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随着航空航天、国防和生物医学等领域对功能梯度材料（FGM-Functionally graded material）需求的增加，许多学者致力于通过增材制造技术制造FGM结构。选择性激光熔化（SLM）是一种典型的金属增材制造技术，通过激光熔化金属粉末来制造具有复杂结构的零件。与其他金属增材制造技术相比，SLM具有高尺寸精度和低粗糙度的优势。此外，与传统制造技术（如铸造和焊接）相比，SLM不仅可以制造形状复杂、结构灵活的零件，还可以缩短交货期、降低材料成本。

FGM结构可以通过在零件的不同部位应用不同的材料，使零件局部获得独特的属性，如耐磨、耐蚀等。目前，许多学者已经成功地通过SLM制造了一些复杂形状的功能梯度材料结构。使用SLM制备功能梯度材料的高成本问题虽然值得关注，但异质材料界面处的裂纹问题才是阻碍FGM结构应用的核心。（前者是成本问题，后者是可行性问题。）

SLM工艺成形过程本质上是一个与材料内应力持续作斗争的过程，单一材料尚且存在内应力引发的裂纹问题，不同材料界面部位的应力情况更加复杂，不仅有生成脆性相的可能，大的应力突变甚至会使零件直接报废。弱界面性能限制了功能梯度材料结构的实际应用，一些有识之士开始探索改善界面性能的方法。虽然近年来学术界开展了许多相关工作，但界面材料熔合与缺陷产生机制仍无定论，科学理论的缺失使得工程实践希望渺茫。

为了更加清楚地理解界面处材料熔合和缺陷形成的机理，有效地改善界面性能，推动FGM结构在实际工业环境中尽快落地，杨永强教授、王迪博士等人针对不锈钢、铜合金、模具钢、钴铬合金等常用材料开展了相关实验研究，使用SLM工艺制备了“四材一体”的功能梯度材料，并对异质材料界面处的微观结构和硬度进行了表征和系统性论述。

本期，小编就带大家一窥SLM功能梯度材料的真容。

01

原材料介绍

为什么选这四种材料

之所以选择这些材料进行研究，是因为它们的SLM工艺相对成熟，而且每种材料在不同领域都有重要的应用。由这些材料制成的功能梯度材料将充分利用它们的优势，在航空航天、汽车、船舶和工程机械等领域得到更广泛的应用。

梯度材料SLM设备

该实验在华南理工大学自研设备Dimetal-100上进行，设备参数如下：

自研设备的成形原理及参数与市面常见设备无异，不同之处在于该设备设计了四套上送粉装置，成形过程中可切换、输送不同材料。

设备原理图

小编知道大家对这种新技术和新设备都比较感兴趣，所以还搜罗了一些其他文献中的设备图，供大家看个热闹。

2021年2月22日，北京科技大学 曲选辉教授团队 在AM期刊发表《通过激光铺粉3D打印制备CoCrMo-Inconel718梯度材料》文章，使用北京隆源自研设备，设备机械结构如下：

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101926

设备原理图与铺粉二维原理图

2021年12月8日 美国莱特州立大学博士论文《多材料难熔合金增材制造打印方向对界面区的影响》中使用设备如下图所示。

原文链接：

https://corescholar.libraries.wright.edu/cgi/viewcontent.cgiarticle=3647&context=etd_all

