功能梯度材料
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江苏激光联盟导读：
增材制造技术由于其独特的技术优势而得到快速增长和改变了现有的制造先进材料的制程。其中一个比较典型的例子就是功能梯度材料（FGM）的制造。FGM，总的来说，是一类工程材料，定义为在整个体积范围内，从一种材料的成分和/或显微组织逐渐的改变成另外一种材料，导致基于位置而造成性能的变化。
激光直接沉积通过送粉的办法来进行增材制造，具有非常灵活的制造功能梯度金属材料的能力。在过去的一段时间内，一定数量的研究报道了采用这一工艺进行金属材料的高性能功能梯度材料的制造，并得到逐步的增加。基于这个原因，当前的文章竭力为大家提供一个目前采用激光直接沉积进行FGM制备的发展现状的综合的综述。报道依据材料系统进行分类以烘托每一金属系统的机会和所面临的挑战。最近研究所取得的工艺，相的形成，金属材料的FGM的性能均进行了总结和讨论。最后，增材制造FGM的未来也给予了展望以为未来的研究指明方向。
背景简介：
研究人员持续的尝试找到解决工程问题的办法，他们成功的实施了制造功能梯度材料（FGM）。FGM是一类定义为定制化学成分和或显微组织的一类材料。FGM 确实被定义为成分和或显微组织从一个材料梯度的变化到另外一个材料，并且他们可以要么是一种均匀的梯度变化的混合，要么是一种陡峭的材料连接的办法形成不均匀的混合结构，FGM的概念最早是1980年日本的研究人员提出来的。其应用在时间上需要一个成分的材料暴漏在高的温度梯度下，传统的层状复合材料就是此类应用，但他们不适合承受苛刻的工作环境，其在界面的不连续性造成材料的失效。复合材料中的热膨胀系数的差异进一步的加剧了失效。因此，梯度的界面在ＦＧＭ中进行了设计。应用FGM在近年来持续的取得成功，并且对其应用越来越多。FGM的优势在于其具有潜在的定制化以满足单一材料所不能满足的在不同区域的性能的要求。FGM一开始是应用于航空航天，但其应用也可以适用于其他领域，见图1 所示。
图1. 功能梯度材料的应用领域
单一材料部件的物理和机械性能可以通过梯度的化学成分和或显微组织的梯度变化来进行定制。这就使得金属部件的制造可以实现不同的性质。功能梯度材料（FGM）的通常的概念就是，不同的工程技术来制造金属功能梯度材料。他们可以是利用气相沉积来沉积涂层。他们也可以是采用离心铸造来制造块体材料，还有粉末冶金等技术。然而，这些技术在本综述中不给予讨论。制造定制的梯度的部件需要一个新的办法来自由的添加和混合几种不同的金属元素。金属增材制造技术就是这类满足这一需要的技术，然而，该技术的应用依然面临着一些挑战。
金属增材制造技术是一种自由成形的制造技术，依据数字CAD技术来通过层层堆积而制造出3D物体来。AM技术的独特性在于一个部件可以以最小的材料移除量和不需要模具来进行制造。AM技术已经成功的应用于金属材料的制造。比较著名的两类增材制造技术就是粉末床SLM技术和激光直接沉积技术LMD。这两种技术都是利用高能量热源来熔化原材料。在SLM技术中，粉末床材料输送到工作区域，移动的热源来扫描和熔化材料。然后工作台下降一个熔化的粉末层的厚度的高度，从而重复进行第二层，如此反复而形成整个物体的制造。能量直接沉积技术则是引入金属材料，以粉末或丝材的形式，输送到熔池中来进行实体的制造。熔池在能量源移动的时候产生，从而实现层层制造。
增材制造技术制造功能梯度材料是一种新颖的在3D体积层面进行动态混合金属材料或改变成分/显微组织的技术。该技术瞄准的是利用AM技术来制造性能变化的金属FGM。换言之，AM-FGM包括的是逐渐的混合材料来制造一个近净成形的具有可变性能的部件。AM-FGM可以同时得益于AM技术和FGM的技术。送粉DED是制造AM-FGM的最基本的技术。然而，送丝LMD和SLM 系统也可以是实现这一目的。但SLM技术在采用不同的粉末这一块存在一定的障碍。在AM-FGM中，陡峭和平滑过渡的梯度材料均可以实现制造。对于光滑过渡的梯度材料，梯度的成分改变通过逐层变化的。其变化一般在体积的 3 vol. %，然而，在陡峭的梯度变化中，其成分会突然变化，从一种金属/合金/元素突然变化为另外一种或者少许层。光滑的梯度变化对应用在需要减少内应力的场合是非常理想的，在应用磁性的场合，采用陡峭的成分变化是比较理想的。
