美國利用增材制造技術首次實現(xiàn)梯度復合材料構件一步成形

近日，美國華盛頓州立大學首次實現(xiàn)利用3D打印技術一步成形出由兩種不同材料組成的梯度復合材料結構，能夠有效減少制造流程，快速制造出具有多種材料的復雜構件。該研究成果發(fā)表在5月份的《增材制造》雜志上。

金屬-陶瓷梯度復合材料具有金屬和陶瓷特性的優(yōu)點，其中在陶瓷側具有高硬度以及良好的耐磨性和耐腐蝕性，在金屬側具有良好的延展性、高導熱性和導電性。制造金屬-陶瓷梯度復合材料的傳統(tǒng)方法是壓制和燒結，不僅需要多個耗時的步驟，并且缺乏對金屬-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步驟（例如預混合粉末和轉換粉末），效率低下。并且，由于陶瓷和金屬材料之間的熱傳導性和熱膨脹系數顯著不同，因此使用增材制造金屬-陶瓷梯度結構仍存在許多困難。

激光工程化凈成形（LENSTM）是一種直接能量沉積增材制造技術，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復合材料和純Al2O3陶瓷不同截面所組成的金屬-陶瓷梯度結構，并對Ti-Al2O3梯度結構的橫截面進行顯微結構表征、相分析、元素分布和顯微硬度測量。結果顯示，每個部分都有其獨特的微觀結構和相。

此外，研究人員還采用LENS工藝，制造出了鎳鉻-銅梯度結構。鎳基高溫合金Inconel 718是一種高溫耐腐蝕材料，在燃氣輪機和火箭發(fā)動機中得到了廣泛的應用。該材料耐高溫性能良好，但是熱導率低。研究人員通過在Inconel 718上沉積GRCop-84，Inconel 718的熱導率將會提高，同時保持Inconel 718在高溫下的高強度。與純Inconel718合金相比，熱擴散率提高250％，電導率提高300％，可提高飛機發(fā)動機的壽命和燃油效率，為下一代航空航天結構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