增材制造高性能功能梯度材料研究进展

2022-11-22杜东方余盈燕费国胜韩俊峰

锻压装备与制造技术 2022年5期

关键词：增材梯度性能

杜东方，张明，余盈燕，李坤，费国胜，韩俊峰

（1.四川工程职业技术学院四川省冲压发动机先进制造技术工程实验室，四川德阳，618000；2.重庆大学机械与运载工程学院，重庆 400044；3.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044）

1 引言

功能梯度材料是一种成分和结构连续梯度变化的复合材料。与各向同性材料相比，功能梯度材料的成分和结构可以精确设计，以创建定制的多功能性能。因此可以减少零件的残余应力、热应力和裂纹驱动力，从而提高零件的整体性能。

增材制造技术的出现，增材制造又称3D 打印，很好地解决了这一难题，可以实现轻量化、整体化、功能一体化和复杂结构的设计，缩短了研发周期，加快产品的升级换代，提高我国的制造业竞争力，实现数字化制造。

增材制造是将需要制造的零件离散成层状而后堆积制造出，此过程需要计算机技术、激光技术和材料技术等多项高技术，是一种数字化的制造方式。AM-FGM 可以生产具有多种功能的功能梯度材料，FGM增材制造的步骤主要是确定材料分布、三维结构、制造、和性能分析。

虽然AM技术发展越来越成熟，但在FGM 的研究依然存在许多挑战，目前的CAD 系统的STL 文件格式限制着成分FGM材料分布的定义，深层次的原因是由于增材制造过程中使用的是计算机辅助设计（CAD），因此其无法定义材料的分布。本文综述的重点是通过了解现有的技术，最大化地提高AM-FGM的高性能，充分发挥出FGM材料的性能及AM 技术的优势，提供了用增材制造技术如何制造出高性能FGM的综述。

2 AM-FGM 的优化设计及性能分析

FGM的设计往往会决定性能的好坏，为了更好地发挥出FGM的优势，我们需要采用其他的方式来设计FGM。在工程问题中，对于结构的要求是轻量化和高性能，只有这样才会减少材料的浪费，节约成本，并提高性能。FGM的优势就在于其材料分布可以人为定义，从而得到想要的性能,而优异的AM-FGM材料设计可以很好地避免由于材料突变所造成的裂纹及断裂等缺陷，实现多种优秀性能的集成。将AM与FGM结合起来成为目前研究的一种趋势，而现实工程中的问题是非常复杂的，而AM制造具备制备复杂形状的能力，优化设计是通过设计的角度提高产品的性能。尽管有许多关于FGM 力学性能的研究，如拉伸、冲击实验等，这种研究一般多属于制造后的性能分析，所以对性能提升的影响不是很大，属于被动式的研究。在AM-FGM制造前的性能分析是一种主动式的设计，可以与优化结构设计结合起来形成闭环的设计流程，有助于避免产品的缺陷，降低产品的不合格率。

在本节中，我们主要讨论了如何实现AM-FGM的优化设计，包括两大部分，它们分别是结构的优化设计、成分梯度路径的优化设计和性能分析。结构的优化设计主要分为拓扑结构、细胞结构和点阵结构、仿生结构。成分梯度路径的优化设计主要针对材料的成分进行了对应的优化。

