功能梯度金属材料增材制造:实验与数值研究综述

江苏激光联盟导读：

本文从三个部分进行了研究：金属-金属、金属陶瓷和金属间梯度材料。

摘要

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受大自然启发，先进功能梯度材料（FGM）是对高性能多功能应用的适当响应。将现代增材制造技术引入到梯度金属材料的加工中，为此类工程材料的进一步发展提供了一个巨大的机会，因为该技术具有许多优点，例如高制造灵活性。梯度金属材料增材制造中普遍存在的现象，如熔化和凝固，从材料科学和工程的角度引起了该领域的特别关注，近年来在这方面进行了许多实验和数值研究。在简要介绍功能梯度材料并简要概述其制造方法（重点是增材制造工艺）之后，本文分三个部分讨论了实验研究：金属-金属、金属陶瓷和金属间梯度材料。然后，从材料科学和工程的角度对数值研究进行了回顾。最后，总结了目前取得的重要成果，并对今后的进一步研究进行了展望。

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?普通复合材料和功能梯度材料的结构与性能。

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上图显示了普通复合材料和梯度功能材料在组成和性能上的差异。在普通的复合材料中，金属和陶瓷之间有一个明显的界面，但在FGM中没有。这种差异对应于热膨胀系数、导热系数和热阻等特性的分布。普通复合材料在界面处的性质是突然变化的，而梯度功能材料在界面处的性质是逐渐变化的。界面热膨胀系数的差异在高温下引起内部热应力，有时会导致界面的破坏。如图所示，FGM可以减少近30%的热应力，并且可以防止界面的破坏。

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1.介绍

功能梯度材料(fgf)的概念最早于20世纪80年代在日本仙台提出，用于使用热障。在分级材料中，随着化学成分或微观结构(/宏观结构)在一个或多个优先方向上逐渐改变，材料的性质会从一边向另一边发生平稳而不突然的变化。骨头、牙齿、皮肤和木头都是这些材料的天然例子。在材料选择中，使用具有梯度界面的功能梯度材料代替具有尖锐界面的异种接头或普通复合材料，因为它们具有多种优点，例如，由于相邻层之间的物理、冶金和机械性能逐渐变化，因此具有更高的韧性和更低的残余应力水平，提高了结构性能，延长了使用寿命。

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对S0.2、Dense-in、Dense-out、S0.4四组试样进行四种不同的拓扑设计:(a)支柱尺寸分布，(b) CAD模型俯视图和纵断面，(c) AM多孔铁试样的micro-CT重建。

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如上图实验，利用Element软件(nTopology,USA)设计了基于1.4mm金刚石单元格的四种不同类型的试件(图a、b)。实验组包括一个支撑厚度为0.2mm的均匀结构(S0.2)，一个支撑厚度从外围0.2mm到中心0.4mm的功能梯度多孔结构(Dense-in)，柱撑厚度从外围0.4mm到中心0.2mm的功能梯度多孔结构(Dense-out)和柱撑厚度0.4mm的均匀多孔结构(S0.4)(1a)。用ProX DMP 320机器(3D系统，比利时)制作标本。铁粉采用氮气雾化(中国材料技术创新有限公司)，其纯度为99.88%;颗粒大小:D10=32μm,D50=48μm和D90=71μm;形态:球形;表观密度:4.09克/立方厘米;振实密度:4.88克/立方厘米;休息角:157°;碳含量:0.0044%。试件在钢板上采用30μm的厚度建造。除支板厚度为0.2mm的试件外，大部分试件的扫描策略为轮廓和孵化向量(能量密度分别为0.33W/mm和0.65W/mm)，此时只需要轮廓。采用电火花加工(EDM)的方法去除试样。在96%乙醇中超声清洗20min，去除孔内残留的粉末颗粒。然后，在50%的HCl中化学清洗1min，去除电火花加工残留和松散的粉末颗粒，然后在96%的乙醇中超声清洗5min，将残留的HCl洗掉。

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因此，在特定部件的不同部分需要不同甚至有时相互冲突的特性的应用中，FGMs被广泛应用，比如在重要的行业中，如能源行业、航空航天、汽车、光电子和医学。图1a显示了bb0中应用fgm的各个领域。为了更好的理解,在有限元分析研究,结果表明,梯度过渡从304 l不锈钢、铬镍铁合金625相比friction-welded联合汽车阀杆相同的材料导致了近10倍减少应力集中在操作温度1000 K(图1 b)。

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图1 a) fgm的应用领域。b)有限元分析了在1000 K工作温度下，从304L不锈钢到Inconel 625的梯度转变(左)，与相同材料的摩擦焊接接头(右)相比。

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梯度材料可以根据尺寸和结构两个标准进行分类。从尺寸上看，梯度可以是薄片(类似于表面涂层)，也可以是大块的，但加工方法不同。按结构分为连续和不连续两类。在不连续梯度材料(图2a)中，化学成分或微观结构是逐步变化的，界面通常是可检测和可见的。相反，在连续梯度材料中(图2b)，化学成分或微观结构随位置不断变化，几乎不可能在整个梯度结构中看到一个确定的边界作为界面。图2c-h为不同结构类型的梯度材料的总体方案。

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