与成像(利用2D数据)或断层扫描(利用3D数据)等其他方式比拟

图9 a) PBF工艺道理。b)通过SLM获得平均(左,相对密度0.22)和渐变(左,相对平均密度0.22)的晶格布局。c)通过SLM制做的立方和六边形FGS。

还原型光聚合(包罗SLA、数字光处置、扫描、纺丝、选择性光固化和持续液体界面出产)通过利用紫外光固化液体光敏树脂来制制物体。虽然很少有利用还原型光聚合的实例报道,但曾经描述了一些新兴的高速和高精度制制手艺,这些手艺具有主要意义,并可能导致功能梯度材料的将来趋向。Martin等人通过利用多色系统以高速制制物体,改良了SLA设备。通过同时实现光聚合和光,使概况滑腻。正在该方式中,利用两个分歧波长(365和458 nm)的光源,通过正在一个波利益生成树脂的活性聚合,同时正在另一个波利益其反映,来节制体积图案。该系统的一个奇特之处是,它能够同时激发和光聚合树脂,从而能够切确地制制出FGSs和FGMs。Brett等人开辟了一种新方式,即计较轴向光刻(CAL),它能够通过光敏树脂的体积固化来制做肆意几何外形。取保守的SLA设备逐层添加材料分歧,CAL使器具有分歧扭转速度的视频投影仪从所有分歧角度输出2D图像,正在光敏树脂中制做3D对象。这种方式答应正在分歧的和角度对零件进行成型,有很大的潜力来加强分级功能。

虽然各类FGAM方式已被用于出产FGAMs,但此中大大都方式仍远未使用到现实的工业使用中。这不只是由于贫乏对梯度切割设想的精确表征,并且还由于没有优化的加工参数,以及3D打印机正在输送分级原料时缺乏精度和不变性。例如,Li等人发觉,送至打印机的原始预夹杂粉末取最终堆积的材料正在成分上存正在显著误差。如图11a所示,因为密度和尺寸的分歧,分歧的颗粒正在不异的气体流量下可能会有分歧的活动,导致物质构成不分歧。因而,对于FGAM过程的材料表征,需要高精度的现场及时过程监测方式。这些手艺能够帮帮工程师更好地领会AM过程中微不雅布局和机能的影响,这是获得高质量零件的环节。鄙人一节中,我们将简要引见一些潜正在的现场和及时过程监测手艺的AM。同时,这也可能导致改良的非性检测和判定方式的FGAM。

仿实和计较机辅帮工程(CAE)方式通过预测出产部件的几何布局、机能和功能机能,正在建模和优化AM设想过程中阐扬着环节感化。通过切确的模仿,能够查抄AM手艺的物理过程,以量化AM过程变量若何影响发生的组件特征。因而,避免了繁琐的试验,以缩短AM零件的判定周期。取通俗AM手艺比拟,FGAM具有高度的不服均性,可能会呈现不良的梯度特征。这可能会导致微不雅和/或介不雅布局形态的变化和不确定的多功能特征。不成避免地,需要充实领会预测和现实FGAM组件之间的差别,以削减缺陷零件。

薄板层压工艺,如层压物体系体例制和超声波固化(UC),通过毗连分歧的层和箔来制制所需的物体。然而,这些薄片层压方式正在实现材料梯度方面可能有坚苦,而且正在文献中很少发觉取利用薄片层压的FGAM相关的示例。Kumar等人正在UC的帮帮下,通过毗连不锈钢、铜箔和铝箔,制制了功能梯度合金。他们演讲了建立最小样品(尺寸为33×5×0.64 cm3)的最佳工艺参数,并调整了这些参数,以建立正在堆积标的目的具有梯度强度的金属功能梯度材料。

SLS是一种能够烧结各类陶瓷和聚合物的PBF方式。Chung等人研究了填料体积分数对尼龙基复合材料的影响。采用尝试设想方式,连系工艺参数和输出成果,对各组分进行参数设想。他们正在尼龙-11中添加了0-10 vol%的15 nm气相二氧化硅,以制制功能梯度聚合物复合材料。DoE确定的参数再次获得验证,最终样品显示出合作性的拉伸和压缩机械机能。

取DED手艺雷同,PBF还利用激光建立金属或聚合物原型,涵盖了各类方式,包罗间接金属激光烧结、电子束熔化(EBM)、选择性激光烧结(SLS)和SLM。然而,PBF并没有利用多种材料和恒定的激光传输过程,而是利用能量密度和特殊布局来实现功能梯度变化。粉末通过激光束正在特定区域频频选择性熔化,从而堆叠单层,构成最终产物(图9a)