图2显示的是不同类型的采用LMD技术进行AM-FGM的示意图。图２ｂ显示的是成分上光滑过渡从一种材料过渡到另外一种材料的示意图。其成分的精度和每层的步长变化在技术上定义了其复杂性而采用LMD技术进行了实现。图2c为成分陡峭变化的示意图，此处的成分急剧的从一种合金/元素变化为另外一种材料。图2d为多个梯度变化，此时一个梯度变化重复多次。多个梯度变化可以有利于不同的性能，如热膨胀或磁性。图2e为三个不同的成分的两个过渡区。适用一个中间过渡合金或元素，其成分不兼容的话，如果不能生成不理想的相的话，就不能直接混合。中间相的成分可以添加到一个安全的过渡的范围内。图2f为金属陶瓷梯度的示意图。溶解的陶瓷材料可以梯度的混合在金属基体中而构建金属基复合材料。
图2. LMD技术进行FGM制造的示意图及其成分变化的几种情形
目前有许多文章是关于这方面的综述的，提供了AM－FGM的制造，性能和应用，包括的材料有金属和陶瓷等。以往的综述主要集中依据材料系统来确定其性能和每一金属材料系统所面临的挑战。本文则只要提供了一个综合性的覆盖采用LMD技术进行FGM制造时的工艺，相形成和显微组织的演变以及其未来的展望。
采用LMD技术进行AM－FGM时所面临的挑战
金属FGM具有许多潜在的应用，并且AM技术进一步的促进了FGM的应用和发展。AM－FGM是一个新的概念，并且它依然需要深入完全的了解来解决现有的挑战。目前采用LMD技术进行AM－FGM时主要面临着如下挑战：
合金的兼容性问题
至于混合不同的材料，不同材料的的成分的熔点不同均会影响到每一成分的材料热输入的有效性，因为每一材料都需要足够的热量来熔化。这就会导致一些低熔点元素材料的选择性气化。而且，不同材料的材料的密度和表面张力的不同也会导致元素的偏析，尺寸的偏差，气孔的形成和未熔化颗粒的形成。此外，材料的热膨胀系数的不同，弹性模量的不同以及晶体尺寸的不同也会导致残余应力的显著不同和由此导致裂纹的产生。一个AM-FGM中比较严重的问题是LMD制造过程中的合金兼容性和溶解特性，这会导致脆性相的形成，该脆性相一般是金属间化合物。这些脆性相是不能承受工艺过程中的残余应力的。除了以上这些挑战，在增材制造过程中设计的影响，不同的热行为等对实际场合中的应用的机械性能也起到至关重要的影响。
图3 在不同的功能梯度材料的制造过程中在制造时产生的裂纹的案例：(a) Ti-6Al-4 V向 Invar合金过渡的制造, (b) Ti-6Al-4 V向 V以及向 304 L合金的过渡
工艺模拟
AM-FGM制造过程中的工艺路径是尤其重要的，因此对工艺路径进行模拟成为AM-FGM过程中的一个重要环节。此外，工艺模拟是一个有效的来控制AM-FGM的显微组织和机械性能的工具。然而，模拟依然面临着挑战，这是因为不同的材料组成所具有的内在的差别。不同材料组分的热物理性能的数据是强烈的依赖温度的变化的，且是不易轻易获得的。在此之上，局部的成分在引入不同的金属/合金到熔池的时候也保持着动态的变化。为了预测梯度材料的热物理性质，所有组分的数据都必须适应这一多项的应用场景。此外，更加复杂的办法需要用来组合所有的同成分相关和同性能相关的性质来估计混合物的情况。热动力学项目同时也可以预测热物理性能。
