適用于功能梯度材料的選區(qū)激光熔化與冷噴復(fù)合增材制造技術(shù)

供稿人:張曉宇 李滌塵

選區(qū)激光熔化技術(shù)是利用高能的激光熱源將金屬粉末熔化、逐層累加制造出近凈成形工件的過程，該技術(shù)具有加工精度高、性能好的特點，但選區(qū)激光熔化技術(shù)在制造不相容材料、不可焊材料以及高反射率材料（如鋁合金）時容易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，影響性能。冷噴技術(shù)是通過拉瓦爾噴嘴將粉末加速至超音速后沉積成形的過程，由于該技術(shù)為冷加工過程，可實現(xiàn)對部分不可焊材料進行增材制造，但在加工高質(zhì)強比、高硬度的材料（如TC4）時較難通過冷噴技術(shù)實現(xiàn)沉積。選區(qū)激光熔化與冷噴復(fù)合的增材制造技術(shù)，可適用于功能梯度材料的成形。

圖一 復(fù)合制造試樣示意圖

都柏林大學(xué)圣三一學(xué)院Shuo Yin等人利用選區(qū)激光熔化與冷噴復(fù)合增材制造技術(shù)，在選區(qū)激光熔化的鈦合金上冷噴鋁合金成功加工出功能梯度材料，并對其微觀結(jié)構(gòu)進行了研究。這種復(fù)合的增材制造工藝有效地防止了不同材料連接處脆性相出現(xiàn)，成形出了含不可焊金屬成分的致密的、可機械加工的功能梯度材料。盡管通過該技術(shù)得到了致密的微觀結(jié)構(gòu)，但仍具有一定缺陷。在采用激光選區(qū)熔化制造TC4時，由于未熔顆粒累積和表面粗糙度的影響，試樣中有較大的孔洞缺陷。而在冷噴過程中缺陷主要表現(xiàn)為粉末未完全塑性變形產(chǎn)生的較小孔洞。通過激光選區(qū)熔化制造的TC4試樣晶粒表現(xiàn)為針狀馬氏體組織，不同于粉末材料的α和β相，使得硬度有所提高。冷噴加工過程晶粒結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生變化，但由于加工硬化效應(yīng)試樣硬度相比粉末有較大提升。此外，斷口分析表明功能梯度材料具有較高的結(jié)合強度。

圖二 復(fù)合制造試樣內(nèi)部缺陷圖

該研究展示了一種復(fù)合制造的方式，對成形試樣進行了組織力學(xué)分析，為今后面向功能梯度材料的增材制造方式提供了新的可能。

參考文獻：
Shuo Yin, Xingchen Yan, Chaoyue Chen, Richard Jenkins, Min Liu, Rocco Lupoi, Hybrid additive manufacturing of Al-Ti6Al4V functionally graded materials with selective laser melting and cold spraying, Journal of Materials Processing Technology,Volume 255,2018,Pages 650-655,ISSN 0924-0136,

供稿人:張曉宇 李滌塵 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室