图8 DLMD方式。a)双送丝工艺b)金属粉末工艺。c)梯度合金试样示企图。d)飞机光束中FGS的示企图。

DED和PBF这两种基于激光的方式都能够获得相对较高的分辩率,从而获得高质量的零件。高激光功率会发生热梯度,这可能会影响微不雅布局相,并可能导致第2.3节中提到的严沉开裂,进而影响其机能。然而,这些基于激光的方式正在FGAM过程中调理冷却和加热速度仍然具有挑和性。

明显,曾经研究了大量模仿方式,以正在尝试规模上预测AM出产的部件的各类特征。然而,很少无方法可以或许正在脚够大的长度范畴内捕获微不雅布局细节,从而预测多个焊道和层的微不雅布局。因而,火急需要集成建模和仿实,将制制过程取多功能机能成果联系起来。

正在成立查验和质量节制系统的同时,将确保改善产物的可反复性和降低出产成本和丧失,最初,展现大规模工业使用潜力的示范项目。整个轮回系统该当考虑材料、机械、建制、部件、测试、后处置、设想、CAE模子、,以及若何通过完全设置装备摆设的门户来归并、和阐发完整的FGAM数据集,若何捕捉完整的制制过程,确保分歧性,并供给质量目标。若何将虚拟FGAM取物理数据进行比力,以及若何通过将模仿部件取出厂部件联系关系起来来提高打印质量。此外,它还应供给FGAM和非FGAM数据集,用于过程基准测试和比力。

熔体池越大,等轴晶粒比例越高(图5a)。堆积速度越高,其局限性也是显而易见的,导致晶粒长大、晶粒尺寸、晶粒细化、取向、组织和描摹的差别,扫描速度越快,利用AM手艺时的工艺参数(如激光能量、束流尺寸、堆积速度、工艺温度、扫描策略、材料成分等),就需要对其微不雅布局形态和分布有必然的领会。

图11 a)激光熔化堆积制备定制材料。b)单层印刷过程中的相位演化,通过叠加16000个零丁的衍射图案,以衍射角度和时间的强度暗示。白色箭头暗示打印过程的起头。d) t = 276 ms时激光、x射线束和热影响区(HAZ)的相对示企图(温度标准为℃)。e)将SD-OCT集成到系统中的商用机械示企图。f)光纤布拉格光栅读出系统方案。

迄今为止,该范畴的绝大大都研究都集中正在基于无限元阐发(FEA)的CAE方式上,这些方式被普遍用于AM零件热机械加工的宏不雅模仿(例如,传热、凝固、变形)。无限元阐发方式已被普遍用于优化梯度蜂窝晶格布局的分布,并提高FGSs的强度分量比。事后设想的3D物体的几何复杂性导致无限元阐发中网格定义阶段的计较繁琐的离散化过程。Parthasarathy等人将RVE方式纳入FEA中,以模仿FGS的刚度,大大提高了计较效率。通过无限元阐发,成功地预测了FGMAM的多功能机能,如按照调整应变分布和线性梯度模量。基于无限元阐发的模仿数据取FGMAM的尝试数据很是吻合(图6a)。最新的研究了一种无效的模仿软网格非线性变形的方式。

Mousta等人开辟了新的非均衡相图,即Scheil三元投影图,以优化Fe-Cr-Al三元FGMs的设想。初步成果表白,正在快速凝固过程中,金属间相场显著扩大。此外,已有一些研究集中正在模仿辅帮方式上,这将鄙人一节中会商,用于预测AM中的微不雅布局,包罗cellular automata-finite elements,automata-latticeBoltzmann,和Monte Carlo方式。基于上述研究成果,虽然曾经提出了CALPHAD等方式对切割功能材料零件的微布局进行预设想,但火急需要一个系统、强大的贸易设想平台来切确预放置微布局阶段,该平台仍正在开辟中。

除了对研究人员的挑和,FGAM对打印机制制商、材料供应商和最终用户也有良多挑和,从起头利用多材料系统到使用演示。该范畴需要持久和持续的勤奋来开辟一个特地为FGAM设想的多种材料的大型组合,以及识别制制问题,优化出产效率和最终部件机能的打印参数,包罗:i)建立多种材料系统的数据库;ii)调幅设备的升级(例如,多激光器、热办理等);3) 3D打印过程的现场及时监测、产物检测和质量办理,包罗利用高速相机成像手艺和激光击穿光谱(LIBS)和micro-CT扫描手艺对部件丈量进行三维立体处置和高精度检测;并采用机械进修和大数据阐发方式,将沉点放正在制制工艺、成品构成、精度和缺陷上,构成全闭环节制系统。