设备原理图

本文研究重点

（1）钢铜双金属零件广泛应用于发电、核工业和汽车工业。因此，钢与铜的结合是本研究的重点，316L与CuSn10、CuSn10与18Ni300。

（2）新的尝试，选择了18Ni300与CoCr组合。

（3）钢和铜在热膨胀方面存在显著差异，有必要研究它们的沉积顺序是否会影响界面缺陷的形成。

（4）四种材料的沉积顺序为CoCr、18Ni300、CuSn10、316L。

制备流程及实验参数

4-1制备流程

（1） 打印CoCr，最后一层烧三次；

（2） 打印18Ni300，最后一层烧三次；

（3） 打印CuSn10，最后一层烧三次；

（4） 打印316L，结束。

4-2扫描方式

岛扫描策略（单个矩形正方形区域为5mm×5mm），目的是降低成形过程的残余应力，确保顺利成形。

实验数据及分析 

5-1 成形实物

样品成形质量良好

5-2 界面宏观形貌

5-3 界面微观形貌

（1） 316L和CuSn10之间的热性能不匹配导致界面附近316L区域出现大量微裂纹。具体分析见下文。

（2） 针对CuSn10内部气孔分析，由于气孔并不集中在熔合区，而是均匀分布在CuSn10区域。因此，这些气孔可能是由于CuSn10区域的激光参数不当造成的。激光能量输入不足导致凝固过程过于短暂，无法释放溶解在熔池中的气体。在凝固之前，气体没有从熔池中逸出。因此，形成了近似球形的小孔。

（3） 针对18Ni300与CuSn10接壤区域（18Ni300一侧）气孔分析，当CuSn10沉积在18Ni300上时，激光重熔了18Ni300区域的上层。由于激光能量输入较低，凝固过程非常短暂，溶解气体无法从熔池中逸出，从而导致球形气孔的形成。

5-4 不同区域维氏硬度

不同区域的维氏硬度

（1） 在本研究使用的四种材料中，18Ni300的维氏显微硬度最高，而CuSn10的维氏显微硬度最低。

（2） （18Ni300/CoCr界面）的硬度低于CoCr和18Ni300。因此，此界面可能形成了新的金属间相，这会影响硬度。

（3） （CuSn10/18Ni300界面）的硬度介于构成异质材料界面的两种材料的硬度之间。

（4） （316L/CuSn10界面）的硬度超过316L和CuSn10，因此，此界面可能形成了新的金属间相，这会影响硬度。

5-5 3界面宽度和元素分布

316L/CuSn10截面宽度和元素分布

（1） 熔合区的宽度约为135μm。

（2） 在熔合区，铁元素和铜元素都有足够的扩散，使316L/CuSn10界面具有良好的接头强度。增强元素在界面上的扩散有助于获得更好的界面结合。

CuSn10/18Ni300截面宽度和元素分布

（1） 熔合区的宽度约为345μm。

（2） 在熔合区中，每种金属元素的含量逐渐变化。成分的梯度转变有助于提高界面结合强度。

18Ni300/CoCr截面宽度和元素分布

（1） 熔合区的宽度约为230μm，

（2） 熔合区中每种金属元素的含量显示出梯度变化。

5-6 热膨胀效应

测量完全冷却后样品的实际尺寸，并通过从实际尺寸中减去模型尺寸来获得x、y轴方向上的膨胀增量。（不考虑SLM设备的制造误差）

膨胀增量的结果

（1）FGM样品的每个区域在x轴和y轴方向上具有一致的膨胀增量。CuSn10地区的膨胀增量远远高于其他地区。

（2）CuSn10/18Ni300界面的膨胀增量与CuSn10区相似，而316L/CuSn10界面的膨胀增量远小于CuSn10区的膨胀增量。这一现象表明，不同材料的建造顺序会影响非均质材料界面的热膨胀效应。

（3）先打印CuSn10，后在其上打印316L的施工顺序可能无法通过膨胀释放残余应力，从而在SLM过程中积累大量残余应力，并导致裂缝的形成。因此，如果将具有高热膨胀系数的材料设置为最后沉积的材料，FGM样品可能会避免裂纹的形成，因为它可能不会在制造过程中累积过多的残余应力。

5-7 材料熔合与缺陷形成

在CuSn10区域沉积316L时，316L渗入CuSn10区域，然后形成由CuSn10和316L组成的熔合区。熔合区附近的316L区域也被少量CuSn10渗透。此外，熔合区之间的边界区域和316L区域非常不规则。

