成分梯度金屬陶瓷結構的增材制造

供稿人:何垚垚 張航
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

由于不同材料的熱膨脹系數(shù)、熔點等性質不同，在金屬材料基體上沉積硬質耐高溫陶瓷涂層是具有挑戰(zhàn)性的，其包括由于相間材料性能差異較大而引起的分層或破裂。如果涂層材料的性能從表面到內部逐漸變化，則可能減少甚至消除這些問題。

針對上述問題，2018年，華盛頓州立大學Gualtieri等科學家用激光熔覆沉積（Laser engineered net shaping，LENS）技術在不銹鋼304（SS304）基板上沉積了硬質合金（VC）和SS304的復合涂層，他們將5 wt％至100wt％VC的組合物與SS304混合形成梯度材料。所用材料的化學組成如表1所示。

表 1 所用材料的化學組成

打印出來的樣件100％–20％–0％VC漸變圖層如圖 1所示，在沉積的第一層和第二層之間存在高度多孔的層。

圖1 打印樣件漸變圖層

梯度涂層的硬度深度分布和相應的微觀結構如圖2所示。LENS技術加工產生了更小，更均勻的晶粒。VC集成在金屬基體中和晶界上，起到了強化顆粒的作用并增加了硬度和耐磨性，與SS304基材相比100％VC圖層使硬度增加到1450HV并將磨損率降低80％以上，能夠增強SS304對惡劣環(huán)境的抵抗。

圖2 梯度涂層的硬度深度分布和相應的微觀結構

LENS成型方法可以將梯度涂層應用于新零件或修復現(xiàn)有零件，并顯著提高零部件的耐磨性和表面損壞能力。

參考文獻：
Gualtieri T , Bandyopadhyay A . Additive manufacturing of compositionally gradient metal-ceramic structures: Stainless steel to vanadium carbide[J]. Materials & Design, 2018, 139:419-428.