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(yè)技術(shù)學(xué)院四川省沖壓發(fā)動機先進制造技術(shù)工程實驗室，四川 德陽，618000；2.重慶大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，重慶 400044；3.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044）

1 引言

功能梯度材料是一種成分和結(jié)構(gòu)連續(xù)梯度變化的復(fù)合材料。與各向同性材料相比，功能梯度材料的成分和結(jié)構(gòu)可以精確設(shè)計，以創(chuàng)建定制的多功能性能。因此可以減少零件的殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力和裂紋驅(qū)動力，從而提高零件的整體性能。

增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，增材制造又稱3D 打印，很好地解決了這一難題，可以實現(xiàn)輕量化、整體化、功能一體化和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計，縮短了研發(fā)周期，加快產(chǎn)品的升級換代，提高我國的制造業(yè)競爭力，實現(xiàn)數(shù)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(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等多項高技術(shù)，是一種數(shù)字化的制造方式。AM-FGM 可以生產(chǎn)具有多種功能的功能梯度材料，F(xiàn)GM增材制造的步驟主要是確定材料分布、三維結(jié)構(gòu)、制造、和性能分析。

雖然AM技術(shù)發(fā)展越來越成熟，但在FGM 的研究依然存在許多挑戰(zhàn)，目前的CAD 系統(tǒng)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(shè)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(xiàn)有的技術(shù)，最大化地提高AM-FGM的高性能，充分發(fā)揮出FGM材料的性能及AM 技術(shù)的優(yōu)勢，提供了用增材制造技術(shù)如何制造出高性能FGM的綜述。

2 AM-FGM 的優(yōu)化設(shè)計及性能分析

FGM的設(shè)計往往會決定性能的好壞，為了更好地發(fā)揮出FGM的優(yōu)勢，我們需要采用其他的方式來設(shè)計FGM。在工程問題中，對于結(jié)構(gòu)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(jié)約成本，并提高性能。FGM的優(yōu)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(yōu)異的AM-FGM材料設(shè)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(xiàn)多種優(yōu)秀性能的集成。將AM與FGM結(jié)合起來成為目前研究的一種趨勢，而現(xiàn)實工程中的問題是非常復(fù)雜的，而AM制造具備制備復(fù)雜形狀的能力，優(yōu)化設(shè)計是通過設(shè)計的角度提高產(chǎn)品的性能。盡管有許多關(guān)于FGM 力學(xué)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(shè)計，可以與優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合起來形成閉環(huán)的設(shè)計流程，有助于避免產(chǎn)品的缺陷，降低產(chǎn)品的不合格率。

在本節(jié)中，我們主要討論了如何實現(xiàn)AM-FGM的優(yōu)化設(shè)計，包括兩大部分，它們分別是結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、成分梯度路徑的優(yōu)化設(shè)計和性能分析。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計主要分為拓撲結(jié)構(gòu)、細胞結(jié)構(gòu)和點陣結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)。成分梯度路徑的優(yōu)化設(shè)計主要針對材料的成分進行了對應(yīng)的優(yōu)化。

2.1 拓撲結(jié)構(gòu)

在功能梯度材料的制造中，通常會有熱殘余應(yīng)力，當該熱殘余應(yīng)力達到一定的值，往往會引起各種機械故障，而優(yōu)化功能梯度材料的體積分數(shù)，可以有效地降低熱殘余應(yīng)力。為了減少表面均勻受熱FG 板的熱應(yīng)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(yīng)力的體積分數(shù)進行了優(yōu)化，仿真結(jié)果表明該方法的有效性和實用性。在不同的應(yīng)用場景中，拓撲優(yōu)化的結(jié)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(shè)計變量參數(shù)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(yōu)化材料的分布實現(xiàn)聲輻射的最小化。其中，Carrera 統(tǒng)一公式（CUF）已被開發(fā)用于分析梁、殼和板等結(jié)構(gòu)中，它是分析梁、板和殼結(jié)構(gòu)的可靠和準確的方法。采用將CUF 和IGA 結(jié)合起來研究功能梯度板（圖1a），可以提高功能梯度板結(jié)構(gòu)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(shù)的關(guān)系如圖1b、c，在圖中g(shù) 表示非負梯度指數(shù)，g 和a 控制著功能梯度板的材料分布。然后，利用自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法，在自由振動分析的條件下，求出單向PFG 板的最優(yōu)材料分布。

