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美国利用增材制造技术首次实现梯度复合材料构件一步成形
2018-06-06

    近日,美国华盛顿州立大学首次实现利用3D打印技术一步成形出由两种不同材料组成的梯度复合材料结构,能够有效减少制造流程,快速制造出具有多种材料的复杂构件。该研究成果发表在5月份的《增材制造》杂志上。

    金属-陶瓷梯度复合材料具有金属和陶瓷特性的优点,其中在陶瓷侧具有高硬度以及良好的耐磨性和耐腐蚀性,在金属侧具有良好的延展性、高导热性和导电性。制造金属-陶瓷梯度复合材料的传统方法是压制和烧结,不仅需要多个耗时的步骤,并且缺乏对金属-陶瓷过渡区域的控制。采用基于粉末床的增材制造工艺可用于制造金属-陶瓷梯度材料,但该方法在加工期间需要多个步骤(例如预混合粉末和转换粉末),效率低下。并且,由于陶瓷和金属材料之间的热传导性和热膨胀系数显著不同,因此使用增材制造金属-陶瓷梯度结构仍存在许多困难。

    激光工程化净成形(LENSTM)是一种直接能量沉积增材制造技术,采用激光束作为能量源,在基板上形成熔池,并在其上供给粉末。该技术可用于制造金属和陶瓷材料、双金属材料和高硬度陶瓷涂层。研究人员利用LENS工艺制造出了由Ti6Al4V合金、Ti6Al4V+Al2O3复合材料和纯Al2O3陶瓷不同截面所组成的金属-陶瓷梯度结构,并对Ti-Al2O3梯度结构的横截面进行显微结构表征、相分析、元素分布和显微硬度测量。结果显示,每个部分都有其独特的微观结构和相。

    此外,研究人员还采用LENS工艺,制造出了镍铬-铜梯度结构。镍基高温合金Inconel 718是一种高温耐腐蚀材料,在燃气轮机和火箭发动机中得到了广泛的应用。该材料耐高温性能良好,但是热导率低。研究人员通过在Inconel 718上沉积GRCop-84,Inconel 718的热导率将会提高,同时保持Inconel 718在高温下的高强度。与纯Inconel718合金相比,热扩散率提高250%,电导率提高300%,可提高飞机发动机的寿命和燃油效率,为下一代航空航天结构件的制造开辟了新的多材料金属增材制造的可能性。

    该研究由航天技术创新联合中心,国家科学基金会和美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心资助。(北方科技信息研究所 李良琦)




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