金屬3D打�。―ED）高溫合金功能梯度材料中的缺陷形成預(yù)防及減少

導(dǎo)讀：定向能量沉積（DED）是一種通過高功率激光或電子束聚焦在金屬材料上，將供應(yīng)到該區(qū)域的金屬粉末熔化以沉積材料的3D打印方法。由于其精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)和快速凝固的特性，DED工藝具有優(yōu)異的機(jī)械性能。它還允許調(diào)整混合比，同時(shí)通過兩個(gè)以上的料斗同時(shí)供應(yīng)多種材料。因此，該工藝可以制造具有各種混合比的多種材料。

然而，當(dāng)不同種類的材料熔在一起時(shí)，由于晶格結(jié)構(gòu)、殘余熱應(yīng)力、熱膨脹系數(shù)（CET）和其他熱/物理性質(zhì)的差異，兩種異種材料的界面可能會(huì)發(fā)生分層或裂紋。

2022年6月5日，南極熊獲悉，為解決此類問題，來自釜山韓國海洋大學(xué)的研究人員研究了功能梯度材料的缺陷形成原因和解決辦法，并在《Journal of Materials Research and Technology》期刊上發(fā)表了題為“Defect of functionally graded material of inconel 718 and STS 316Lfabricated by directed energy deposition and its effect on mechanicalproperties”的論文。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 22000291?via%3Dihub

功能梯度材料

功能梯度材料（FGM）具有逐漸改變的界面特性，它通過混合不同的材料、改變它們的結(jié)晶或排列方式來制造在整體結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)梯度變化的特性。這意味著，在一個(gè)單一的打印對(duì)象中，你可以創(chuàng)建一個(gè)在不同點(diǎn)上同時(shí)具有剛性和柔性的iPhone外殼。

也許我們現(xiàn)在還不確定FGMs的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，或者它們?cè)谖磥淼?D打印中會(huì)有多廣泛的應(yīng)用。然而，可以肯定的是，如果所有的問題得到解決，這將催生出新的應(yīng)用方向。

制造過程中普遍存在的缺陷是限制3D打印FGM應(yīng)用的主要障礙之一。研究團(tuán)隊(duì)通過控制不同材料在不同比例下的混合機(jī)制，以了解缺陷發(fā)生的地方。

△根據(jù)激光功率和送粉速度在橫截面上產(chǎn)生的缺陷示意圖

定向能沉積

值得關(guān)注的是，研究人員選用了定向能沉積（DED）技術(shù)來制備FGM部件。在增材制造領(lǐng)域內(nèi)，定向能沉積要比粉末床熔融（PBF）受到的關(guān)注少得多。在這種情況下，他們研究了不同材料（316L不銹鋼和Inconel 718鎳基高溫合金）之間的界面層。在層之間，可能會(huì)出現(xiàn)裂縫和缺陷，理想情況下，相對(duì)于彼此的正確材料組合可以減少這種情況。

Do-Sik Shim教授說："Inconel718具有優(yōu)良的性能，但它很昂貴。通過將其與STS 316L混合以創(chuàng)造高性能的FGM，我們不僅提高了其技術(shù)和商業(yè)優(yōu)勢(shì)，而且還提高了其經(jīng)濟(jì)可行性，"

該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中使用了Optomec LENS系統(tǒng)，建立了一系列的部件，并對(duì)梯度以及激光功率和進(jìn)給率進(jìn)行了調(diào)整。他們制備了一些部件，將鋼打印在鉻鎳鐵合金上，并在其中混入10%和25%的梯度變體。在沒有梯度的樣品中，兩種材料之間形成了裂縫。相比之下，梯度樣品由于組織展現(xiàn)出柱狀晶到等軸晶的過渡形貌（FGM微觀結(jié)構(gòu)的過渡），以及沉淀相或包含鈦、鋁或鉻雜質(zhì)，只在特定區(qū)域才顯現(xiàn)出裂縫。同時(shí)，25%分級(jí)的樣品顯示出最高的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。

△(a)   多層沉積的DED工藝和掃描程序和 (b) DED 機(jī)器的示意圖

"這些發(fā)現(xiàn)將導(dǎo)致該領(lǐng)域的改進(jìn)，例如降低成本，延長(zhǎng)設(shè)備中的部件壽命，以及增強(qiáng)功能，"Shim教授認(rèn)為。

