增材制造高性能功能梯度材料研究進展

杜東方，張 明，余盈燕，李 坤，費國勝，韓俊峰

（1.四川工程職業技術學院四川省沖壓發動機先進制造技術工程實驗室，四川 德陽，618000；2.重慶大學機械與運載工程學院，重慶 400044；3.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400044）

1 引言

功能梯度材料是一種成分和結構連續梯度變化的復合材料。與各向同性材料相比，功能梯度材料的成分和結構可以精確設計，以創建定制的多功能性能。因此可以減少零件的殘余應力、熱應力和裂紋驅動力，從而提高零件的整體性能。

增材制造技術的出現，增材制造又稱3D 打印，很好地解決了這一難題，可以實現輕量化、整體化、功能一體化和復雜結構的設計，縮短了研發周期，加快產品的升級換代，提高我國的制造業競爭力，實現數字化制造。

增材制造是將需要制造的零件離散成層狀而后堆積制造出，此過程需要計算機技術、激光技術和材料技術等多項高技術，是一種數字化的制造方式。AM-FGM 可以生產具有多種功能的功能梯度材料，FGM增材制造的步驟主要是確定材料分布、三維結構、制造、和性能分析。

雖然AM技術發展越來越成熟，但在FGM 的研究依然存在許多挑戰，目前的CAD 系統的STL 文件格式限制著成分FGM材料分布的定義，深層次的原因是由于增材制造過程中使用的是計算機輔助設計（CAD），因此其無法定義材料的分布。本文綜述的重點是通過了解現有的技術，最大化地提高AM-FGM的高性能，充分發揮出FGM材料的性能及AM 技術的優勢，提供了用增材制造技術如何制造出高性能FGM的綜述。

2 AM-FGM 的優化設計及性能分析

FGM的設計往往會決定性能的好壞，為了更好地發揮出FGM的優勢，我們需要采用其他的方式來設計FGM。在工程問題中，對于結構的要求是輕量化和高性能，只有這樣才會減少材料的浪費，節約成本，并提高性能。FGM的優勢就在于其材料分布可以人為定義，從而得到想要的性能,而優異的AM-FGM材料設計可以很好地避免由于材料突變所造成的裂紋及斷裂等缺陷，實現多種優秀性能的集成。將AM與FGM結合起來成為目前研究的一種趨勢，而現實工程中的問題是非常復雜的，而AM制造具備制備復雜形狀的能力，優化設計是通過設計的角度提高產品的性能。盡管有許多關于FGM 力學性能的研究，如拉伸、沖擊實驗等，這種研究一般多屬于制造后的性能分析，所以對性能提升的影響不是很大，屬于被動式的研究。在AM-FGM制造前的性能分析是一種主動式的設計，可以與優化結構設計結合起來形成閉環的設計流程，有助于避免產品的缺陷，降低產品的不合格率。

在本節中，我們主要討論了如何實現AM-FGM的優化設計，包括兩大部分，它們分別是結構的優化設計、成分梯度路徑的優化設計和性能分析。結構的優化設計主要分為拓撲結構、細胞結構和點陣結構、仿生結構。成分梯度路徑的優化設計主要針對材料的成分進行了對應的優化。

2.1 拓撲結構

在功能梯度材料的制造中，通常會有熱殘余應力，當該熱殘余應力達到一定的值，往往會引起各種機械故障，而優化功能梯度材料的體積分數，可以有效地降低熱殘余應力。為了減少表面均勻受熱FG 板的熱應力。Wei,X.[1]等人采用了模式搜索混合遺傳算法對Ni/Al2O3功能梯度材料板的熱殘余應力的體積分數進行了優化，仿真結果表明該方法的有效性和實用性。在不同的應用場景中，拓撲優化的結果也是不一樣的，Alshabatat,N.[2]等人將功能梯度材料的成分用六個設計變量參數化表示，以三種不同情景下功能梯度材料板的最小化的聲幅射為評判標準，通過遺傳算法優化材料的分布實現聲輻射的最小化。其中，Carrera 統一公式（CUF）已被開發用于分析梁、殼和板等結構中，它是分析梁、板和殼結構的可靠和準確的方法。采用將CUF 和IGA 結合起來研究功能梯度板（圖1a），可以提高功能梯度板結構分析的可靠性和準確率。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。變量為孔隙度和振動功率，而孔隙度與體積分數的關系如圖1b、c，在圖中g 表示非負梯度指數，g 和a 控制著功能梯度板的材料分布。然后，利用自適應粒子群優化算法，在自由振動分析的條件下，求出單向PFG 板的最優材料分布。

