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。本文为第二部分

3.1.2铁基梯度合金 从这里发

FGMs中其他值得注意的金属是铁基合金，特别是不锈钢，因为除了其成本效益外，它们还具有各种性能的组合，如高强度、良好的热稳定性、优异的抗氧化、耐腐蚀和耐磨性。例如，在一些重要的电厂和炼油工业中，对不锈钢-镍基高温合金的梯度结构代替它们的不同接头的发展进行了研究。在相关工作中，Shah等人研究了直接激光金属沉积工艺的关键参数(激光功率和进粉速度)对SS316L-IN718梯度结构组织和机械性能的影响。从梯度截面图10a中可以看出，虽然在截面边缘和相邻两个截面的界面也可以观察到柱状枝晶组织向胞状枝晶组织的转变，但柱状枝晶组织仍以柱状枝晶为主。

图10 a) FG SS316L-IN718的截面及各截面的微观结构。b)不同梯度结构截面的XRD谱图。c、d)不同激光功率和进粉速度下样品的硬度曲线。

此外，在不同激光功率下制备的所有样品在构建方向上的显微硬度测量结果(图10d,c)显示出近似抛物线分布，硬度先下降，直到IN718的重量百分比达到50%，然后开始上升。随着IN718含量的增加，相评估证实了NbC和Fe2Nb相的存在，从而解释了这种行为(图10b)。此外，在大多数情况下，高的送粉速度沉积显示出较高的硬度，这是由于较高的冷却速度，从而降低了组织尺寸。Savita等发现，即使在离散和梯度SS316-IN625双材料的界面附近，由于每一层与前一层的重熔和稀释，化学成分的变化是梯度的，并试图建立一个更贴近实际的再熔层厚度和合金元素浓度计算模型。他们还观察到，无论双材料结构如何，屈服强度总是与较弱的材料SS316相当，并且失效发生在其内部。然而，在Zhang等人的一项类似研究中，尽管证实了稀释导致的化学分布结果，但结果表明梯度结构的屈服强度接近IN625，而SS316L侧断裂导致的抗拉强度接近IN625。

奥氏体-铁素体不锈钢梯度结构的增材制造是参与金属功能梯度材料开发的另一种不锈钢类型。在这方面，Zhang等人在采用LMD方法制造梯度不锈钢时使用了不同的Cr/Ni比1.4、1.7、2.3、3.7和9.7，为生产内部韧性好、表面刚性好的凸轮轴提供了一种新方法。这项研究表明，梯度方向上的相演化是一组相变[γ-Fe]→ γ-Fe+α-Fe→ γ-Fe+α-Fe+（Cr，Fe）7C3→ α-Fe+（Cr，Fe）7C3]，由于凝固过程中的高冷却速率，它仅与Scheffler著名图表的预测略有偏差。梯度方向上的这种逐渐的相位演变可导致韧性和刚度从内部到表面的适当分布，与预期用途相符。

为了实现双赢的条件，以获得高腐蚀性工作环境所需的足够耐腐蚀性和韧性，Li等人研究了通过DED工艺制造基于Fe–Cr–Ni系统的新型梯度合金。四种设计成分包括Fe–16Cr–8Ni、Fe–14Cr–16Ni、Fe–12Cr–23Ni和Fe–9Cr–28Ni，其预期微观结构分别由图11a三元相图中的点1、2、3和4标记。根据图11b–e中梯度样品不同截面的光学显微结构，镍含量较低（8和16 wt.%）的合金的显微结构从形态学角度来看是相似的，主要由板条形态和少量骨架形态组成（图11b，c），这是指铁素体-奥氏体微观结构。板条形态是在高凝固速率下形成的，因为在铁素体-奥氏体转变期间扩散受到限制。

图11 a)设计、工艺原理图和薄壁梯度样件。Fe-Cr-Ni梯度试样不同截面的光学显微组织:b) Fe-16Cr-8Ni, c) Fe-14Cr-16Ni, d) Fe-12Cr-23Ni, e) Fe-9Cr-28Ni

事实上，由于扩散距离的减小，通过形成致密板条，转化效率更高。另一方面，当镍的重量百分比分别增加到23%和28%时，可以在奥氏体凝固组织中观察到其他类似的微观结构。众所周知，胞状和树枝状微观结构（图11d，e）将奥氏体的凝固结构表征为初始凝固阶段。在Woo等人的另一项研究中，通过中子扩散（ND）、轮廓法（CM）、深孔钻削（DHD）四种不同的实验方法，研究了P21铁素体钢和316L奥氏体钢之间各种增材制造梯度结构的残余应力分布，和增量中心孔钻孔（ICHD）。结果表明，通过添加中间层，纵向残余应力从C形到正弦波形的分布发生了变化，并且由于50:50成分的添加，热膨胀系数的最大差异，应力范围显著增大。还观察到，通过将扫描策略从双向更改为正交和孤岛，由于热量积累较少和散热效率更高，残余应力范围显著减小。这种减少在采用孤岛扫描策略的样本中更为显著。

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