316L/CuSn10界面处的材料熔合和裂纹

为什么会这样？

（1）这可以用马兰戈尼对流效应来解释，两种表面张力不同的液体，他们的界面中因为张力梯度的存在，使其质量发生移动的现象，便是科学上称为马兰戈尼效应的现象。通俗来讲，熔合区的熔池中有对流，才形成了不是直线的界面。

（2）Marangoni对流由温度梯度引起的表面张力驱动，因此较大的温度梯度会加剧Marangoni对流。铜的高热传导率导致温度梯度增加，从而增强熔合区的Marangoni对流。

（3）熔池中心的温度高于边界温度，由此产生温度梯度。这种温差导致表面张力朝向熔池的边界。表面张力将液态金属拉向熔池边界，而重力迫使液态金属向下流动至熔池底部，从而在熔池中诱导循环流动。

（4）在SLM过程中，高能激光熔化316L粉末和CuSn10区域的上层，形成熔池。在Marangoni对流的作用下，熔融的CuSn10被拉向316L区域，熔融的316L渗入CuSn10区域。因此，形成了图中的熔合区。

（5）Marangoni对流促进316L区域和CuSn10区域之间的物质传递，有利于获得更好的冶金结合。

5-8 裂纹形成原因汇总

（1）膨胀系数原因

在316L/CuSn10界面（316L一侧）区域存在大量微裂纹，这对界面结合强度有不利影响。这些微裂纹沿着打印方向从熔合区边界延伸至316L区域。由于两种材料之间的热膨胀系数和力学性能不匹配，在界面上产生裂纹。随着316L继续沉积，界面残余应力增加，促使裂纹向316L区扩展。

（2）铜元素原因

铜扩散到奥氏体晶界使其变脆，沿不锈钢晶界形成微裂纹。

（3）熔点原因

由于不锈钢（~1400°C）的熔点高于铜合金（~1080°C），316L先于CuSn10在熔合区凝固。而铜的热膨胀系数又高于钢，所以在CuSn10上沉积316L时容易产生较大的应力。后凝固的CuSn10受到上部316L层和下部CuSn10层的约束，应力累积。然而，积累的应力不能由已完全固化的下层CuSn10释放，而必须由未完全固化的上层316L释放。上层316L不能通过收缩塑性变形释放应力，因此被撕裂。

（4）导热率原因

固体的热导率通常高于粉末，所以此处不考虑粉末床的热扩散。四种材料中铜的热导率最高。因此，在CuSn10基板上沉积316L时，热量主要通过底部CuSn10区域分散。这往往会导致316和CuSn10区域之间出现较大的温度梯度，从而形成较大的应力。

结论：如何避免裂纹

只需交换316L和CuSn10的打印顺序，就可以制备出没有明显宏观裂纹的功能梯度材料样品。也就是说，在316L或18Ni300上沉积CuSn10不会导致显著裂纹的形成，但在CuSn10上沉积316L会导致显著裂纹的形成。

相关文献已上传至QQ群：201654309，搜索梯度材料。

感谢天津大学吴泽同学提供的文献支持！

题外话

技术人员刚入行时需要查阅大量的文献，小编也不例外。王迪博士是11年从华南理工大学杨永强教授团队毕业的，虽无缘相识，但他的博士论文《选区激光熔化成型不锈钢零件特性与工艺研究》曾让当年刚入行的小编受益匪浅。此次查阅梯度材料文献，再次看到这熟悉的名字，不由得想跟大家分享一下。当然，主要还是内容很好、很丰富且有意思，不然不会被Springer收录。

华南理工大学近10年在金属增材制造领域著述颇丰，为中国增材制造产业的发展培养了许多优秀人才。增材10年，他们其中许多人也已经从当年血气方刚的学生蜕变为增材领域的“一方诸侯”。增材10年，华南理工的研究方向，也已从“常规材料、单一材料、简单结构”慢慢转向了“高性能材料、梯度材料、复杂结构”。期待下一个10年！！！

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来源：AMLetters