01
论文导读
功能梯度材料(FEM)的概念于1980年在日本仙台首次提出。在梯度材料中，当化学成分或微观结构向一个或多个方向逐渐变化时，性能从一侧到另一侧会发生平滑且非突然的变化。在材料选择中，使用具有梯度界面的 FGM 代替异种接头或具有尖锐界面的常见复合材料，因为它们具有多种优势，例如由于相邻层之间的物理、冶金和机械性能的逐渐变化，具有更高的韧性和更低的残余应力水平，从而提高了结构性能并延长了其使用寿命。因此，FGM广泛用于特定组件的不同部分需要不同且有时相互冲突的特性的应用，例如能源、航空航天、汽车和光电子学等行业。梯度材料可以根据尺寸和结构两个标准进行分类。根据尺寸，梯度要么是薄片(类似于表面涂层)，要么是大块的，它们的加工方法不同。根据结构，它们分为两类：连续和不连续。在不连续梯度材料(图1a）的化学成分或微观结构逐步变化，界面通常是可检测和可见的。相比之下，在连续梯度材料(图1b)的化学成分或微观结构随位置不断变化，因此几乎不可能在整个梯度结构中看到一个明确的边界作为界面。
图1 .(a)不连续和(b)连续梯度材料的示意图。
Laser & Electron Beam Processing
02
梯度金属材料的制造方法
制造方法在满足梯度结构的几何特征、化学成分、微观结构以及FGM的性能和性能方面的设计要求方面发挥着重要作用。此外，根据经济方面(成本和时间)和环境方面(消耗和污染)选择制造方法非常重要。化学/物理气相沉积技术、热喷涂、粉末冶金和放电等离子烧结等是梯度材料的常见制造方法之一。然而，几何尺寸、能耗和环境污染阻碍了这些传统制造方法生产的梯度材料的发展。
在增材制造技术中，零件的最终形状是通过添加材料来创建的，是逐层添加。因此，它也被称为分层制造技术。分层制造的原理基于这样一个事实，即任何对象，无论其几何复杂性如何，都可以切割成几层并通过连接层来重建。与传统工艺相比，增材制造工艺的独特性质具有许多优势。在增材制造工艺中，复杂部件可以一步生产出来，非常接近预期设计，并且不受传统制造方法的限制。此外，在此过程中，可以通过消除或减少组装多组件零件的需要来显着减少零件组件的数量。此外，在增材制造技术的帮助下，可以按需生产零件，从而减少了零件储存和运输的需求。
Laser & Electron Beam Processing
03
金属-金属间梯度材料
3.1钛基梯度合金
FGM增材制造中最引人注目的金属之一是钛及其合金，因为尽管它们具有一些独特的性能，但将其用于敏感和高度先进的应用中，一方面需要提高其使用寿命和效率，这是最关键的设计要求；另一方面，它们与其他工程材料和合金的兼容性也非常具有挑战性。表1总结了对钛基梯度合金增材制造的研究。钛合金与其他合金的增材制造中关注的主要问题之一是脆性金属间化合物的形成，也就是说在加工过程中很容易导致这些结构过早失效。
表1.钛基梯度合金增材制造的研究。
3.2铁基梯度合金
FGM增材制造中其他值得注意的金属是铁基合金，尤其是不锈钢，因为除了成本效益外，它们还结合了各种特性，例如高强度、良好的热稳定性以及出色的抗氧化、耐腐蚀和耐磨性。例如，在一些研究工作中，已经研究了不锈钢-镍基高温合金的梯度结构的发展，而不是它们在重要发电厂和炼油工业中使用的异种接头。表2总结了一些关于铁基梯度合金增材制造的研究结果。
表2.铁基梯度合金增材制造的研究总结。
3.3其他梯度合金
表3.各种其他梯度合金的增材制造的研究总结。
Laser & Electron Beam Processing
04
总结
随着增材制造技术的出现，功能梯度材料的发展趋势加速了。DED和LPBF技术占据FEM增材制造技术的大部分。在金属-金属梯度材料的增材制造中，许多情况下，梯度结构的拉伸性能通常与最弱的金属相当，并且组件内发生断裂，表明在母材金属的界面处有适当的冶金结合。通常在梯度结构中不可避免地形成脆性金属间化合物，对于开裂的敏感性很高。
长期征稿，欢迎大家踊跃来稿
本公众号接受科研和产业界人士投稿，根据稿件质量可发布于本微信公众号头条及次条位置宣传。若被采用为头条的技术类、市场分析类稿件，视阅读量可给予稿费。本文版权归原作者所有，仅供交流学习之用，如涉及版权等问题，请作者在5个工作日之内联系我们，我们将协商给予处理。
长三角G60激光联盟陈长军转载