2.1 拓扑结构

在功能梯度材料的制造中，通常会有热残余应力，当该热残余应力达到一定的值，往往会引起各种机械故障，而优化功能梯度材料的体积分数，可以有效地降低热残余应力。为了减少表面均匀受热FG 板的热应力。Wei,X.[1]等人采用了模式搜索混合遗传算法对Ni/Al2O3功能梯度材料板的热残余应力的体积分数进行了优化，仿真结果表明该方法的有效性和实用性。在不同的应用场景中，拓扑优化的结果也是不一样的，Alshabatat,N.[2]等人将功能梯度材料的成分用六个设计变量参数化表示，以三种不同情景下功能梯度材料板的最小化的声幅射为评判标准，通过遗传算法优化材料的分布实现声辐射的最小化。其中，Carrera 统一公式（CUF）已被开发用于分析梁、壳和板等结构中，它是分析梁、板和壳结构的可靠和准确的方法。采用将CUF 和IGA 结合起来研究功能梯度板（图1a），可以提高功能梯度板结构分析的可靠性和准确率。Rahmani,F.[3]等人利用基于IGA 方法的CUF，得到了功能梯度板的控制方程。变量为孔隙度和振动功率，而孔隙度与体积分数的关系如图1b、c，在图中g 表示非负梯度指数，g 和a 控制着功能梯度板的材料分布。然后，利用自适应粒子群优化算法，在自由振动分析的条件下，求出单向PFG 板的最优材料分布。

图1 功能梯度板的优化设计

现代化装备的多功能需求要求材料可能需要在不同方向性能是变化的，例如航空航天的热应力分布在不同方向上的差异巨大。由于多向功能梯度板的解析解很难得到，因此，大多数的研究主要集中在单向功能梯度材料。关于多向FGMs 相关的研究已经有了相应的尝试，采用基于状态空间的微分求积法，可以实现多向正交各向异性FG 板的半解析三维弹性解。板的材料特性按照指数定律在三个方向上变化。将所得结果与单向FG 板的精确解进行了比较。以上的大多数研究的优化算法主要是根据在约束条件下实现目标的优化，计算结果是一组最优解。这种优化算法有着很多的弊端，一方面这一过程往往需要大量的性能计算，计算成本高。另一方面这种计算严重依赖于性能分析结果中的一组初始值，计算可能会卡在某一局部区域，导致无法求解。针对该问题，一种利用随机搜索技术的元启发式算法迅速发展起来，该算法有效地解决了敏感性分析，简化了问题的复杂度。在以往的研究中，对于多向功能梯度材料的材料分布（尺寸）和厚度变化（形状）的优化是单独进行的，Lieu,Q.X.[4]首次提出了一种同时优化两者的数值方法——MSORA-AHEFA 方法。先创建了可以面熟出材料尺寸和材料厚度的NURBS 曲面，该曲面可以准确地分析多向功能梯度板的力学响应，采用基于非梯度的全局优化算法优化了在多向功能梯度板体积分数约束下实现板的频率最大化的形状优化设计。同时，该方法也可以扩展到其他问题，例如，同时进行尺寸、形状和拓扑优化。

对于功能梯度梁的优化设计，Banh,T.T.等人[5]采用优化准则优化器顺利对含裂纹功能梯度梁结构进行了拓扑优化。传统的应对复杂问题的方法一般采用数值模型表达，通常计算量大且费时。代理模型的出现一定程度上缓解了该问题，代理模型只需要设计者在设计域中构建输入变量和输出参数之间的关系就可以实现与数值模型相似的功能，常见的代理模型有Passos 等人提出了一种结合高效全局优化算法（EGO）的Kriging 模型等。

壳体相对于板状和梁状，可以承受更大的负载，因此，常应用于流体容器、造船行业及航空航天。夹层结构常应用于需要坚固、轻便的结构，例如飞机、建筑和运输等工程中。功能梯度飞轮的材料分布优化设计主要集中在径向材料的变化，增材制造技术的迅速发展，使得生产出材料任意分布的飞轮成为了可能，这将会大大增强飞轮的整体性能。Galvez,A.[6]等人，先采用基于b 样条曲面的单元单元设计方法实现平滑连接，然后与算法结合起来通过采用拓扑优化技术实现材料的最优分布。

复合材料结构已广泛应用于满足高性能要求。但在不同材料的界面可能存在应力奇点，这会严重影响材料的力学性能。相反，在功能梯度材料中，应力奇点可以有效地避免。结构性能的好坏对工程起着决定性的作用，不同的结构优化方法在不同的应用场景中有着不同的作用，结构拓扑优化的应用范围最广。