圖1 功能梯度板的優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)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(yīng)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(shù)的研究主要集中在單向功能梯度材料。關(guān)于多向FGMs 相關(guān)的研究已經(jīng)有了相應(yīng)的嘗試，采用基于狀態(tài)空間的微分求積法，可以實現(xiàn)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(shù)定律在三個方向上變化。將所得結(jié)果與單向FG 板的精確解進行了比較。以上的大多數(shù)研究的優(yōu)化算法主要是根據(jù)在約束條件下實現(xiàn)目標的優(yōu)化，計算結(jié)果是一組最優(yōu)解。這種優(yōu)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(jié)果中的一組初始值，計算可能會卡在某一局部區(qū)域，導(dǎo)致無法求解。針對該問題，一種利用隨機搜索技術(shù)的元啟發(fā)式算法迅速發(fā)展起來，該算法有效地解決了敏感性分析，簡化了問題的復(fù)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(yōu)化是單獨進行的，Lieu,Q.X.[4]首次提出了一種同時優(yōu)化兩者的數(shù)值方法——MSORA-AHEFA 方法。先創(chuàng)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(xué)響應(yīng)，采用基于非梯度的全局優(yōu)化算法優(yōu)化了在多向功能梯度板體積分數(shù)約束下實現(xiàn)板的頻率最大化的形狀優(yōu)化設(shè)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(yōu)化。

對于功能梯度梁的優(yōu)化設(shè)計，Banh,T.T.等人[5]采用優(yōu)化準則優(yōu)化器順利對含裂紋功能梯度梁結(jié)構(gòu)進行了拓撲優(yōu)化。傳統(tǒng)的應(yīng)對復(fù)雜問題的方法一般采用數(shù)值模型表達，通常計算量大且費時。代理模型的出現(xiàn)一定程度上緩解了該問題，代理模型只需要設(shè)計者在設(shè)計域中構(gòu)建輸入變量和輸出參數(shù)之間的關(guān)系就可以實現(xiàn)與數(shù)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(jié)合高效全局優(yōu)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(yīng)用于流體容器、造船行業(yè)及航空航天。夾層結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于需要堅固、輕便的結(jié)構(gòu)，例如飛機、建筑和運輸?shù)裙こ讨?。功能梯度飛輪的材料分布優(yōu)化設(shè)計主要集中在徑向材料的變化，增材制造技術(shù)的迅速發(fā)展，使得生產(chǎn)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(shè)計方法實現(xiàn)平滑連接，然后與算法結(jié)合起來通過采用拓撲優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)材料的最優(yōu)分布。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于滿足高性能要求。但在不同材料的界面可能存在應(yīng)力奇點，這會嚴重影響材料的力學(xué)性能。相反，在功能梯度材料中，應(yīng)力奇點可以有效地避免。結(jié)構(gòu)性能的好壞對工程起著決定性的作用，不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在不同的應(yīng)用場景中有著不同的作用，結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的應(yīng)用范圍最廣。

2.2 點陣結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的拓撲優(yōu)化通常是在體積分數(shù)一定的情況下用填充的布爾運算將連續(xù)的設(shè)計變量從0 轉(zhuǎn)化為1，這樣通常會導(dǎo)致優(yōu)化后的結(jié)果通常是不光滑的，這就需要重新將其轉(zhuǎn)換為光滑的結(jié)構(gòu)CAD 才能制作，另外優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在增材制造時需要加支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)很難去除。Dong,G.等人[7]針對該現(xiàn)象提出了一種防止塌陷的晶格支撐結(jié)構(gòu)。首先，作者等人拓撲優(yōu)化的方法得到了構(gòu)件的三維幾何結(jié)構(gòu)，然后采用了雙向進化結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法對需要連接支撐的地方優(yōu)化生成了點陣結(jié)構(gòu)，提高了AM的制造性。通過實驗驗證，點陣結(jié)構(gòu)能明顯提高結(jié)構(gòu)的剛度和強度。另外，Li,D.W.等人[8]提出了一種生成式的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，圖2 展示了用于增材制造的陀螺梯度元細胞的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程圖，描述了在不同密度下的細胞結(jié)構(gòu)三維圖，采用隱式建模算法很好地避免了拓撲優(yōu)化后結(jié)構(gòu)不平滑的問題。微觀晶格結(jié)構(gòu)由于其特有的復(fù)雜性，傳統(tǒng)設(shè)計的方法會出現(xiàn)連通性的問題,導(dǎo)致其在制造的過程中需要增加支撐結(jié)構(gòu)，移除這些支撐可能是非常困難或不可能的。利用b 樣條，現(xiàn)有的晶格幾何可以通過設(shè)置表面的控制點來進行局部變形，以開發(fā)具有補償桿直徑、無支撐拱懸垂和最小開口的設(shè)計。這些優(yōu)點也使b 樣條成為未來發(fā)展DFAM復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)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(jié)構(gòu)，生成的晶格結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性和高的結(jié)構(gòu)剛度。因此可以廣泛應(yīng)用于各種高性能要求的部件設(shè)計中。

