激光增材制造（laser additive manufacturing，LAM）技术是20世纪90年代发展起来的一项集计算机、数控、材料、激光等于一体的新型先进制造技术，该技术运用“离散-堆积”的增材制造原理，创形与创性并行，通过高能激光束将材料进行逐行逐层叠加，直至制造出完整的三维实体零件。对于梯度功能材料的制造，该技术可以很容易地通过实时改变粉末输送比例和控制相应的激光增材制造工艺，在零件的任意位置获得所需的材料成分、组织结构和性能。该技术正成为装备制造产业新的重要方法之一。

01、激光增材制造技术原理及分类

激光增材制造技术，是基于微积分的思想，采用激光作为能量源，对预置的或同步送进的金属粉末进行逐层激光熔覆，通过材料添加的方式一层一层堆积制备出实体零件。该技术拥有诸多名称，最具代表性的激光增材制造技术为以同步送粉为技术特征的激光熔化沉积技术（laser melting deposition，LMD）和以粉末铺床为技术特征的选区激光熔化技术（selective laser melting，SLM）。

激光熔化沉积技术使用激光作为热源对送粉器同步送入的金属粉末进行熔化，高能激光束照射在基体表面形成熔池，送粉器将金属粉末送入熔池中使其快速熔凝，从而与金属基体形成冶金结合层覆盖在基体表面形成新的金属层，其原理如图1所示。选区激光熔化技术与激光熔化沉积技术的区别在于粉末添置形式的不同，选区激光熔化技术在激光束进行扫描前，先利用铺粉辊在基体上预铺一层金属粉末，然后用激光束按照预设的扫描轨迹对粉末进行有选择的熔化，每熔化完一层成型缸下降预设高度，同时铺粉缸上升预设高度，铺粉辊均匀铺下一层粉末，如此一层层叠加直至形成最后所需零件，其原理如图2所示。

图1 激光熔化沉积技术原理图

图2 选区激光熔化技术原理图

02、梯度功能材料的特点与应用

梯度功能材料（functionally graded materials，FGM）是指材料的化学组成、微观结构、孔隙率等要素沿材料厚度或长度方向由一侧向另一侧连续或准连续变化，从而使其物理化学等性能也发生连续的梯度变化，具有特殊功能的新型复合材料。其最大特点是材料内部没有明显的界面，组分、形态、结构、性质及功能均呈现出连续的梯度渐变形式，缓和了由于不同材料的热物性差异产生的热应力，从而可应用于高温环境，尤其是两侧温差较大的苛刻环境。根据梯度功能材料特点，通过将金属、陶瓷、塑料等各种材料进行巧妙的组合，FGM已广泛应用在航空航天、光学工程、能源工程、生物医学工程、电磁工程、核工程等领域。制备梯度功能材料的方法有很多，常用的方法有粉末冶金，等离子喷涂法，化学气相沉积法，自蔓延高温合成法，电沉积法，离心铸造法等。上述制备方法虽有诸多优点，但其在实际应用中通常受到许多限制，例如，粉末冶金法只能生产具有相对简单几何形状的零件，自蔓延高温合成法受到材料选择的限制，这些局限性阻碍了梯度功能材料的发展和工业化应用。因而，采用高效便捷的激光增材制造技术制备梯度功能材料势在必行。

03、梯度功能材料激光增材制造研究进展

金属材料具有其他工程材料无法比拟的优异的综合物理、化学和力学性能，例如Ti合金具有优秀的抗腐蚀性、生物相容性、低密度和高的比强度；Al合金具有优良的导热性、导电性及抗蚀性；Ni基合金和Co基合金具有优良的耐腐蚀和抗高温性能；Fe基合金抗磨性能好等。通过调整金属材料的微观结构来进一步提高其性能已成为过去几十年中材料研究的主要方向，在金属材料中引入梯度结构，打破原本耦合在一起的材料性能，允许其中一个或多个性能单独改善，可使材料的整体性能和使役性能得到极大优化和提升。对于金属／金属梯度功能材料激光增材制造的研究，国内最具代表性的为西北工业大学黄卫东教授所在团队，该团队于2005年采用激光增材制造技术成功制备了316L/Rene88DT梯度材料，研究了梯度材料的凝固行为和组织演变规律。结果表明，在该研究的工艺参数条件下，梯度材料内部成分逐渐从100% SS316L过渡到100% Rene88DT，且晶粒取向与梯度方向平行。随后，该团队又进行了Ti/Rene88DT、Ti/Ti2AlNb、Ti6Al4V/Rene88DT、Ti60/Ti2AlNb等梯度材料的成形研究。

从20世纪70年代开始，人们就在从事金属上制备陶瓷涂层的研究。直到80年代末，采用激光增材制造技术实现金属表面改性逐渐发展起来。目前此方法已经成为在金属表面改性中最具价值和发展前景的技术之一，在很多领域已得到广泛的应用。由于金属材料和陶瓷材料的熔点不同，这样会在金属熔池中产生强烈的对流，容易破坏金属和陶瓷之间的结合。通过原位反应生成的增强相与基体有较好的湿润性，同时反应所放出的热量有助于增加陶瓷和金属的湿润性，所以原位自生的陶瓷增强相与基体结合更牢固，是解决界面结合问题的有效方法。因此，原位自生金属基陶瓷复合材料受到国内外很多研究人员的普遍关注，并初见成效。

04、梯度功能材料激光增材制造研究进展

（1）建立专用高性能梯度功能材料标准体系

在高性能梯度功能材料激光增材制造的所有环节中，材料是最为关键、最为基础的环节。针对激光增材制造工艺特点，建立其专用高性能梯度功能材料体系，充分发挥激光增材制造在梯度功能材料高性能化方面的优势迫在眉睫。

（2）深化高性能梯度功能材料成形理论研究

由于梯度材料中的各层次结构连续变化，许多应用于均质结构材料激光增材制造的理论、机制不再适用。关于梯度材料在激光增材制造过程中的物理、化学及力学等方面的理论仍不成熟，要想准确地对激光增材制造梯度功能材料过程进行描述，相关的理论模型需进一步优化。

（3）开发新型激光增材制造系统

随着智能制造的发展，开发适用于制造高性能梯度功能材料的新型先进激光增材制造系统，实现实时准确监控激光增材制造过程中的过程参数和成形信息，并在此基础上进行实时调节，将整个系统集成化、可控化及可视化，将是科研人员的重点研究方向。

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

崔雪, 张松, 张春华, 吴臣亮, 王强, 董世运

DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001156