2.2 点阵结构

传统的拓扑优化通常是在体积分数一定的情况下用填充的布尔运算将连续的设计变量从0 转化为1，这样通常会导致优化后的结果通常是不光滑的，这就需要重新将其转换为光滑的结构CAD 才能制作，另外优化后的结构在增材制造时需要加支撑结构才能制造出来，否则，会容易形成塌陷，造成形状的改变，而制造后有些支撑结构很难去除。Dong,G.等人[7]针对该现象提出了一种防止塌陷的晶格支撑结构。首先，作者等人拓扑优化的方法得到了构件的三维几何结构，然后采用了双向进化结构优化算法对需要连接支撑的地方优化生成了点阵结构，提高了AM的制造性。通过实验验证，点阵结构能明显提高结构的刚度和强度。另外，Li,D.W.等人[8]提出了一种生成式的结构设计方法，图2 展示了用于增材制造的陀螺梯度元细胞的结构优化设计流程图，描述了在不同密度下的细胞结构三维图，采用隐式建模算法很好地避免了拓扑优化后结构不平滑的问题。微观晶格结构由于其特有的复杂性，传统设计的方法会出现连通性的问题,导致其在制造的过程中需要增加支撑结构，移除这些支撑可能是非常困难或不可能的。利用b 样条，现有的晶格几何可以通过设置表面的控制点来进行局部变形，以开发具有补偿杆直径、无支撑拱悬垂和最小开口的设计。这些优点也使b 样条成为未来发展DFAM复杂晶格结构的一个非常有前途的工具。Liu,L.等人[9]提出了一种避免局部体积约束的惩罚的固体各向同性材料点阵结构拓扑优化方法，在线性屈曲准则下的不同屈曲载荷因子来生成晶格结构，生成的晶格结构具有良好的稳定性和高的结构刚度。因此可以广泛应用于各种高性能要求的部件设计中。

图2 陀螺梯度元细胞的结构优化设计流程图

涡轮叶片常在高温高压的环境下工作，这就需要叶片具有良好的整体性能，否则在复杂的环境下极其容易失效，当涡轮叶片在工作的时候，叶片表面会受到非常大的应力。为了使涡轮叶片的工作中受到应力最小化，Wang,Y.Q.等人[10]采用渐近均匀化方法同时对微观结构和宏观结构梯度化设计，不同的微观结构根据其性能特点分配到不同的位置上，形成了一种优于均匀点阵微结构的梯度结构。

晶格结构的不同对性能的影响巨大，晶格的设计主要集中在晶格的几何结构和密度分布。Nian,Y.Z.等人[11]对在静态荷载作用下不同梯度晶格的能量吸收情况做出了相应的研究，对其进行非线性动力显示有限元分析，结果发现影响梯度晶格能量吸收的主要因素有梯度模式、梯度指数、管壁厚度等。为了能够提高结构的能量吸收率，作者等人以吸能性能指标作为评判标准，采用非支配排序遗传算法II（NSGA-II）对晶格结构进行多目标优化，求解出了最佳支柱直径。

2.3 优化成分梯度路径

增材制造的方法非常适合于制备成分梯度合金，尤其是，LDED 和SLM 两种方式，但在制备这种梯度结构时，最常见的问题便是极其容易出现有害相。例如，双相不锈钢的微观结构主要是铁素体和奥氏体，其合金成分体系主要是Fe-Cr-Ni，而σ 相主要出现在含Fe、Cr 的高温合金系统中，σ 相会增加零件的脆性并降低整体的耐腐蚀性。Ti-6Al4V 到Invar 36 的成分梯度材料中，如果采用增材制造的方式，会导致零件开裂，导致该合金开裂的根本原因是脆性金属相（Fe2Ti、Ni3Ti 和NiTi2）。因此，解决有害相成为了提高成分梯度合金性能的核心问题之一。这种缺陷还可以通过成分设计的方式来避免。