这些概念均在文献中很少被提及，而当前的大多数研究主要集中在不同的AM-FGM的表征上。Yan等人曾经发展了一个体素为基础的路径规划，此时的每一体素同位置，成分和工艺参数相关联。在Muller 等人的研究中，使用LMD技术进行FGM的制造，采用螺旋形和锯齿形扫描策略的性能进行了模拟，见图４。模拟考虑了每一个制造过程，包括从部件的描述到最终的部件。他们提出了一个预测的工艺来控制减少偏离精确制造的延迟问题。路劲的策略的确定对性能的指数也被证实是有效的。制造的模拟和工艺控制对成分的较低的波动也是或多或少的起到作用。然而，路径规划的策略在成分波动较大的时候对精度的影响非常大。
图4. 几种三元相图的实例
在LMD过程中粉末的混合也需要进行控制。这是因为粉末的密度，形状和尺寸不同，导致元素的偏离在喷射的时候就开始发生。预先混合的粉末可以使用一个送粉器来输送。Ｌｉ等人研究了粉末的分离偏析在输送预混合粉末的情形。采用计算流体动力学的模型来研究粉末的流动。尽管粉末的单独的输送在多个送粉器输送的时候可以非常容易的控制成分。模拟粉末的流动是非常重要的，可以确保成分按照预期进行。
热动力学模拟
通过热动力学模拟发展起来的多组元的相图可以非常有益的帮助来预测和避免形成不需要的脆性相的形成。热动力学模拟同时还可以用来模拟相变和热物理性质。然而，需要注意的是这些相图是基于平衡态所得到的，如铸造状态。他们用来预测非平衡状态如LMD的制造过程并不精确。这一办法在实验一定成分的合金后进行特定梯度的预测还是可行的。多组元相图可以成为设计理想的梯度材料的指引。CALPHAD 是一个系统的来计算多组元的相图。CALPHAD 是基于假设相图是系统平衡热动力学变化的函数。在实践中，CALPHAD 是由软件如Thermo-Calc 或 PANDAT来实施的.在AM-FGM中的多组元相图的实施可以非常对发展合金起到非常有益的作用.CALPHAD 在从一种合金到另外一种合金过渡的时候非常有用.对每一特定的梯度合金,存在更多的梯度成分的变化,取决于应用时所需要的功能要求.一个不同的梯度合金的成分路径在多组元相图中的例子见图5.梯度的路径可以是线性的,包括直接的混合一个合金和另外一个合金.在线性混合的路径中面临着不期望相的存在,见图5中有颜色的区域.梯度的路径可以是曲线到迂回线.有时候,两相的过渡将会在减少复杂性上有益.此时,梯度的路径可以是不连续的,使得一些步骤成分上作文章(见图5中的蓝色线).这意味着一个合金可以梯度的在多组元相图中非常接近纯金属，然后混合同另外一种纯金属混合以接近目标合金，最后可以梯度的达到目标合金。
▲图５.两个路径规划的路径模拟，性能指数和FGM测试部件：（a，c，e）锯齿形线条扫描策略；（b，d，f） 螺旋式
文章来源：1,Opportunities and challenges in additive manufacturing of functionally graded metallic materials via powder-fed laser directed energy deposition: A review，Journal of Materials Processing Technology，Volume 294, August 2021, 117117，https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.1171172,Additive manufacturing of a functionally graded material from Ti-6Al-4V to Invar: Experimental characterization and thermodynamic calculations,Acta Materialia,Volume 127, 1 April 2017, Pages 133-142,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.12.070
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