激光增材制造（laser additive manufacturing，LAM）技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一項(xiàng)集計(jì)算機(jī)、數(shù)控、材料、激光等于一體的新型先進(jìn)制造技術(shù)，該技術(shù)運(yùn)用“離散-堆積”的增材制造原理，創(chuàng)形與創(chuàng)性并行，通過高能激光束將材料進(jìn)行逐行逐層疊加，直至制造出完整的三維實(shí)體零件。對(duì)于梯度功能材料的制造，該技術(shù)可以很容易地通過實(shí)時(shí)改變粉末輸送比例和控制相應(yīng)的激光增材制造工藝，在零件的任意位置獲得所需的材料成分、組織結(jié)構(gòu)和性能。該技術(shù)正成為裝備制造產(chǎn)業(yè)新的重要方法之一。

激光增材制造技術(shù)，是基于微積分的思想，采用激光作為能量源，對(duì)預(yù)置的或同步送進(jìn)的金屬粉末進(jìn)行逐層激光熔覆，通過材料添加的方式一層一層堆積制備出實(shí)體零件。該技術(shù)擁有諸多名稱，最具代表性的激光增材制造技術(shù)為以同步送粉為技術(shù)特征的激光熔化沉積技術(shù)（laser melting deposition，LMD）和以粉末鋪床為技術(shù)特征的選區(qū)激光熔化技術(shù)（selective laser melting，SLM）。

    激光熔化沉積技術(shù)使用激光作為熱源對(duì)送粉器同步送入的金屬粉末進(jìn)行熔化，高能激光束照射在基體表面形成熔池，送粉器將金屬粉末送入熔池中使其快速熔凝，從而與金屬基體形成冶金結(jié)合層覆蓋在基體表面形成新的金屬層，其原理如圖1所示。選區(qū)激光熔化技術(shù)與激光熔化沉積技術(shù)的區(qū)別在于粉末添置形式的不同，選區(qū)激光熔化技術(shù)在激光束進(jìn)行掃描前，先利用鋪粉輥在基體上預(yù)鋪一層金屬粉末，然后用激光束按照預(yù)設(shè)的掃描軌跡對(duì)粉末進(jìn)行有選擇的熔化，每熔化完一層成型缸下降預(yù)設(shè)高度，同時(shí)鋪粉缸上升預(yù)設(shè)高度，鋪粉輥均勻鋪下一層粉末，如此一層層疊加直至形成最后所需零件，其原理如圖2所示。

圖1 激光熔化沉積技術(shù)原理圖

圖2 選區(qū)激光熔化技術(shù)原理圖

梯度功能材料（functionally graded materials，F(xiàn)GM）是指材料的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率等要素沿材料厚度或長(zhǎng)度方向由一側(cè)向另一側(cè)連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)變化，從而使其物理化學(xué)等性能也發(fā)生連續(xù)的梯度變化，具有特殊功能的新型復(fù)合材料。其最大特點(diǎn)是材料內(nèi)部沒有明顯的界面，組分、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及功能均呈現(xiàn)出連續(xù)的梯度漸變形式，緩和了由于不同材料的熱物性差異產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而可應(yīng)用于高溫環(huán)境，尤其是兩側(cè)溫差較大的苛刻環(huán)境。根據(jù)梯度功能材料特點(diǎn)，通過將金屬、陶瓷、塑料等各種材料進(jìn)行巧妙的組合，F(xiàn)GM已廣泛應(yīng)用在航空航天、光學(xué)工程、能源工程、生物醫(yī)學(xué)工程、電磁工程、核工程等領(lǐng)域。制備梯度功能材料的方法有很多，常用的方法有粉末冶金，等離子噴涂法，化學(xué)氣相沉積法，自蔓延高溫合成法，電沉積法，離心鑄造法等。上述制備方法雖有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其在實(shí)際應(yīng)用中通常受到許多限制，例如，粉末冶金法只能生產(chǎn)具有相對(duì)簡(jiǎn)單幾何形狀的零件，自蔓延高溫合成法受到材料選擇的限制，這些局限性阻礙了梯度功能材料的發(fā)展和工業(yè)化應(yīng)用。因而，采用高效便捷的激光增材制造技術(shù)制備梯度功能材料勢(shì)在必行。