圖1 功能梯度板的優化設計

現代化裝備的多功能需求要求材料可能需要在不同方向性能是變化的，例如航空航天的熱應力分布在不同方向上的差異巨大。由于多向功能梯度板的解析解很難得到，因此，大多數的研究主要集中在單向功能梯度材料。關于多向FGMs 相關的研究已經有了相應的嘗試，采用基于狀態空間的微分求積法，可以實現多向正交各向異性FG 板的半解析三維彈性解。板的材料特性按照指數定律在三個方向上變化。將所得結果與單向FG 板的精確解進行了比較。以上的大多數研究的優化算法主要是根據在約束條件下實現目標的優化，計算結果是一組最優解。這種優化算法有著很多的弊端，一方面這一過程往往需要大量的性能計算，計算成本高。另一方面這種計算嚴重依賴于性能分析結果中的一組初始值，計算可能會卡在某一局部區域，導致無法求解。針對該問題，一種利用隨機搜索技術的元啟發式算法迅速發展起來，該算法有效地解決了敏感性分析，簡化了問題的復雜度。在以往的研究中，對于多向功能梯度材料的材料分布（尺寸）和厚度變化（形狀）的優化是單獨進行的，Lieu,Q.X.[4]首次提出了一種同時優化兩者的數值方法——MSORA-AHEFA 方法。先創建了可以面熟出材料尺寸和材料厚度的NURBS 曲面，該曲面可以準確地分析多向功能梯度板的力學響應，采用基于非梯度的全局優化算法優化了在多向功能梯度板體積分數約束下實現板的頻率最大化的形狀優化設計。同時，該方法也可以擴展到其他問題，例如，同時進行尺寸、形狀和拓撲優化。

對于功能梯度梁的優化設計，Banh,T.T.等人[5]采用優化準則優化器順利對含裂紋功能梯度梁結構進行了拓撲優化。傳統的應對復雜問題的方法一般采用數值模型表達，通常計算量大且費時。代理模型的出現一定程度上緩解了該問題，代理模型只需要設計者在設計域中構建輸入變量和輸出參數之間的關系就可以實現與數值模型相似的功能，常見的代理模型有Passos 等人提出了一種結合高效全局優化算法（EGO）的Kriging 模型等。

殼體相對于板狀和梁狀，可以承受更大的負載，因此，常應用于流體容器、造船行業及航空航天。夾層結構常應用于需要堅固、輕便的結構，例如飛機、建筑和運輸等工程中。功能梯度飛輪的材料分布優化設計主要集中在徑向材料的變化，增材制造技術的迅速發展，使得生產出材料任意分布的飛輪成為了可能，這將會大大增強飛輪的整體性能。Galvez,A.[6]等人，先采用基于b 樣條曲面的單元單元設計方法實現平滑連接，然后與算法結合起來通過采用拓撲優化技術實現材料的最優分布。

復合材料結構已廣泛應用于滿足高性能要求。但在不同材料的界面可能存在應力奇點，這會嚴重影響材料的力學性能。相反，在功能梯度材料中，應力奇點可以有效地避免。結構性能的好壞對工程起著決定性的作用，不同的結構優化方法在不同的應用場景中有著不同的作用，結構拓撲優化的應用范圍最廣。

