电子束增材制造技术用于金属材料的多材料增材制造

（文章来源：激光天地）

采用送粉激光增材制造技术作为组合式的技术来制造成分和组织渐变的梯度材料在最近受到人们的广泛关注。制造的梯度多材料，大约500微米为一层，每一层的成分发生变化，经过层层堆积制备出梯度变化的多材料。如采用Cr-Mo-V热作模具钢和含Ni的马氏体时效硬化钢进行混合制造。制造时将两种粉末以不同的比例进行混合，然后进行制造。对制造后的样品进行轧制和热处理，并对显微组织、化学成分和机械性能进行分析。该种多材料的制造方法是一种非常高效的快速制备新颖成分合金的有效手段。该方法可以采用LAM开发新合金，也可以开发用于LAM的新合金。

在这里，我们为大家呈现一种通过冶金的办法制造多材料的手段，即采用送粉激光增材制造和组合式合金成分设计两种手段结合在一起来制造多材料金属材料。作为案例，首先为大家展示混合两种不同类型的工具钢：Cr-Mo-V热作模具钢和含Ni马氏体时效硬化钢。然后展示其他的案例。在前面我们已经介绍过一次多材料的增材制造（多材料的增材制造（3D打印） ），这里我们专门介绍金属的多材料打印。

这里，我们做这件事有三个目的，第一是通过这两种组合方式来制造多材料的效率如何？第二是识别工具钢的成分同目标合金相比其机械性能的改变提升程度如何？第三是研究这一手段获得的材料成分变化、组织和性能变化的多材料作为工程材料使用时同没有使用多材料进行服役时两者的效果对比又如何？其中第三条对工具钢的实际应用非常重要，因为工具钢在服役时需要表面硬度高。耐磨损，而整个材料又需要一定的强度和韧性。激光增材制造是一种非常适合进行系统研究以上问题的有效手段。尤其是该技术还可以直接采用粉末成分设计和层层堆积制造出复杂的形体来。

组合式成分设计的理念是基于薄膜合成的思想，即基于成分变化的理念。如新型的金属间化合物、形状记忆合金、耐蚀耐磨材料或者变形材料，都是基于此设计理念。薄膜合成和相应地成分变化这一设计思路已经应用于功能材料的设计和制造，这是因为功能材料的性能是同材料成分密切相关的，如导电、相变温度等就属于强烈的依赖于组织和性能的。

发展用于工程结构用途的材料需要统筹考虑其内在的独特参数，如位错能、弹性模量等。另外一方面还需要考虑材料参数对显微组织和性能的影响，如界面密度、粒子的分布、位错和晶胞结构、警惕结构和双相的性质等。

尽管内在材料参数取决于宏观材料的化学成分、显微组织及其随着工艺的变化或者化学成分、整个热机械历史和显微组织的遗传效应等。这一特殊尺度的显微组织对金属材料的强度、刚性和韧性从纳米尺度（如界面修饰和粒子分散）到微观尺度（如晶粒尺寸和织构）的调制非常重要。这一典型的显微组织-性能的关系表明显微组织的尺度同机械性能密切相关。

传统的工艺制造成分变化的材料是一种耗时的工艺，需要大量的繁琐的流程，如不同材料成分的混合、变形处理、均质化热处理、催货、再结晶、析出、相变、元素的偏西以及时效等。这种采用快速凝固技术进行合成的技术已经应用于TWIP钢的制造、高熵合金。高强度马氏体钢和高弹性模量的钢的制造。半连续的铸造、榨汁、热处理等技术可以在35h内制造混合45种材料的多材料。

在多材料组合冶金设计应用领域，激光增材制造技术同传统的快速凝固相比，拥有较多的独特优势：

该技术提供了一种特殊的冶金热过程。激光增材制造过程中的时间-温度曲线同传统的冶金过程是显著不同的。当每一层粉末沉积并熔化时，该材料以极高的速率得到淬冷并迅速的将热传递给底层材料。在沉积下一层材料时，固化的材料不断得到再加热和再冷却，甚至部分材料还会发生局部熔化。这意味着激光增材增材制造技术所获得的材料在不断地经受短脉冲的温度循环，这一特殊的内在热处理过程，可以用来进行固态相变。这对工具钢及其相关的合金尤其有意义，这类合金的强度、刚性、硬度是由析出的微小组织所决定的。

该组合设计所涉及到的是一个局部微小区域的快速熔化和凝固过程。这位传统工艺不易铸造的材料设计提供了解决途径，如氧化物弥散强化合金，同时可以获得超过溶解度极限的材料。LAM的凝固速率非常高。可以获得组织非常细化的材料，传统工艺获得的组织相对较粗大。

LAM也属于快速凝固工艺。将两种或者两种以上粉末混合，然后熔化凝固是非常耗时的。LAM可以在制造时直接切换按钮而实现多材料的制备。
（责任编辑：fqj）