金屬材料具有其他工程材料無法比擬的優(yōu)異的綜合物理、化學(xué)和力學(xué)性能，例如Ti合金具有優(yōu)秀的抗腐蝕性、生物相容性、低密度和高的比強(qiáng)度；Al合金具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性及抗蝕性；Ni基合金和Co基合金具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗高溫性能；Fe基合金抗磨性能好等。通過調(diào)整金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提高其性能已成為過去幾十年中材料研究的主要方向，在金屬材料中引入梯度結(jié)構(gòu)，打破原本耦合在一起的材料性能，允許其中一個(gè)或多個(gè)性能單獨(dú)改善，可使材料的整體性能和使役性能得到極大優(yōu)化和提升。對(duì)于金屬／金屬梯度功能材料激光增材制造的研究，國(guó)內(nèi)最具代表性的為西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授所在團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)于2005年采用激光增材制造技術(shù)成功制備了316L/Rene88DT梯度材料，研究了梯度材料的凝固行為和組織演變規(guī)律。結(jié)果表明，在該研究的工藝參數(shù)條件下，梯度材料內(nèi)部成分逐漸從100% SS316L過渡到100% Rene88DT，且晶粒取向與梯度方向平行。隨后，該團(tuán)隊(duì)又進(jìn)行了Ti/Rene88DT、Ti/Ti2AlNb、Ti6Al4V/Rene88DT、Ti60/Ti2AlNb等梯度材料的成形研究。

從20世紀(jì)70年代開始，人們就在從事金屬上制備陶瓷涂層的研究。直到80年代末，采用激光增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)金屬表面改性逐漸發(fā)展起來。目前此方法已經(jīng)成為在金屬表面改性中最具價(jià)值和發(fā)展前景的技術(shù)之一，在很多領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。由于金屬材料和陶瓷材料的熔點(diǎn)不同，這樣會(huì)在金屬熔池中產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流，容易破壞金屬和陶瓷之間的結(jié)合。通過原位反應(yīng)生成的增強(qiáng)相與基體有較好的濕潤(rùn)性，同時(shí)反應(yīng)所放出的熱量有助于增加陶瓷和金屬的濕潤(rùn)性，所以原位自生的陶瓷增強(qiáng)相與基體結(jié)合更牢固，是解決界面結(jié)合問題的有效方法。因此，原位自生金屬基陶瓷復(fù)合材料受到國(guó)內(nèi)外很多研究人員的普遍關(guān)注，并初見成效。

（1）建立專用高性能梯度功能材料標(biāo)準(zhǔn)體系

在高性能梯度功能材料激光增材制造的所有環(huán)節(jié)中，材料是最為關(guān)鍵、最為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。針對(duì)激光增材制造工藝特點(diǎn)，建立其專用高性能梯度功能材料體系，充分發(fā)揮激光增材制造在梯度功能材料高性能化方面的優(yōu)勢(shì)迫在眉睫。

（2）深化高性能梯度功能材料成形理論研究

由于梯度材料中的各層次結(jié)構(gòu)連續(xù)變化，許多應(yīng)用于均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料激光增材制造的理論、機(jī)制不再適用。關(guān)于梯度材料在激光增材制造過程中的物理、化學(xué)及力學(xué)等方面的理論仍不成熟，要想準(zhǔn)確地對(duì)激光增材制造梯度功能材料過程進(jìn)行描述，相關(guān)的理論模型需進(jìn)一步優(yōu)化。

（3）開發(fā)新型激光增材制造系統(tǒng)

隨著智能制造的發(fā)展，開發(fā)適用于制造高性能梯度功能材料的新型先進(jìn)激光增材制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控激光增材制造過程中的過程參數(shù)和成形信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，將整個(gè)系統(tǒng)集成化、可控化及可視化，將是科研人員的重點(diǎn)研究方向。

原文出自：高性能梯度功能材料激光增材制造研究現(xiàn)狀及展望[J].材料工程,2020,48(9):13-23.

崔雪, 張松, 張春華, 吳臣亮, 王強(qiáng), 董世運(yùn)

DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001156