功能梯度金属材料增材制造:实验与数值研究综述(3)

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图3 选择性激光烧结或熔化(SLS/SLM)系统的原理图。

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基于发射的过程和基于pbf的过程之间的主要区别是，在前者，而不是粉末床，同轴粉末(或丝)喂料系统与激光束(或电子束或电弧)在基片上使用。激光工程净成形(LENS)/激光金属沉积(LMD)、电子束无成形制造(EBFFF)/电子束增材制造(EBAM)和丝弧增材制造(WAAM)是一些流行的DED子工艺。所有在熔融和凝固工艺组中提到的AM方法都能够生产从厚涂层到复杂梯度零件的梯度材料。基于PBF的AM工艺，如SLM，与DED工艺相比，由于其高分辨率和良好的表面质量，在生产复杂零件方面更受欢迎。

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然而，尽管有报道称PBF工艺对梯度材料进行了AM处理，但它们在生产梯度材料方面不如DED工艺灵活。这是由于在PBF工艺中，在制造过程中改变粉末床层来制造复合级配材料在实践中并不容易。然而，PBF工艺可以通过逐渐改变孔隙度或通过控制热循环产生不同的微观结构来产生梯度零件。而基于渐变的AM工艺则是生产各种梯度材料的更方便、更灵活的方法，因为在这些工艺中，通过控制进料的组成和其他工艺变量，可以生产出从厚涂层到具有连续或不连续结构的复杂块状零件的梯度材料。图4显示了LMD过程的原理图，它可以产生具有化学梯度的复杂几何图形。与PBF工艺相比，这些工艺也能获得更好的粘结强度和机械性能的梯度材料。

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图4激光金属沉积(LMD)过程的示意图，有几个独立的粉末馈线，能够产生复杂的几何形状，化学成分沿建造方向逐渐变化。

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图5a为LMD工艺制造梯度金属材料的步骤(可推广到AM的所有熔化凝固工艺)。通常，梯度系统设计材料的选择是基于物理、冶金和机械性能存在问题的应用，如热膨胀系数的巨大差异或零件不同成分之间形成不良化合物(类似于在不同焊接中所看到的)。虽然图5a对于构建策略一般有梯度路径或中间段两种选择，但在图5b-g中有更详细的描述。图5b显示了从纯合金a到纯合金B的线性梯度，其中化学成分分布的步长和精度将与使用的LMD系统的局限性成正比。图5c显示了化学成分中具有过渡步骤的结构，当过渡层没有脆性化合物时，这个梯度将是有用的。图5d显示了在一个剖面中可以使用磁差或两相邻层之间的热膨胀来制作多个梯度。图5e显示了三种不同材料成分的过渡，从蓝色(纯合金A)到绿色(纯合金B)，然后从绿色到橙色(纯合金C)。当两种合金不能分级而不形成脆性相时，这种重要的构建策略是有用的。但是可以在第三种中级材料的帮助下进行评分。

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图5 a) LMD工艺制造梯度金属材料的步骤。b-g)梯度金属材料不同构建策略示意图。

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图5f和g是两种梯度金属基复合材料(MMC)的示意图，第一种是强化相颗粒没有溶解在基体中(由于工艺热量不足)，第二种是第二相的形成导致了基体的强化。在制造过程中，需要确定加工参数窗口(如激光功率、速度、送料速度、间距模式等)，才能在缺陷方面达到一个良好的、可接受的零件。在这方面，了解材料和调幅系统如何相互作用是非常重要的。最后，通过对梯度结构的表征来评价和研究其微观组织、相分布和化学成分，从而得出其机械(包括静态、动态、耐磨性等)、物理(包括电、磁、光、热性能等)、化学性能(如耐腐蚀和抗氧化等)和生物性能(包括毒性、生物相容性等)，以确保制造的准确性和梯度结构的预期性能。

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3.实验研究

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3.1.金属-金属梯度材料

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3.1.1.钛基梯度合金

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在fgf的AM中，钛及其合金是最引人注目的金属之一，因为尽管有一些独特的性能，它们在敏感和高度先进的应用领域的应用，一方面提高了最关键的设计要求的寿命和效率，另一方面，它们与其他工程材料和合金的兼容性非常具有挑战性。在生物医学领域的相关工作中，Krishna等人利用LENS方法研究了Co-Cr-Mo耐磨合金在Ti6Al4V合金上的梯度涂层。随着Co-Cr-Mo合金浓度的增加，Ti6Al4V颗粒逐渐减少，但随着Co-Cr-Mo合金浓度的增加，Ti6Al4V颗粒逐渐减少。事实上，随着Co-Cr-Mo合金颗粒在初始层中的加入，由于Co-Cr-Mo合金颗粒的液相线温度较低，且粒径比Ti6Al4V合金颗粒小，通过吸收熔池的热量迅速熔化，导致熔池温度较低。因此，没有足够的热量来完全熔化较大的Ti6Al4V粒子。然而，在接下来的几层中，由于Ti6Al4V合金浓度的降低，以及Co - cr - mo合金浓度的增加(从而提高熔池温度)，Ti和Co之间的放热反应的增强，未熔化的Ti6Al4V颗粒数量减少。类似的结果在开发刚度可控、应力屏蔽作用最小的骨折固定植入物的研究中也有报道。

文章来源：《金属功能材料》 网址: http://www.jsgncl.cn/zonghexinwen/2022/0422/763.html