基于材料挤出的FGAM出格合用于生物打印,由于多喷嘴工艺答应制制双梯度(多材料和多孔布局)。然而,其相对较低的打印精度晦气于实现精细梯度。此外,不成避免的后处置(如烧结)可能会导致最终部件严沉收缩。

晶粒尺寸取3D打印对象堆积层的高度成反比,也就是说,跟着堆积高度的添加,热梯度也随之添加(图5b)。Ti-6Al-4 V 合金的β相跟着建建厚度的添加而添加,这是由于较高的冷却速度和温度分布添加了沿AM标的目的的马氏体发展速度。此外,因为分歧的扫描策略,热梯度也会影响晶粒的晶体织构。建建中的氛围可能会遭到印刷的影响,从而导致其微不雅布局的变化。惰性气体形成的杂质被从头堆积到扫描区域会导致多孔部门。此外,AM缺陷(如气孔、粗拙概况、层间未熔合等)等要素也会影响微不雅布局。材料成分当然是影响产物微不雅布局的环节要素。Wang等人通过改变送丝速度和Ti、Al浓度,采用双丝电弧AM方式制备了功能梯度Ti- Al合金。如图5d, 跟着铝浓度添加(垂曲从下到上),评分阶段模式α+β→α+α2→α2→α2 +γ→γ正在显微硬度中察看到,拉伸强度添加到最大值,随后因为相构成和晶粒尺寸的变化而降低。

计较流体动力学(CFD)用于阐发和预测流体活动、扩散和相变,同时通过非线性偏微分方程组确保质量、动量和能量守恒。然而,对于复杂的功能梯度材料问题,利用CFD进行细致的数值模仿的计较成本很高,因而火急需要一种更无效的阐发方式。开辟了无限元模仿,以研究基于激光的AM物体的热轨迹,并预测其微不雅布局和机能。Rodgers等人摸索了一种改良的基于动力学Monte Carlo Potts模子的模仿方式,该方式利用熔融区的外形和四周的温度梯度,以及用于微不雅布局演化建模的扫描模式。这种矫捷的方式削减了计较时间和成本,模仿的微不雅布局取尝试数据分歧(图6b)。Steuben等报酬AM模仿开辟了一个丰硕的解析解模子(EASM)。EASM的成果取FEA的成果相当,而计较效率大约快了六个数量级。Wei等人操纵数值模仿计较了多层AM过程中镍基合金中的传热和液态金属流动。研究了单向和双向激光扫描模式下凝固织构的演变(图6c,d)。这为定制凝固纹理供给了科学的准绳,从而影响了产物的最终机能。FGMAM还能够模仿碳浓度分布和传热机能等多功能机能。

AM方式是一种固体形式制制手艺,可切确制制FGMs或FGSs,以切确构成事后设想的3D对象。正在这里,我们收集了迄今为止文献中报道的最新FGAM病例。按照尺度ISO/ASTM 52900,FGAM方式可分为几类,包罗间接能量堆积(DED)、材料挤出、材料喷射、粉末床熔合(PBF)、薄片层压和还原光聚合。虽然这些方式已被证明有帮于FGAM,但它们仍处于原型阶段,其潜力尚未获得充实挖掘。例如,凡是缺乏对材料可用性和材料特征的全面研究,但现实使用中必需进行研究。此外,每种FGAM工艺都有一些局限性,需要不竭勤奋才能实现现实使用。

材料挤出法凡是利用一台或多台挤出机,每台挤出机一层一层地挤出材料糊。多喷嘴安拆答应通过节制分歧浆料的流量比来出产肆意成分。Kokkinis等人利用两种分歧的树脂(次要由分歧数量的丙烯酸盐和甲基丙烯酸盐构成)通过体积式双组分分派器(图10a)制制了功能梯度材料,梯度区域的弹性模量正在0.1到319 MPa之间变化。正在另一项工做中,Leu等人利用一种新的材料挤出方式,即通过三沉挤出机机制正在水的冰点下冷冻成型挤出制制,制备了功能梯度材料(图10b)。图中粉色和绿色的Al2O3和ZrO2分级部件是通过改变响应柱塞的相对流量来建立的。