2.2 點陣結構

傳統的拓撲優化通常是在體積分數一定的情況下用填充的布爾運算將連續的設計變量從0 轉化為1，這樣通常會導致優化后的結果通常是不光滑的，這就需要重新將其轉換為光滑的結構CAD 才能制作，另外優化后的結構在增材制造時需要加支撐結構才能制造出來，否則，會容易形成塌陷，造成形狀的改變，而制造后有些支撐結構很難去除。Dong,G.等人[7]針對該現象提出了一種防止塌陷的晶格支撐結構。首先，作者等人拓撲優化的方法得到了構件的三維幾何結構，然后采用了雙向進化結構優化算法對需要連接支撐的地方優化生成了點陣結構，提高了AM的制造性。通過實驗驗證，點陣結構能明顯提高結構的剛度和強度。另外，Li,D.W.等人[8]提出了一種生成式的結構設計方法，圖2 展示了用于增材制造的陀螺梯度元細胞的結構優化設計流程圖，描述了在不同密度下的細胞結構三維圖，采用隱式建模算法很好地避免了拓撲優化后結構不平滑的問題。微觀晶格結構由于其特有的復雜性，傳統設計的方法會出現連通性的問題,導致其在制造的過程中需要增加支撐結構，移除這些支撐可能是非常困難或不可能的。利用b 樣條，現有的晶格幾何可以通過設置表面的控制點來進行局部變形，以開發具有補償桿直徑、無支撐拱懸垂和最小開口的設計。這些優點也使b 樣條成為未來發展DFAM復雜晶格結構的一個非常有前途的工具。Liu,L.等人[9]提出了一種避免局部體積約束的懲罰的固體各向同性材料點陣結構拓撲優化方法，在線性屈曲準則下的不同屈曲載荷因子來生成晶格結構，生成的晶格結構具有良好的穩定性和高的結構剛度。因此可以廣泛應用于各種高性能要求的部件設計中。

圖2 陀螺梯度元細胞的結構優化設計流程圖

渦輪葉片常在高溫高壓的環境下工作，這就需要葉片具有良好的整體性能，否則在復雜的環境下極其容易失效，當渦輪葉片在工作的時候，葉片表面會受到非常大的應力。為了使渦輪葉片的工作中受到應力最小化，Wang,Y.Q.等人[10]采用漸近均勻化方法同時對微觀結構和宏觀結構梯度化設計，不同的微觀結構根據其性能特點分配到不同的位置上，形成了一種優于均勻點陣微結構的梯度結構。

晶格結構的不同對性能的影響巨大，晶格的設計主要集中在晶格的幾何結構和密度分布。Nian,Y.Z.等人[11]對在靜態荷載作用下不同梯度晶格的能量吸收情況做出了相應的研究，對其進行非線性動力顯示有限元分析，結果發現影響梯度晶格能量吸收的主要因素有梯度模式、梯度指數、管壁厚度等。為了能夠提高結構的能量吸收率，作者等人以吸能性能指標作為評判標準，采用非支配排序遺傳算法II（NSGA-II）對晶格結構進行多目標優化，求解出了最佳支柱直徑。

2.3 優化成分梯度路徑

增材制造的方法非常適合于制備成分梯度合金，尤其是，LDED 和SLM 兩種方式，但在制備這種梯度結構時，最常見的問題便是極其容易出現有害相。例如，雙相不銹鋼的微觀結構主要是鐵素體和奧氏體，其合金成分體系主要是Fe-Cr-Ni，而σ 相主要出現在含Fe、Cr 的高溫合金系統中，σ 相會增加零件的脆性并降低整體的耐腐蝕性。Ti-6Al4V 到Invar 36 的成分梯度材料中，如果采用增材制造的方式，會導致零件開裂，導致該合金開裂的根本原因是脆性金屬相（Fe2Ti、Ni3Ti 和NiTi2）。因此，解決有害相成為了提高成分梯度合金性能的核心問題之一。這種缺陷還可以通過成分設計的方式來避免。

對于特定溫下有害相的預測與避免問題，Liang,H.X.等人[12]采用熱力學相圖軟件分別設計了Ti-6Al-4V至V 梯度合金的梯度路徑變化情況和304 L 到Invar 36 的徑向梯度路徑（如圖3），結果證明了通過熱力學相圖軟件設計成分梯度路徑的方法對于提高零件的性能是十分有益的。CARROLL B E等人[13]對SS304L 到IN625 的成分梯度路徑做了相應的探索研究，通過相圖計算（CALPHAD）建模的方法成功設計并制造出了無明顯缺陷的零件，其成分梯度路徑的變化情況如下：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]采用了相圖計算軟件（CALPHAD）來預測可能的相，以合金收縮率最小化和奧氏體最大化為目標，通過多目標遺傳算法的策略，確定了功能梯度材料的最佳成分設計。

