激光增材制造（laser additive manufacturing，LAM）技術是20世紀90年代發(fā)展起來的一項集計算機、數(shù)控、材料、激光等于一體的新型先進制造技術，該技術運用“離散-堆積”的增材制造原理，創(chuàng)形與創(chuàng)性并行，通過高能激光束將材料進行逐行逐層疊加，直至制造出完整的三維實體零件。對于梯度功能材料的制造，該技術可以很容易地通過實時改變粉末輸送比例和控制相應的激光增材制造工藝，在零件的任意位置獲得所需的材料成分、組織結構和性能。該技術正成為裝備制造產業(yè)新的重要方法之一。

激光增材制造技術，是基于微積分的思想，采用激光作為能量源，對預置的或同步送進的金屬粉末進行逐層激光熔覆，通過材料添加的方式一層一層堆積制備出實體零件。該技術擁有諸多名稱，最具代表性的激光增材制造技術為以同步送粉為技術特征的激光熔化沉積技術（laser melting deposition，LMD）和以粉末鋪床為技術特征的選區(qū)激光熔化技術（selective laser melting，SLM）。

    激光熔化沉積技術使用激光作為熱源對送粉器同步送入的金屬粉末進行熔化，高能激光束照射在基體表面形成熔池，送粉器將金屬粉末送入熔池中使其快速熔凝，從而與金屬基體形成冶金結合層覆蓋在基體表面形成新的金屬層，其原理如圖1所示。選區(qū)激光熔化技術與激光熔化沉積技術的區(qū)別在于粉末添置形式的不同，選區(qū)激光熔化技術在激光束進行掃描前，先利用鋪粉輥在基體上預鋪一層金屬粉末，然后用激光束按照預設的掃描軌跡對粉末進行有選擇的熔化，每熔化完一層成型缸下降預設高度，同時鋪粉缸上升預設高度，鋪粉輥均勻鋪下一層粉末，如此一層層疊加直至形成最后所需零件，其原理如圖2所示。

圖1 激光熔化沉積技術原理圖

圖2 選區(qū)激光熔化技術原理圖

梯度功能材料（functionally graded materials，F(xiàn)GM）是指材料的化學組成、微觀結構、孔隙率等要素沿材料厚度或長度方向由一側向另一側連續(xù)或準連續(xù)變化，從而使其物理化學等性能也發(fā)生連續(xù)的梯度變化，具有特殊功能的新型復合材料。其最大特點是材料內部沒有明顯的界面，組分、形態(tài)、結構、性質及功能均呈現(xiàn)出連續(xù)的梯度漸變形式，緩和了由于不同材料的熱物性差異產生的熱應力，從而可應用于高溫環(huán)境，尤其是兩側溫差較大的苛刻環(huán)境。根據(jù)梯度功能材料特點，通過將金屬、陶瓷、塑料等各種材料進行巧妙的組合，F(xiàn)GM已廣泛應用在航空航天、光學工程、能源工程、生物醫(yī)學工程、電磁工程、核工程等領域。制備梯度功能材料的方法有很多，常用的方法有粉末冶金，等離子噴涂法，化學氣相沉積法，自蔓延高溫合成法，電沉積法，離心鑄造法等。上述制備方法雖有諸多優(yōu)點，但其在實際應用中通常受到許多限制，例如，粉末冶金法只能生產具有相對簡單幾何形狀的零件，自蔓延高溫合成法受到材料選擇的限制，這些局限性阻礙了梯度功能材料的發(fā)展和工業(yè)化應用。因而，采用高效便捷的激光增材制造技術制備梯度功能材料勢在必行。

金屬材料具有其他工程材料無法比擬的優(yōu)異的綜合物理、化學和力學性能，例如Ti合金具有優(yōu)秀的抗腐蝕性、生物相容性、低密度和高的比強度；Al合金具有優(yōu)良的導熱性、導電性及抗蝕性；Ni基合金和Co基合金具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗高溫性能；Fe基合金抗磨性能好等。通過調整金屬材料的微觀結構來進一步提高其性能已成為過去幾十年中材料研究的主要方向，在金屬材料中引入梯度結構，打破原本耦合在一起的材料性能，允許其中一個或多個性能單獨改善，可使材料的整體性能和使役性能得到極大優(yōu)化和提升。對于金屬／金屬梯度功能材料激光增材制造的研究，國內最具代表性的為西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東教授所在團隊，該團隊于2005年采用激光增材制造技術成功制備了316L/Rene88DT梯度材料，研究了梯度材料的凝固行為和組織演變規(guī)律。結果表明，在該研究的工藝參數(shù)條件下，梯度材料內部成分逐漸從100% SS316L過渡到100% Rene88DT，且晶粒取向與梯度方向平行。隨后，該團隊又進行了Ti/Rene88DT、Ti/Ti2AlNb、Ti6Al4V/Rene88DT、Ti60/Ti2AlNb等梯度材料的成形研究。

從20世紀70年代開始，人們就在從事金屬上制備陶瓷涂層的研究。直到80年代末，采用激光增材制造技術實現(xiàn)金屬表面改性逐漸發(fā)展起來。目前此方法已經成為在金屬表面改性中最具價值和發(fā)展前景的技術之一，在很多領域已得到廣泛的應用。由于金屬材料和陶瓷材料的熔點不同，這樣會在金屬熔池中產生強烈的對流，容易破壞金屬和陶瓷之間的結合。通過原位反應生成的增強相與基體有較好的濕潤性，同時反應所放出的熱量有助于增加陶瓷和金屬的濕潤性，所以原位自生的陶瓷增強相與基體結合更牢固，是解決界面結合問題的有效方法。因此，原位自生金屬基陶瓷復合材料受到國內外很多研究人員的普遍關注，并初見成效。

（1）建立專用高性能梯度功能材料標準體系

在高性能梯度功能材料激光增材制造的所有環(huán)節(jié)中，材料是最為關鍵、最為基礎的環(huán)節(jié)。針對激光增材制造工藝特點，建立其專用高性能梯度功能材料體系，充分發(fā)揮激光增材制造在梯度功能材料高性能化方面的優(yōu)勢迫在眉睫。

（2）深化高性能梯度功能材料成形理論研究

由于梯度材料中的各層次結構連續(xù)變化，許多應用于均質結構材料激光增材制造的理論、機制不再適用。關于梯度材料在激光增材制造過程中的物理、化學及力學等方面的理論仍不成熟，要想準確地對激光增材制造梯度功能材料過程進行描述，相關的理論模型需進一步優(yōu)化。

（3）開發(fā)新型激光增材制造系統(tǒng)

隨著智能制造的發(fā)展，開發(fā)適用于制造高性能梯度功能材料的新型先進激光增材制造系統(tǒng)，實現(xiàn)實時準確監(jiān)控激光增材制造過程中的過程參數(shù)和成形信息，并在此基礎上進行實時調節(jié)，將整個系統(tǒng)集成化、可控化及可視化，將是科研人員的重點研究方向。

原文出自：高性能梯度功能材料激光增材制造研究現(xiàn)狀及展望[J].材料工程,2020,48(9):13-23.

崔雪, 張松, 張春華, 吳臣亮, 王強, 董世運

DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001156