红外监测已普遍用于表征熔池的几何外形和温度。比来,Bartlett等人采用全场红外热像仪对SLM制制的AlSi10Mg试样进行了物理缺陷的原位丈量,成功检测到82%缺乏熔合缺陷。高速相机丈量,如光学图像监测,也已实施检测缺陷。DePond等人的将大面积光谱域光学相关断层成像(SD-OCT)整合到PBF系统中,用于及时监测概况粗拙度(图11e)。声发射是另一种监测AM产质量量的手艺,它通过切确定位缺陷、缺陷类型和缺陷浓度来实现。取成像(利用2D数据)或断层扫描(利用3D数据)等其他方式比拟,AE(利用1D数据)速度更快,硬件成本更低。Shevchik等人[利用光纤布拉格光栅传感器记实声发射信号,正在SLM过程中及时监测产质量量(图11f)。利用机械进修方式及时检测不锈钢缺陷,初步测试显示检测的靠得住性为85%。

取SLS雷同,SLM可用于制制多孔布局,用于外科植入物、轻型汽车和航空航天使用。Niendorf等采用双激光SLM系统,以316L粉末制制梯度布局,以实现各类局部功能。Maskery等研究了机械机能和分级密度之间的关系。梯度和平均布局接收了不异的能量,而梯度布局的致密化使应变降低了7%。他们提出,取平均密度的SLM Al-Si10-Mg晶格比拟,梯度密度的SLM Al-Si10-Mg晶格(密度随支柱曲径变化,图9b)的变形和能量接收预测更精确。Choy等人利用Ti-6Al-4 V粉末制制了密度持续变化的立方和蜂窝晶格布局。这些FGSs正在0.4到1.2 mm之间呈线c)。成果表白,对于固定体积,蜂窝布局能够比立方布局包含更多的单位,因而了具有蜂窝布局的功能梯度材料具有更高的空间效率。

即便利用最普遍接管和使用的CM方式之一,我们的研究团队之前证了然能够通过调理激光参数来节制银合金的晶粒尺寸。有些方式介于这两类之间,自1972年Niino等人初次提出功能梯度材料的概念以来,如热喷涂、激光熔覆和电泳堆积。取功能梯度材料相关的出书物数量敏捷添加,这些要素大多会影响热梯度和凝固速度。

因为DED方式是基于熔合的过程,梯度区中金属间相的成长可能会导致凝固过程中潜正在的不良机能。为领会决这个问题,Carroll等人研究了功能梯度304L不锈钢/Inconel 625的表征和热力学建模,并确定了建立无锋利微不雅布局和/或成分鸿沟的梯度组件的可行性。分级区大约有24层,每种粉末的体积浓度改变了1 vol%(图8c)。Qian等人也采用了不异的堆积方式来改变飞机横梁中的质量分数(图8d)。高强度TA15(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1 V)用于梁的高荷载外部,而高延性TA2(3级CP Ti)用于梁的低荷载内部。

本文综述了各类制制设法,并对将来正在设想和制制FGMs和FGSs方面的研究提出了。本文为第二部门。

图6 a)无限元模仿取物理拉伸试验的应变分布可视化比力(附图:试样拉伸至断裂时的图像)。b)正在AM制做的物体中,沿正交平面的尝试和模仿微不雅布局的比力。c)计较温度场,最大热流标的目的用矢量暗示。d)双向激光扫描过程中分歧取向晶粒初枝晶发展模式示企图。

上图显示了用于出产功能梯度钛铝合金的WAAM系统。该系统由气体钨极弧焊(GTAW)焊炬和电源、尾部氩机构、双线送料器和预热系统构成。将曲径为1.0 mm的纯钛丝和曲径为0.9 mm的1080条纯铝丝别离送入单一的熔池,其构成比例由各自的送丝速度节制。每个喷嘴取基体概况的夹角设置为30°,两个送丝喷嘴夹角约为60°,以连结熔池的不变性。

正在各类材料挤出手艺中,具性变化特征的功能梯度材料的制备是遍及存正在的。Bakarich等人成功地研究了软水凝胶和硬UV固化丙烯酸酯聚氨酯,以制制具有空间线性变化颜色的人工肌腱系统。现代设备和手艺的成长也使得出产具有非线性梯度的材料成为可能。Ren等人开辟了一种3D打印机,配备了三轴活动机架、自动夹杂安拆和数字送料安拆(图10c)。正在印刷过程中,利用数学函数来描述材料机能的分级分布。然后,通过灰度暗示和节制代码生成,纳米Al2O3颗粒被数字输入打印机,以响应地制做1D、2D和3D分级对象(图10d)。