現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)將研究幾何形狀以及它們?nèi)绾斡绊懰麄兊慕Y(jié)果。DED總是被看作是一種非常粗糙的技術(shù)，由于打印系統(tǒng)缺乏對(duì)溫度和氣流的控制，以及粗糙的表面，意味著這個(gè)過程往往需要大量的加工，并且不能建造最復(fù)雜的零件。然而，PBF受到腔體大小的限制，使得大型尺寸的（1m長(zhǎng)以上）的零件非常昂貴。同時(shí)，大型粘結(jié)劑噴射部件在其生坯狀態(tài)下會(huì)因其自身重量而變形或倒塌。DED確實(shí)是我們制造幾米或更大的結(jié)構(gòu)件的最佳選擇。因此，韓國研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的這項(xiàng)工作對(duì)于將DED推進(jìn)到成為一種更可行的生產(chǎn)技術(shù)具有重要的意義。

研究結(jié)果

通過對(duì)不同的DED工藝參數(shù)對(duì)Inconel718 和 STS 316L進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究人員建立匹配的工藝參數(shù)。在設(shè)定的工藝條件下，評(píng)估了 Inconel 718 和 STS 316L 的FGM沉積電位。在非分級(jí)、分級(jí) (25) 和分級(jí) (10) 樣品的條件下對(duì) FGM 進(jìn)行了沉積特性、力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)研究。得到的結(jié)果如下：

△不同混合比的Inconel 718 和 STS 316L 粉末制備非分級(jí)和分級(jí)材料的示意圖

(1)通過在不同的激光功率和粉末進(jìn)料速率下進(jìn)行多層沉積實(shí)驗(yàn)來分析沉積層和缺陷。確認(rèn)根據(jù)工藝參數(shù)，缺陷和沉積熔池的形狀有所不同。根據(jù)激光功率和送粉速度變化而出現(xiàn)的沉積缺陷可以通過實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。

(2)FGM 沉積條件是根據(jù)為每種粉末建立的條件設(shè)定的。在非梯度樣品中，由于冷卻速度、兩種材料之間的熱膨脹系數(shù)和SiO2的差異，在界面附近出現(xiàn)了裂紋。而在分級(jí)樣品中，在特定區(qū)域形成了垂直裂紋，這些裂紋是由柱狀到等軸轉(zhuǎn)變（CET）、析出物和Ti、Al或Cr夾雜物而形成的。

(3)對(duì)未分級(jí)和分級(jí)樣品的硬度特性研究表明，分級(jí)樣品中觀察到平滑的硬度變化，與未分級(jí)樣品不同。硬度的溫和轉(zhuǎn)變是由于從 Inconel 718 到 STS 316L 的持續(xù)成分變化，證明了 FGM 鍍層的有用性。然而，在發(fā)生垂直裂紋的區(qū)域，硬度急劇下降。硬度最低的區(qū)域與沉淀導(dǎo)致裂紋的區(qū)域相匹配。

(4)與單一材料沉積物相比，非分級(jí)和分級(jí)樣品的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率較低。當(dāng)比較未分級(jí)和分級(jí)樣品時(shí)，分級(jí)（25）樣品的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率相對(duì)較好，而分級(jí)（10）樣品的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率最低。結(jié)果，機(jī)械性能可能會(huì)根據(jù) FGM 的混合比而改變。因此，為 FGM 沉積物選擇適當(dāng)?shù)幕旌媳戎陵P(guān)重要。

測(cè)試結(jié)果證實(shí)，力學(xué)性能因梯度成分而異，因此選擇合適的梯度成分對(duì) DED 制造的 FGM 至關(guān)重要。此外，機(jī)械性能會(huì)根據(jù) FGM 混合比例而變化，需要優(yōu)化工藝以設(shè)定合適的混合比例并限制裂紋。FGM沉積物（不包括出現(xiàn)裂紋的混合比）設(shè)置比分級(jí) (25) 樣品更寬的混合比，在預(yù)熱基板的同時(shí)產(chǎn)生沉積物，并為每層沉積提供足夠的停留時(shí)間以抑制裂紋并改善 FGM 沉積物的機(jī)械性能，在這項(xiàng)研究中，判斷未來在去除裂紋發(fā)生區(qū)域后，F(xiàn)GM 沉積物會(huì)提高抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。

當(dāng)航天飛機(jī)穿越大氣層時(shí)，其燃燒室必須承受惡劣的環(huán)境以及高達(dá) 1000-2000 K 的溫度，這些溫度非常極端，以至于傳統(tǒng)的復(fù)合材料無法滿足所需的性能標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，復(fù)合材料的失效通過分層發(fā)生，在此期間纖維與基體分離。因此，當(dāng)在高溫環(huán)境中使用的部件上應(yīng)用 FGM 沉積時(shí)，將實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約和部件壽命的提高。