功能梯度材料(Functionally Graded Materials, FGM)是指化學(xué)成分或結(jié)構(gòu)在空間上按照預(yù)期設(shè)計逐漸變化以實現(xiàn)特定性能的材料[1]。其概念最早是由日本科學(xué)家在20世紀80年代提出。不同于傳統(tǒng)的復(fù)合材料，F(xiàn)GM是在兩種材料之間加入一個逐漸變化的梯度層，以此來降低內(nèi)部應(yīng)力。Huang等人[2]采用粉末冶金法制備了以6061-T6鋁合金板為基體的功能梯度Al203-ZrO2防彈復(fù)合材料，梯度結(jié)構(gòu)可以避免分層，減少周向和徑向裂紋的擴展，增加各陶瓷層對彈丸的磨蝕作用，提高抗沖擊性能。此外，基于材料基因工程理念，結(jié)合高通量計算與表征，具有連續(xù)成分分布的FGM還可用于材料成分的設(shè)計與優(yōu)化，加快新材料開發(fā)。Coury等人[3]選取Fe50Mn50和Co50Ni50合金以及純Cr三種組元制備連續(xù)梯度材料，結(jié)果表明，使用高通量納米壓痕的方法可以快速檢測屈服強度，將成分預(yù)測和納米壓痕高通量實驗相結(jié)合，可大大減少實驗數(shù)量。

　　目前，缺乏合適的制造技術(shù)是限制FGM發(fā)展的主要瓶頸。增材制造作為一種高自由度的近凈成形技術(shù)，逐漸成為FGM研究和制造的理想手段。首先被采納的是激光直接沉積技術(shù)(Direct Energy Deposition, DED)通過改變供料配比實現(xiàn)從成分A到成分B的梯度過渡，但該方法只適用于大尺寸簡單結(jié)構(gòu)的多材料零件制備。另一方面，具有更高精度的選區(qū)激光熔化技術(shù)(Selective Laser Melting, SLM)讓高精度FGM制備成為可能。

　　近期，曼徹斯特大學(xué)的Lin Li團隊發(fā)表了關(guān)于SLM和LIFT技術(shù)實現(xiàn)梯度功能材料從微觀到宏觀制備的科研成果，文章指出：“基于SLM的梯度功能材料打印具有更高的靈活性和更大的應(yīng)用潛力?！比劭萍佳邪l(fā)總監(jiān)趙浩博士認為：“基于SLM的FGM打印是‘材料基因組計劃’中的一種高效的高通量材料制備及材料篩選方式，即材料篩選模式從‘逐一(1-by-1)’變?yōu)椤鹋?set-by-set)’，微觀上方便了各高校、院所的材料開發(fā)工作，宏觀上有助于推動材料科學(xué)的發(fā)展?！?/p>

　　在國內(nèi)，三帝科技旗下隆源成型在其推出的專利設(shè)備AFS-M120X中實現(xiàn)了水平方向上的梯度粉層穩(wěn)定鋪放，并結(jié)合與之配套的AFSwin-X梯度工藝軟件，能夠滿足分區(qū)變速、變功率的梯度材料打印需求，從而實現(xiàn)高精度、可控梯度的FGM零件制造。目前，該機型投入使用2年多，已面向多家科研用戶完成了CoCrMo-316L、梯度高熵合金、Inconel718-316L等梯度功能材料的工藝開發(fā)，制備FGM零件20余件、材料表征樣品300余件。

　　圖：隆源成型梯度金屬3D打印設(shè)備AFS-M120X

　　圖：梯度材料制備示意

　　圖：梯度粉層鋪放

　　目前，通過增材制造技術(shù)制備的梯度合金均是以垂直制造方向作為梯度變化方向，主要是以層間換粉的方式實現(xiàn)，依然存在組分比例精確控制的問題，無法形成連續(xù)梯度。而AFS-M120X設(shè)備的出現(xiàn)徹底解決了這一問題，通過該設(shè)備制備的梯度合金零件不再是粗糙的小型棒狀試樣，而是具有極高外形精度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的連續(xù)梯度材料制件?！斑@是增材制造技術(shù)的一次飛躍”，隆源成型合作單位北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院的張百成副教授指出，“另外我們也成功解決了混合粉末分離重復(fù)利用的問題，從材料成本角度解決了梯度材料/多材料增材制造的瓶頸”。

　　圖：316L和CoCrMo連續(xù)梯度合金制備圖示

　　圖：CoCrMo-Inconel718 連續(xù)梯度合金

　　圖： AFS-M120X打印的316L和CoCrMo合金一體成型樣件

　　圖： AFS-M120X打印的1.2709模具鋼和316L不銹鋼一體成型樣件

　　諸多實驗表明，通過隆源成型AFS-M120X可快速得到機械性能好、致密度高的復(fù)合材料，使高通量材料制備和FGM產(chǎn)品研發(fā)成為可能，在“材料基因組計劃”、新材料開發(fā)、航空航天、汽車、醫(yī)療、模具加工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　【關(guān)于三帝科技】

　　北京三帝科技股份有限公司(3D PRINTING TECHNOLOGY, INC. )(以下簡稱“三帝科技”)是一家專注于智能裝備、服務(wù)型制造的國家級高新技術(shù)企業(yè)，致力于3D打印設(shè)備、相關(guān)智能軟件、材料及工藝，3D打印康復(fù)醫(yī)療應(yīng)用的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售，及分布式制造服務(wù)。注重3D打印自主技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應(yīng)用，目前已創(chuàng)建了云制造服務(wù)平臺，并建立了十余個3D打印智造服務(wù)中心，逾千家設(shè)備及加工服務(wù)用戶遍布航空航天、汽車、船舶、科研院所、教育、文創(chuàng)、康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域。旗下主要品牌包括隆源成型、七號科技、環(huán)球精博等。

　　隆源成型專注工業(yè)級3D打印，1994年研制成功國內(nèi)首臺自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)級3D打印機，通過自主研發(fā)的SLS選區(qū)激光燒結(jié)、SLM選區(qū)激光熔化、噴墨式3D打印、DED定向能量沉積、建筑打印等系列智能裝備，為用戶提供快速鑄造、快速模具、數(shù)字雕塑、金屬功能件直接制造、增等材、智能化建造等解決方案。

　　參考文獻

　　[1] Saleh B, Jiang J, Fathi R, Al-hababi T, Xu Q, Wang L, Song D, Ma A. 30 Years of functionally graded materials: An overview of manufacturing methods, Applications and Future Challenges[J]. Composites Part B: Engineering, 2020, 201: 108376.

　　[2] Huang C-Y, Chen Y-L. Design and impact resistant analysis of functionally graded Al2O3–ZrO2 ceramic composite[J]. Materials & Design, 2016, 91: 294–305.

　　[3] Coury F G, Wilson P, Clarke K D, Kaufman M J, Clarke A J. High-throughput solid solution strengthening characterization in high entropy alloys[J]. Acta Materialia, 2019, 167: 1–11.

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