圖3 梯度路徑變化情況

但當涉及的元素個數過多時，模型是一種復雜的高維模型，此時，可視化這種高維模型是非常困難的，同時在高維空間中進行成分梯度路徑的規劃也變得同樣困難，高維數據在降維后才能更好地實現梯度路徑規劃。由于增材制造的過程具有非平衡凝固特點，而KIRK T 等人[15]未考慮亞穩相或非平衡凝固中所形成的相，這種方法的局限性在于增材制造的過程具有非平衡凝固的特點，而目前應用于梯度路徑設計總相圖預測的方法是一種平衡相圖。

由于上述的這些成分梯度路徑預測是建立在平衡凝固下相的預測，而增材制造是非平衡凝固，因此，平衡相圖的預測與實際增材制造過后的數據存在些許的差異。在Fe-Cr-Al 合金系統中，MOUSTAFA A R 等人[16]采用了這種新形式的Scheil三元投影（STeP）非平衡相圖，這個圖表是通過將Thermo Calc 軟件的平衡圖相圖和TCHEA2 數據庫的步進圖結合起來，這樣可以考慮到高溫Al5Fe4 相和低溫AlCr2 相的差異，增加了在增材制造下有害相的預測精度，在該方法下優化的成分梯度路徑也就更加合理。

3 AM-FGM 制造的高性能實現

與傳統的加工方式相比，AM可以制造出梯度變化更加復雜、整體性能更加優良的功能梯度材料。這與AM的獨特的制造方式所密切相關，這種制造方式加強了對材料分布的控制能力，使得設計人員可以根據自己的意愿在合適的位置打印合適的材料成為了可能。

在第二章，我們主要從設計的方面提高產品的性能，在本章中我們主要探討如何從AM制造實現高性能的要求，包括三個方面，它們分別是FGM 的增材制造方式、制造過程優化和后處理三個方面。

3.1 FGM 的增材制造方式

3.1.1 基于激光的過程

在功能梯度材料的制造過程中，基于激光的工程主要有三個工藝，它們分別是激光工程網絡成形（LENS），也稱為定向能量沉積（DED）、選擇性激光燒結（SLS）和選擇性激光熔化（SLM）。這種制造方式的流程一般是先幾何建模、計算機輔助設計（CAD）軟件劃分成離散的分層單元、AM制造。

定向能量沉積（DED）的材料輸送方式主要有粉末或金屬絲兩種形式，在功能梯度材料的制造中，粉末可以輕松靈活地混合不同比例的材料，而金屬絲在靈活性上面造成了巨大的限制，因此，粉末相較于金屬絲優勢更加大，大多數的基于定向能量沉積（DED）的功能梯度材料制造主要采用粉末的方式制造。另外激光工程網絡成形（LENS）是通過點對點的制造方式，這種方式可以控制每個點材料成分的不同。而選擇性激光燒結（SLS）和選擇性激光熔化（SLM）都是通過先鋪粉后激光熔化打印的過程，這種預先鋪粉的制造方式導致梯度大多只能在垂直于鋪粉層的方向上變化，在其他方向上變化非常困難。另外激光工程網絡成形（LENS）的激光光斑比選擇性激光燒結（SLS）和選擇性激光熔化（SLM）的大，上述工藝制造方式和工藝參數不同必然導致制造結果的差異，大的激光光斑導致制造的精度大大降低，微激光光斑會顯著提高零件的精度、質量。LENS 主要用于鐵、鈦和鎳基合金。SLM和SLS 使用的金屬數量遠遠超過LENS。

3.1.2 立體光刻工藝

SLA 工藝原理是用紫外線（UV）激光將液態材料固化，這種液態材料在層內均質的，在構建方向上會發生變化。如果想要制造功能梯度材料，需要通過使用多個裝滿不同樹脂的罐來實現，大大降低了效率。

3.1.3 材料噴射

材料噴射是將噴射出液體光聚合物液滴在紫外光的照射下固化，MJ 也與SLA 非常相似，因為它們都使用紫外光源來固化樹脂。不同之處在于MJ 3D打印機一次噴射數百個微小液滴，而SLA 是選擇性地逐點固化。另外材料噴射也可用于制造金屬零件，與液體光聚合物需要額外的固化過程提高表面質量一樣，金屬材料需要后續燒結來提高表面質量。在功能梯度材料時，我們只需要添加噴頭的數量就可以實現多方向梯度變化的復雜功能梯度材料制造。雖然MJ 可以通過后處理制造出表面質量非常高的零件，但耗費的成本非常高、零件的結構強度低。