对于特定温下有害相的预测与避免问题，Liang,H.X.等人[12]采用热力学相图软件分别设计了Ti-6Al-4V至V 梯度合金的梯度路径变化情况和304 L 到Invar 36 的径向梯度路径（如图3），结果证明了通过热力学相图软件设计成分梯度路径的方法对于提高零件的性能是十分有益的。CARROLL B E等人[13]对SS304L 到IN625 的成分梯度路径做了相应的探索研究，通过相图计算（CALPHAD）建模的方法成功设计并制造出了无明显缺陷的零件，其成分梯度路径的变化情况如下：100%SS304L；96%SS304L，4% IN625；83% SS304L，17% IN625；67%SS304L，33% IN625；55% SS304L，45% IN625；27%SS304L，73%IN625；100%IN625。MOLLA T T 等人[14]采用了相图计算软件（CALPHAD）来预测可能的相，以合金收缩率最小化和奥氏体最大化为目标，通过多目标遗传算法的策略，确定了功能梯度材料的最佳成分设计。

图3 梯度路径变化情况

但当涉及的元素个数过多时，模型是一种复杂的高维模型，此时，可视化这种高维模型是非常困难的，同时在高维空间中进行成分梯度路径的规划也变得同样困难，高维数据在降维后才能更好地实现梯度路径规划。由于增材制造的过程具有非平衡凝固特点，而KIRK T 等人[15]未考虑亚稳相或非平衡凝固中所形成的相，这种方法的局限性在于增材制造的过程具有非平衡凝固的特点，而目前应用于梯度路径设计总相图预测的方法是一种平衡相图。

由于上述的这些成分梯度路径预测是建立在平衡凝固下相的预测，而增材制造是非平衡凝固，因此，平衡相图的预测与实际增材制造过后的数据存在些许的差异。在Fe-Cr-Al 合金系统中，MOUSTAFA A R 等人[16]采用了这种新形式的Scheil三元投影（STeP）非平衡相图，这个图表是通过将Thermo Calc 软件的平衡图相图和TCHEA2 数据库的步进图结合起来，这样可以考虑到高温Al5Fe4 相和低温AlCr2 相的差异，增加了在增材制造下有害相的预测精度，在该方法下优化的成分梯度路径也就更加合理。

3 AM-FGM 制造的高性能实现

与传统的加工方式相比，AM可以制造出梯度变化更加复杂、整体性能更加优良的功能梯度材料。这与AM的独特的制造方式所密切相关，这种制造方式加强了对材料分布的控制能力，使得设计人员可以根据自己的意愿在合适的位置打印合适的材料成为了可能。

在第二章，我们主要从设计的方面提高产品的性能，在本章中我们主要探讨如何从AM制造实现高性能的要求，包括三个方面，它们分别是FGM 的增材制造方式、制造过程优化和后处理三个方面。

3.1 FGM 的增材制造方式

3.1.1 基于激光的过程

在功能梯度材料的制造过程中，基于激光的工程主要有三个工艺，它们分别是激光工程网络成形（LENS），也称为定向能量沉积（DED）、选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化（SLM）。这种制造方式的流程一般是先几何建模、计算机辅助设计（CAD）软件划分成离散的分层单元、AM制造。

定向能量沉积（DED）的材料输送方式主要有粉末或金属丝两种形式，在功能梯度材料的制造中，粉末可以轻松灵活地混合不同比例的材料，而金属丝在灵活性上面造成了巨大的限制，因此，粉末相较于金属丝优势更加大，大多数的基于定向能量沉积（DED）的功能梯度材料制造主要采用粉末的方式制造。另外激光工程网络成形（LENS）是通过点对点的制造方式，这种方式可以控制每个点材料成分的不同。而选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化（SLM）都是通过先铺粉后激光熔化打印的过程，这种预先铺粉的制造方式导致梯度大多只能在垂直于铺粉层的方向上变化，在其他方向上变化非常困难。另外激光工程网络成形（LENS）的激光光斑比选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化（SLM）的大，上述工艺制造方式和工艺参数不同必然导致制造结果的差异，大的激光光斑导致制造的精度大大降低，微激光光斑会显著提高零件的精度、质量。LENS 主要用于铁、钛和镍基合金。SLM和SLS 使用的金属数量远远超过LENS。