圖2 陀螺梯度元細胞的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程圖

渦輪葉片常在高溫高壓的環(huán)境下工作，這就需要葉片具有良好的整體性能，否則在復(fù)雜的環(huán)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(yīng)力。為了使渦輪葉片的工作中受到應(yīng)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(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)梯度化設(shè)計，不同的微觀結(jié)構(gòu)根據(jù)其性能特點分配到不同的位置上，形成了一種優(yōu)于均勻點陣微結(jié)構(gòu)的梯度結(jié)構(gòu)。

晶格結(jié)構(gòu)的不同對性能的影響巨大，晶格的設(shè)計主要集中在晶格的幾何結(jié)構(gòu)和密度分布。Nian,Y.Z.等人[11]對在靜態(tài)荷載作用下不同梯度晶格的能量吸收情況做出了相應(yīng)的研究，對其進行非線性動力顯示有限元分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)影響梯度晶格能量吸收的主要因素有梯度模式、梯度指數(shù)、管壁厚度等。為了能夠提高結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行多目標優(yōu)化，求解出了最佳支柱直徑。

2.3 優(yōu)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(jié)構(gòu)時，最常見的問題便是極其容易出現(xiàn)有害相。例如，雙相不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)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(xiàn)在含F(xiàn)e、Cr 的高溫合金系統(tǒng)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(dǎo)致零件開裂，導(dǎo)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(shè)計的方式來避免。

對于特定溫下有害相的預(yù)測與避免問題，Liang,H.X.等人[12]采用熱力學(xué)相圖軟件分別設(shè)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(jié)果證明了通過熱力學(xué)相圖軟件設(shè)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(yīng)的探索研究，通過相圖計算（CALPHAD）建模的方法成功設(shè)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(yù)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(shè)計。

圖3 梯度路徑變化情況

但當涉及的元素個數(shù)過多時，模型是一種復(fù)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(guī)劃也變得同樣困難，高維數(shù)據(jù)在降維后才能更好地實現(xiàn)梯度路徑規(guī)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(wěn)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(yīng)用于梯度路徑設(shè)計總相圖預(yù)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(yù)測是建立在平衡凝固下相的預(yù)測，而增材制造是非平衡凝固，因此，平衡相圖的預(yù)測與實際增材制造過后的數(shù)據(jù)存在些許的差異。在Fe-Cr-Al 合金系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫的步進圖結(jié)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(yù)測精度，在該方法下優(yōu)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(xiàn)

與傳統(tǒng)的加工方式相比，AM可以制造出梯度變化更加復(fù)雜、整體性能更加優(yōu)良的功能梯度材料。這與AM的獨特的制造方式所密切相關(guān)，這種制造方式加強了對材料分布的控制能力，使得設(shè)計人員可以根據(jù)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(shè)計的方面提高產(chǎn)品的性能，在本章中我們主要探討如何從AM制造實現(xiàn)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(yōu)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(wǎng)絡(luò)成形（LENS），也稱為定向能量沉積（DED）、選擇性激光燒結(jié)（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(shè)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(yōu)勢更加大，大多數(shù)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(wǎng)絡(luò)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(jié)（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(yù)先鋪粉的制造方式導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)成形（LENS）的激光光斑比選擇性激光燒結(jié)（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(shù)不同必然導(dǎo)致制造結(jié)果的差異，大的激光光斑導(dǎo)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(zhì)量。LENS 主要用于鐵、鈦和鎳基合金。SLM和SLS 使用的金屬數(shù)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(tài)材料固化，這種液態(tài)材料在層內(nèi)均質(zhì)的，在構(gòu)建方向上會發(fā)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(xiàn)，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(shù)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(zhì)量一樣，金屬材料需要后續(xù)燒結(jié)來提高表面質(zhì)量。在功能梯度材料時，我們只需要添加噴頭的數(shù)量就可以實現(xiàn)多方向梯度變化的復(fù)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(zhì)量非常高的零件，但耗費的成本非常高、零件的結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(shù)的優(yōu)點是材料利用率高與操作簡單方便。

