美國利用增材製造技術首次實現梯度複合材料構件一步成形_風聞

轉載自微信公眾號“國防制造”。

近日，美國華盛頓州立大學首次實現利用3D打印技術一步成形出由兩種不同材料組成的梯度複合材料結構，能夠有效減少製造流程，快速製造出具有多種材料的複雜構件。該研究成果發表在5月份的《增材製造》雜誌上。

激光工程化淨成形（LENSTM）是一種直接能量沉積增材製造技術，採用激光束作為能量源，在基板上形成熔池，並在其上供給粉末。

金屬-陶瓷梯度複合材料具有金屬和陶瓷特性的優點，其中在陶瓷側具有高硬度以及良好的耐磨性和耐腐蝕性，在金屬側具有良好的延展性、高導熱性和導電性。製造金屬-陶瓷梯度複合材料的傳統方法是壓制和燒結，不僅需要多個耗時的步驟，而且缺乏對金屬-陶瓷過渡區域的控制。採用基於粉末牀的增材製造工藝可用於製造金屬-陶瓷梯度材料，但該方法需要多個步驟（例如預混合粉末和轉換粉末），效率低下。此外，由於陶瓷和金屬材料之間的熱傳導性和熱膨脹係數顯著不同，因此使用增材製造金屬-陶瓷梯度結構仍存在許多困難。

美國華盛頓州立大學的研究人員利用激光工程化淨成形（LENSTM）工藝一步成形出了由鈦合金和氧化鋁陶瓷組成的金屬-陶瓷梯度結構，並對其橫截面進行顯微結構表徵、相分析、元素分佈和顯微硬度測量。結果顯示，每個部分都有其獨特的微觀結構和相。

鎳基高温合金Inconel 718（我國牌號為GH4169——筆者注）是一種高温耐腐蝕材料，在燃氣輪機和火箭發動機中得到了廣泛的應用。該材料耐高温性能良好，但是熱導率低。研究人員利用LENS工藝在Inconel 718上沉積GRCop-84，製造出鎳鉻-銅梯度結構。與純Inconel718合金相比，熱擴散率提高250％，電導率提高300％，可提高飛機發動機的壽命和燃油效率，為下一代航空航天結構件的製造開闢了新的多材料金屬增材製造的可能性。

該研究由航天技術創新聯合中心，國家科學基金會和美國國家航空航天局馬歇爾太空飛行中心資助。

引文轉述完畢。

​梯度功能材料(functionally gradient materials, FGM)與均一材料、複合材料不同。它是選用兩種（或多種）性能不同的材料，通過連續地改變這兩種（或多種）材料的組成和結構，使其界面消失導致材料的性能隨着材料的組成和結構的變化而緩慢變化，形成梯度功能材料。其傳統制備方法有自蔓延高温合成法、激光燒結法和温度梯度燒結法等，但共同的缺點是過程複雜，對設備要求高，生產效率低下，產品質量穩定性不佳，其核心技術和工藝長期被日本壟斷。

而增材製造技術的應用則徹底改變了這一局面，因為FGM的特徵可以説天生適合增材製造，這使得那些傳統的FGM製造工藝如同奇技淫巧一般瞬間過時，並且讓以較高的效率和質量穩定性批量生產FGM零部件成為觸手可及的未來。在太平洋的另一邊，增材製造技術同樣被應用於FGM的生產過程，其設備還申請了專利(http://www.vipzhuanli.com/pat/books/201520275594.7/2.html)，不過目前的公開信息都是生產毛坯，尚未有一部成型的公開報道出現。因此可以説，太平洋兩岸在此領域你追我趕，交替領先的局面已經初步形成。

廣闊天地，大有作為。