3.1.2 立体光刻工艺

SLA 工艺原理是用紫外线（UV）激光将液态材料固化，这种液态材料在层内均质的，在构建方向上会发生变化。如果想要制造功能梯度材料，需要通过使用多个装满不同树脂的罐来实现，大大降低了效率。

3.1.3 材料喷射

材料喷射是将喷射出液体光聚合物液滴在紫外光的照射下固化，MJ 也与SLA 非常相似，因为它们都使用紫外光源来固化树脂。不同之处在于MJ 3D打印机一次喷射数百个微小液滴，而SLA 是选择性地逐点固化。另外材料喷射也可用于制造金属零件，与液体光聚合物需要额外的固化过程提高表面质量一样，金属材料需要后续烧结来提高表面质量。在功能梯度材料时，我们只需要添加喷头的数量就可以实现多方向梯度变化的复杂功能梯度材料制造。虽然MJ 可以通过后处理制造出表面质量非常高的零件，但耗费的成本非常高、零件的结构强度低。

3.1.4 熔融沉积模型

FDM是通过加热喷嘴熔化材料而非通过激光熔化材料，通过控制喷头、平台的相对运动形成零件的几何形状，熔化后的材料挤出到工作台，凝固后零件成型。而功能梯度材料中的梯度一般由多个材料的喷嘴任意混合而产生的。这种制造方式的典型特点是：制造的表面粗糙度大，需要后处理。同时，由于喷嘴是机械运动，制造的精度相对较低。而该技术的优点是材料利用率高与操作简单方便。

3.2 制造过程优化

3.2.1 工艺参数的优化

增材制造技术可以实现功能梯度材料的各向异性，POPOVICH V A 等人[17]用不同的激光源和合适的工艺参数，利用SLM技术制备了不同梯度的铬镍铁合金718。OLIVEIRA J P 等人[18]为了揭露了焊接和增材制造之间存在怎样的关系，首先对焊接的热源、焊接参数、引入成核粒子和外部超声波刺激对微观组织是如何影响的，然后寻找可以应用于增材制造的方法。最后确定了在不同情况下开口距离上限的不同准则，这样我们可以在不同准则下优化工艺参数，从而更好地提高增材制造后零件的综合性能。对于不同的成分分级的零件，在SLM制造过程中，我们必须要调整对应的工艺参数。毫无疑问，在成分梯度中，不同的材料的配比注定需要不同的工艺参数，MAHAMOOD R M等人[19]将在固定工艺参数下制作的Ti6Al4V/TiC 样品与优化工艺参数后制作的Ti6Al4V/TiC 样品做了对比，如图4 Ti6Al4V/TiC 材料的制备，其中图4a、b 分别表示优化前后的的激光沉积功能梯度样品的形貌，图4c 描述了优化后不同位置处的SEM 显微图片，图4d、e 两图表示样品顶层在优化后的不同放大倍数下的显微组织，图4f、g两图表示样品顶层在未经过优化的不同放大倍数下的显微组织。通过比较两者的微观组织差异，可以从图中清晰地看出优化后的样品的显微组织更加精密，同时耐磨性能、显微硬度均明显高于未优化的样品。由于镍基合金具有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力，而不锈钢具有非常强的耐腐蚀性能。许多研究致力于将两者优秀的性能同时结合起来，例如Inconel 718/SS 316L 和Inconel 625/SS 304L 梯度功能材料。制造出来的梯度材料广泛应用于高温，耐腐蚀、耐氧化的环境中，如核电和航空行业。BANAIT S M 等人[20]用全析因设计对制备Cr-B-Si/SS316L 的参数进行了研究，并确定了相应的最优工艺参数组合。RANKOUHI B 等人[21]首次用高通量实验作为数据集，用多元高斯过程的方法大大简化了参数寻找所需要的计算成本并预测了不同成分梯度区域的工艺参数，实现了工艺参数的优化。结果证明，该方法具有一定的可行性。传统的参数优化的方法是以增材制造过程中的工艺参数作为数据源，以性能作为评判标准进行工艺参数的优化的。Yan,J.Y.等人[22]提出了一种工艺参数规划的数学模型，图5 描述了这种方法的设计流程，这种数学模型的建立是以粉末颗粒不具有弹性性能、忽略化学过程和每一层的的表面都是光滑平整的等因素为假设的。因此，优化的工艺参数必定具有一定的缺点。该方法考虑了粉末浓度、轨迹间的稀释和重叠效应、激光功率和激光扫描速度等工艺参数的影响，揭示了工艺参数和材料分布之间动态的关系，通过功能梯度零件的工艺参数的规划，可以有效地提高零件的性能。

