。
图17 钨铬钴合金6涂层TIG和b DMD工艺的比较。
硬度是影响模具寿命的最重要因素之一。事实上，模具寿命随着硬度值的增加而增加。H-13工具钢由于其高淬透性和高抗热疲劳性，是模具行业最常用的材料之一。Chen等人在718H钢上沉积CoMoCr合金表明，由于碳化物和马氏体硬质相的形成，模具显微硬度比初始结构增加了两倍。
除了机械特性外，FGM材料还成功应用于优化模具和模具的能耗、环境影响和材料使用。事实上，H-13工具钢的另一个缺点是导热系数低，这会导致更长的时间周期。为了优化能耗、环境影响和材料使用，并进一步缩短循环时间，高导电材料被用作 | 