3.2 制造過程優(yōu)化

3.2.1 工藝參數(shù)的優(yōu)化

增材制造技術(shù)可以實現(xiàn)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(shù)，利用SLM技術(shù)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(guān)系，首先對焊接的熱源、焊接參數(shù)、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(yīng)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(yōu)化工藝參數(shù)，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(diào)整對應(yīng)的工藝參數(shù)。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(shù)，MAHAMOOD R M等人[19]將在固定工藝參數(shù)下制作的Ti6Al4V/TiC 樣品與優(yōu)化工藝參數(shù)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(yōu)化前后的的激光沉積功能梯度樣品的形貌，圖4c 描述了優(yōu)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(yōu)化后的不同放大倍數(shù)下的顯微組織，圖4f、g兩圖表示樣品頂層在未經(jīng)過優(yōu)化的不同放大倍數(shù)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(yōu)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(yōu)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(yōu)秀的性能同時結(jié)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(yīng)用于高溫，耐腐蝕、耐氧化的環(huán)境中，如核電和航空行業(yè)。BANAIT S M 等人[20]用全析因設(shè)計對制備Cr-B-Si/SS316L 的參數(shù)進行了研究，并確定了相應(yīng)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。RANKOUHI B 等人[21]首次用高通量實驗作為數(shù)據(jù)集，用多元高斯過程的方法大大簡化了參數(shù)尋找所需要的計算成本并預(yù)測了不同成分梯度區(qū)域的工藝參數(shù)，實現(xiàn)了工藝參數(shù)的優(yōu)化。結(jié)果證明，該方法具有一定的可行性。傳統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化的方法是以增材制造過程中的工藝參數(shù)作為數(shù)據(jù)源，以性能作為評判標準進行工藝參數(shù)的優(yōu)化的。Yan,J.Y.等人[22]提出了一種工藝參數(shù)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，圖5 描述了這種方法的設(shè)計流程，這種數(shù)學(xué)模型的建立是以粉末顆粒不具有彈性性能、忽略化學(xué)過程和每一層的的表面都是光滑平整的等因素為假設(shè)的。因此，優(yōu)化的工藝參數(shù)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(yīng)、激光功率和激光掃描速度等工藝參數(shù)的影響，揭示了工藝參數(shù)和材料分布之間動態(tài)的關(guān)系，通過功能梯度零件的工藝參數(shù)的規(guī)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(shè)計流程圖

3.2.2 刀具路徑優(yōu)化

在均質(zhì)材料中，刀具路徑策略已被證實為可以提高精度、質(zhì)量和強度，減少建造時間，在異質(zhì)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(yīng)用于均質(zhì)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(jù)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(guī)劃刀具路徑。

3.2.3 其他改進措施

監(jiān)測診斷在增材制造過程中可以一定程度上提高產(chǎn)品的性能，Li,Z.Y.等人[24]采用了光譜參數(shù)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(yīng)實驗系統(tǒng)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(yōu)勢，它可以提高送粉粉末的效率。對于復(fù)雜的部件，質(zhì)量的控制要求更高，激光多普勒測速法可以實現(xiàn)粉末流速的變化檢測,可以有效地提高LENS 設(shè)備制造零件的性能與質(zhì)量。為了更好低控制不同工藝參數(shù)的快速轉(zhuǎn)換，研究人員設(shè)計出了反饋-控制系統(tǒng)實現(xiàn)工藝參數(shù)的調(diào)整，常見的增材制造中的控制器有簡單比例（P）、自適應(yīng)P 和滑模三種類型，針對不同的對象，有不同的反饋系統(tǒng)。

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(jié)構(gòu)的后處理工藝，從而實現(xiàn)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(jié)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)熱處理會導(dǎo)致bcc-α-Fe 溶解，而該相與零件的硬度密切相關(guān)，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(gòu)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(jié)構(gòu)的力學(xué)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(shù)。采用了高精度設(shè)備表征材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分，并進行對應(yīng)的力學(xué)性能實驗，通過對比最終確定了最佳的熱處理工藝參數(shù)。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(jié)及展望

（1）目前優(yōu)化設(shè)計中成分梯度的功能梯度材料的研究相對較少，結(jié)構(gòu)梯度的功能梯度材料的研究比較多，更加復(fù)雜的工程應(yīng)用問題中，在其他條件一致的情況下，成分梯度的表現(xiàn)要優(yōu)于結(jié)構(gòu)梯度。

（2）隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，對于制備出新型成分梯度材料的優(yōu)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(shù)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(shù)和其他后理方式相結(jié)合的方向發(fā)展。

（3）為了應(yīng)對AM-FGM的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，AM的制造方式需要更大的靈活性才能更加充分地發(fā)揮出FGM材料的優(yōu)勢，新的AM制造系統(tǒng)需要更精確的材料的識別和控制響應(yīng)系統(tǒng)。

（4）功能梯度材料的拓撲優(yōu)化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于優(yōu)化功能梯度材料的體積分數(shù)分布和形狀的優(yōu)化設(shè)計上，而這些方法未應(yīng)用于成分梯度合金，未來可以朝著材料/結(jié)構(gòu)/工藝/性能一體化方向發(fā)展。