3.1.4 熔融沉積模型

FDM是通過加熱噴嘴熔化材料而非通過激光熔化材料，通過控制噴頭、平臺的相對運動形成零件的幾何形狀，熔化后的材料擠出到工作臺，凝固后零件成型。而功能梯度材料中的梯度一般由多個材料的噴嘴任意混合而產生的。這種制造方式的典型特點是：制造的表面粗糙度大，需要后處理。同時，由于噴嘴是機械運動，制造的精度相對較低。而該技術的優點是材料利用率高與操作簡單方便。

3.2 制造過程優化

3.2.1 工藝參數的優化

增材制造技術可以實現功能梯度材料的各向異性，POPOVICH V A 等人[17]用不同的激光源和合適的工藝參數，利用SLM技術制備了不同梯度的鉻鎳鐵合金718。OLIVEIRA J P 等人[18]為了揭露了焊接和增材制造之間存在怎樣的關系，首先對焊接的熱源、焊接參數、引入成核粒子和外部超聲波刺激對微觀組織是如何影響的，然后尋找可以應用于增材制造的方法。最后確定了在不同情況下開口距離上限的不同準則，這樣我們可以在不同準則下優化工藝參數，從而更好地提高增材制造后零件的綜合性能。對于不同的成分分級的零件，在SLM制造過程中，我們必須要調整對應的工藝參數。毫無疑問，在成分梯度中，不同的材料的配比注定需要不同的工藝參數，MAHAMOOD R M等人[19]將在固定工藝參數下制作的Ti6Al4V/TiC 樣品與優化工藝參數后制作的Ti6Al4V/TiC 樣品做了對比，如圖4 Ti6Al4V/TiC 材料的制備，其中圖4a、b 分別表示優化前后的的激光沉積功能梯度樣品的形貌，圖4c 描述了優化后不同位置處的SEM 顯微圖片，圖4d、e 兩圖表示樣品頂層在優化后的不同放大倍數下的顯微組織，圖4f、g兩圖表示樣品頂層在未經過優化的不同放大倍數下的顯微組織。通過比較兩者的微觀組織差異，可以從圖中清晰地看出優化后的樣品的顯微組織更加精密，同時耐磨性能、顯微硬度均明顯高于未優化的樣品。由于鎳基合金具有較高的強度與一定的抗氧化腐蝕能力，而不銹鋼具有非常強的耐腐蝕性能。許多研究致力于將兩者優秀的性能同時結合起來，例如Inconel 718/SS 316L 和Inconel 625/SS 304L 梯度功能材料。制造出來的梯度材料廣泛應用于高溫，耐腐蝕、耐氧化的環境中，如核電和航空行業。BANAIT S M 等人[20]用全析因設計對制備Cr-B-Si/SS316L 的參數進行了研究，并確定了相應的最優工藝參數組合。RANKOUHI B 等人[21]首次用高通量實驗作為數據集，用多元高斯過程的方法大大簡化了參數尋找所需要的計算成本并預測了不同成分梯度區域的工藝參數，實現了工藝參數的優化。結果證明，該方法具有一定的可行性。傳統的參數優化的方法是以增材制造過程中的工藝參數作為數據源，以性能作為評判標準進行工藝參數的優化的。Yan,J.Y.等人[22]提出了一種工藝參數規劃的數學模型，圖5 描述了這種方法的設計流程，這種數學模型的建立是以粉末顆粒不具有彈性性能、忽略化學過程和每一層的的表面都是光滑平整的等因素為假設的。因此，優化的工藝參數必定具有一定的缺點。該方法考慮了粉末濃度、軌跡間的稀釋和重疊效應、激光功率和激光掃描速度等工藝參數的影響，揭示了工藝參數和材料分布之間動態的關系，通過功能梯度零件的工藝參數的規劃，可以有效地提高零件的性能。