图4 Ti6Al4V/TiC 材料的制备

图5 设计流程图

3.2.2 刀具路径优化

在均质材料中，刀具路径策略已被证实为可以提高精度、质量和强度，减少建造时间，在异质材料中，刀具路径策略同样具有相同的作用。常见的刀具路径有z 形、直线、螺旋形、锯齿形，但这种形状的刀具路径一般应用于均质材料的增材制造中，对功能梯度材料的适用性比较差。Muller,M.等人[23]证明了根据材料的分布选择正确的刀具轨迹是有效的，为了制造出高性能的功能梯度材料，我们需要重新规划刀具路径。

3.2.3 其他改进措施

监测诊断在增材制造过程中可以一定程度上提高产品的性能，Li,Z.Y.等人[24]采用了光谱参数描述了功能梯度材料的成分变化情况，图6 为这种方法的原理图，其中图6a 表示了相应实验系统的原理图，图6b 是功能梯度材料成分分级的模型，通过误差分析，验证了该方法在功能梯度材料制造中的可行性。当制造成分梯度的功能梯度材料时，多喷嘴的LENS 具有极大的优势，它可以提高送粉粉末的效率。对于复杂的部件，质量的控制要求更高，激光多普勒测速法可以实现粉末流速的变化检测,可以有效地提高LENS 设备制造零件的性能与质量。为了更好低控制不同工艺参数的快速转换，研究人员设计出了反馈-控制系统实现工艺参数的调整，常见的增材制造中的控制器有简单比例（P）、自适应P 和滑模三种类型，针对不同的对象，有不同的反馈系统。

图6 原理图

3.3 后处理

热处理是一种可以通过温度的变化改变材料的微观结构的后处理工艺，从而实现零件强度、硬度等整体性能提升，常见的热处理的方式有固溶处理、淬火和时效，在AM-FGM种常见的热处理方式是淬火和时效，固溶处理比较少见。Wits,W.W.等人[25]对铬镍铁合金718（IN718）和不锈钢316l（SS316L）在沉积时进行均匀化热处理，结果表明该方法可以提高材料成分的扩散并降低成分梯度中存在的明显界面的现象。Shen,C.等人[26]采用了WAAM 的方式制备了Fe-Fe3Ni 功能梯度材料，利用中子衍射仪观察热处理的相演变过程，发现热处理会导致bcc-α-Fe 溶解，而该相与零件的硬度密切相关，所以热处理后会硬度下降,但提高了抑制零件的变形能力。热处理促进了显微组织的变化为树枝状，热处理过后的Ni-Cr-B-Si 存在会有效提高构件的能量吸收能力。由于功能梯度材料存在多种材料，而热处理可以提高双金属添加制造结构的力学性能，要想获得最佳性能，需要寻找处适合双金属功能梯度材料的热处理最佳工艺参数。采用了高精度设备表征材料的微观结构和成分，并进行对应的力学性能实验，通过对比最终确定了最佳的热处理工艺参数。该方法对功能梯度材料的热处理工作具有很大的借鉴意义。另外，后处理工艺，例如喷砂，对于零件的性能提高也是非常有效的。