美国利用增材制造技术首次实现梯度复合材料构件一步成形

转载自微信公众号“国防制造”。

近日，美国华盛顿州立大学首次实现利用3D打印技术一步成形出由两种不同材料组成的梯度复合材料结构，能够有效减少制造流程，快速制造出具有多种材料的复杂构件。该研究成果发表在5月份的《增材制造》杂志上。

激光工程化净成形（LENSTM）是一种直接能量沉积增材制造技术，采用激光束作为能量源，在基板上形成熔池，并在其上供给粉末。

金属-陶瓷梯度复合材料具有金属和陶瓷特性的优点，其中在陶瓷侧具有高硬度以及良好的耐磨性和耐腐蚀性，在金属侧具有良好的延展性、高导热性和导电性。制造金属-陶瓷梯度复合材料的传统方法是压制和烧结，不仅需要多个耗时的步骤，而且缺乏对金属-陶瓷过渡区域的控制。采用基于粉末床的增材制造工艺可用于制造金属-陶瓷梯度材料，但该方法需要多个步骤（例如预混合粉末和转换粉末），效率低下。此外，由于陶瓷和金属材料之间的热传导性和热膨胀系数显著不同，因此使用增材制造金属-陶瓷梯度结构仍存在许多困难。

美国华盛顿州立大学的研究人员利用激光工程化净成形（LENSTM）工艺一步成形出了由钛合金和氧化铝陶瓷组成的金属-陶瓷梯度结构，并对其横截面进行显微结构表征、相分析、元素分布和显微硬度测量。结果显示，每个部分都有其独特的微观结构和相。

镍基高温合金Inconel 718（我国牌号为GH4169——笔者注）是一种高温耐腐蚀材料，在燃气轮机和火箭发动机中得到了广泛的应用。该材料耐高温性能良好，但是热导率低。研究人员利用LENS工艺在Inconel 718上沉积GRCop-84，制造出镍铬-铜梯度结构。与纯Inconel718合金相比，热扩散率提高250％，电导率提高300％，可提高飞机发动机的寿命和燃油效率，为下一代航空航天结构件的制造开辟了新的多材料金属增材制造的可能性。

该研究由航天技术创新联合中心，国家科学基金会和美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心资助。

引文转述完毕。

​梯度功能材料(functionally gradient materials, FGM)与均一材料、复合材料不同。它是选用两种（或多种）性能不同的材料，通过连续地改变这两种（或多种）材料的组成和结构，使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能材料。其传统制备方法有自蔓延高温合成法、激光烧结法和温度梯度烧结法等，但共同的缺点是过程复杂，对设备要求高，生产效率低下，产品质量稳定性不佳，其核心技术和工艺长期被日本垄断。

而增材制造技术的应用则彻底改变了这一局面，因为FGM的特征可以说天生适合增材制造，这使得那些传统的FGM制造工艺如同奇技淫巧一般瞬间过时，并且让以较高的效率和质量稳定性批量生产FGM零部件成为触手可及的未来。在太平洋的另一边，增材制造技术同样被应用于FGM的生产过程，其设备还申请了专利(http://www.vipzhuanli.com/pat/books/201520275594.7/2.html)，不过目前的公开信息都是生产毛坯，尚未有一部成型的公开报道出现。因此可以说，太平洋两岸在此领域你追我赶，交替领先的局面已经初步形成。

广阔天地，大有作为。