美國利用增材制造技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)梯度復(fù)合材料構(gòu)件一步成形

近日，美國華盛頓州立大學(xué)首次實(shí)現(xiàn)利用3D打印技術(shù)一步成形出由兩種不同材料組成的梯度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，能夠有效減少制造流程，快速制造出具有多種材料的復(fù)雜構(gòu)件。該研究成果發(fā)表在5月份的《增材制造》雜志上。

金屬-陶瓷梯度復(fù)合材料具有金屬和陶瓷特性的優(yōu)點(diǎn)，其中在陶瓷側(cè)具有高硬度以及良好的耐磨性和耐腐蝕性，在金屬側(cè)具有良好的延展性、高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。制造金屬-陶瓷梯度復(fù)合材料的傳統(tǒng)方法是壓制和燒結(jié)，不僅需要多個(gè)耗時(shí)的步驟，并且缺乏對(duì)金屬-陶瓷過渡區(qū)域的控制。采用基于粉末床的增材制造工藝可用于制造金屬-陶瓷梯度材料，但該方法在加工期間需要多個(gè)步驟（例如預(yù)混合粉末和轉(zhuǎn)換粉末），效率低下。并且，由于陶瓷和金屬材料之間的熱傳導(dǎo)性和熱膨脹系數(shù)顯著不同，因此使用增材制造金屬-陶瓷梯度結(jié)構(gòu)仍存在許多困難。

激光工程化凈成形（LENSTM）是一種直接能量沉積增材制造技術(shù)，采用激光束作為能量源，在基板上形成熔池，并在其上供給粉末。該技術(shù)可用于制造金屬和陶瓷材料、雙金屬材料和高硬度陶瓷涂層。研究人員利用LENS工藝制造出了由Ti6Al4V合金、Ti6Al4V+Al2O3復(fù)合材料和純Al2O3陶瓷不同截面所組成的金屬-陶瓷梯度結(jié)構(gòu)，并對(duì)Ti-Al2O3梯度結(jié)構(gòu)的橫截面進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)表征、相分析、元素分布和顯微硬度測量。結(jié)果顯示，每個(gè)部分都有其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和相。

此外，研究人員還采用LENS工藝，制造出了鎳鉻-銅梯度結(jié)構(gòu)。鎳基高溫合金Inconel 718是一種高溫耐腐蝕材料，在燃?xì)廨啓C(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。該材料耐高溫性能良好，但是熱導(dǎo)率低。研究人員通過在Inconel 718上沉積GRCop-84，Inconel 718的熱導(dǎo)率將會(huì)提高，同時(shí)保持Inconel 718在高溫下的高強(qiáng)度。與純Inconel718合金相比，熱擴(kuò)散率提高250％，電導(dǎo)率提高300％，可提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和燃油效率，為下一代航空航天結(jié)構(gòu)件的制造開辟了新的多材料金屬增材制造的可能性。

來源：北方科技信息研究所