圖4 Ti6Al4V/TiC 材料的制備

圖5 設計流程圖

3.2.2 刀具路徑優化

在均質材料中，刀具路徑策略已被證實為可以提高精度、質量和強度，減少建造時間，在異質材料中，刀具路徑策略同樣具有相同的作用。常見的刀具路徑有z 形、直線、螺旋形、鋸齒形，但這種形狀的刀具路徑一般應用于均質材料的增材制造中，對功能梯度材料的適用性比較差。Muller,M.等人[23]證明了根據材料的分布選擇正確的刀具軌跡是有效的，為了制造出高性能的功能梯度材料，我們需要重新規劃刀具路徑。

3.2.3 其他改進措施

監測診斷在增材制造過程中可以一定程度上提高產品的性能，Li,Z.Y.等人[24]采用了光譜參數描述了功能梯度材料的成分變化情況，圖6 為這種方法的原理圖，其中圖6a 表示了相應實驗系統的原理圖，圖6b 是功能梯度材料成分分級的模型，通過誤差分析，驗證了該方法在功能梯度材料制造中的可行性。當制造成分梯度的功能梯度材料時，多噴嘴的LENS 具有極大的優勢，它可以提高送粉粉末的效率。對于復雜的部件，質量的控制要求更高，激光多普勒測速法可以實現粉末流速的變化檢測,可以有效地提高LENS 設備制造零件的性能與質量。為了更好低控制不同工藝參數的快速轉換，研究人員設計出了反饋-控制系統實現工藝參數的調整，常見的增材制造中的控制器有簡單比例（P）、自適應P 和滑模三種類型，針對不同的對象，有不同的反饋系統。

圖6 原理圖

3.3 后處理

熱處理是一種可以通過溫度的變化改變材料的微觀結構的后處理工藝，從而實現零件強度、硬度等整體性能提升，常見的熱處理的方式有固溶處理、淬火和時效，在AM-FGM種常見的熱處理方式是淬火和時效，固溶處理比較少見。Wits,W.W.等人[25]對鉻鎳鐵合金718（IN718）和不銹鋼316l（SS316L）在沉積時進行均勻化熱處理，結果表明該方法可以提高材料成分的擴散并降低成分梯度中存在的明顯界面的現象。Shen,C.等人[26]采用了WAAM 的方式制備了Fe-Fe3Ni 功能梯度材料，利用中子衍射儀觀察熱處理的相演變過程，發現熱處理會導致bcc-α-Fe 溶解，而該相與零件的硬度密切相關，所以熱處理后會硬度下降,但提高了抑制零件的變形能力。熱處理促進了顯微組織的變化為樹枝狀，熱處理過后的Ni-Cr-B-Si 存在會有效提高構件的能量吸收能力。由于功能梯度材料存在多種材料，而熱處理可以提高雙金屬添加制造結構的力學性能，要想獲得最佳性能，需要尋找處適合雙金屬功能梯度材料的熱處理最佳工藝參數。采用了高精度設備表征材料的微觀結構和成分，并進行對應的力學性能實驗，通過對比最終確定了最佳的熱處理工藝參數。該方法對功能梯度材料的熱處理工作具有很大的借鑒意義。另外，后處理工藝，例如噴砂，對于零件的性能提高也是非常有效的。

4 總結及展望

（1）目前優化設計中成分梯度的功能梯度材料的研究相對較少，結構梯度的功能梯度材料的研究比較多，更加復雜的工程應用問題中，在其他條件一致的情況下，成分梯度的表現要優于結構梯度。

（2）隨著增材制造技術的發展，對于制備出新型成分梯度材料的優勢越來越大，在成分分級的FGM熱處理中，不同材料成分的最佳熱處理工藝參數是不一樣的，未來的研究主要會朝著熱處理的最佳工藝參數和其他后理方式相結合的方向發展。

（3）為了應對AM-FGM的結構優化，AM的制造方式需要更大的靈活性才能更加充分地發揮出FGM材料的優勢，新的AM制造系統需要更精確的材料的識別和控制響應系統。

（4）功能梯度材料的拓撲優化技術已廣泛應用于優化功能梯度材料的體積分數分布和形狀的優化設計上，而這些方法未應用于成分梯度合金，未來可以朝著材料/結構/工藝/性能一體化方向發展。