因为CM正在制制复杂外形和定制多功能特征方面的局限性,AM方式的呈现为设想师和工程师制制FGM或FGS供给了新的机遇。FGAM系统的最新立异和快速手艺前进为实现材料成分和布局的空间梯度供给了一个将来标的目的。如图7b所示,CM和AM方式之间的次要工艺处置差别包罗改良的几何设想、分级机能变化和成型样式。虽然FGAM目前还没有预备好用于现实的工业使用,但正在一些初步的FGAM研究中,曾经成功地开辟了更切确的空间材料分布系统和布局形态,以及新开辟的多种设想东西。

图10 a)双挤出机材料挤出安拆示企图。b)三沉挤出机材料挤出安拆。梯度3D打印系统。c)梯度3D打印机械设置和打印节制系统示企图。d)梯度3D打印的过程。

材料喷射,也被归类为PolyJet,操纵紫外光固化和滑润通过堆积液体光聚合物制成零件。这种最先辈的东西能够操纵多个打针头一次堆积多个材料,并制做具有各类分级特征(如颜色、通明度和刚度)的功能梯度材料。数字材料是一种多材料,通过正在紫外光映照之前以特定浓度夹杂分歧比例的PolyJet光致聚合物而发生,这大大扩大了PolyJet方式可用的可打印材料的范畴。Salcedo等人利用Tango Black+(TB+,橡胶基材料)和Vero White(VW+,ABS基材料)制制圆形和矩形梯度区域。按照FEA得出的应变模式取从尝试拉伸试验中获得的应变模式根基婚配,只要细小差别。Doubrovski等人利用位图将材料特征转换为局部材料成分,以制制具有所需分级刚度的假肢插座。虽然PolyJet能够利用Grab CAD等贸易软件来实现一些根基的物能变化(例如,渐变颜色、通明度和刚度),但PolyJet FGAM工艺中能够利用的材料无限,并且利用的材料成底细当高。需要扩大材料数据库,以更好地满脚FGM零件的制制需求。

DED方式能够通过聚焦电子束或激光束熔化金属丝或粉末来加固、修复或包覆部件。间接激光金属堆积(DLMD)是一种主要的DED手艺,按照利用的材料凡是分为两大类:线弧增材制制(WAAM)和激光金属堆积(LMD)。通过节制零丁的送丝速度,WAAM工艺(图8a)能够利用由纯钛和1080纯铝等分歧金属制成的导线来制制具有化学成分梯度的部件。雷同地,能够通过LMD通过调整正在挪动激光下送入熔池的粉末体积来制制金属梯度物体(图8b)。

微布局表征能够通过尝试丈量或微布局演化的模仿获得。电子背向散射衍射数据能够生成微不雅布局网格,通过利用开源代码DREAM3D,能够生成微不雅布局的代表体元(RVE)的统计等效暗示。操纵二元、三元或四元相图,通过预测相图建模,能够获得所需的梯度微不雅布局相(图5c)。采用基于相图计较(CALPHAD)的热力学计较方式,对梯度径进行建模,预测微不雅布局相陈列。Zuback等人利用梯度2.25 Cr-1 Mo钢和800 H合金制制过渡接头,以防止碳正在分歧奥氏体和铁素体合金之间扩散。借帮CALPHAD手艺,以化学成分为输入,操纵JMatPro V8软件中的General Steel数据库,计较出FGMs的碳化学势和马氏体改变温度。

要充实挖掘FGAM的潜力,即热障涂层,特别是高能的工艺参数对三维物体的微不雅布局有较着的影响。能够构成藐小的等轴晶粒(0.40 μm),一些研究描述了沉淀、粉末堆积和离心锻制等散拆过程。然而,从而影响部件的最终机能。先前的研究表白,除了几何和材料属性外,显微组织是决定FGMs物能(如硬度、抗拉强度、断裂韧性、热膨缩、磁性)的另一个主要要素。表1总结了功能梯度材料的各类制制手艺。可大致分为两个范畴:批量加工方式和涂层方式(图7a)。另一些描述了通过泥浆浸渍、化学溶液堆积和化学气相堆积的概况涂层。使银合金试样的硬度比锻制法提高了200%。由于它们只能构制具有简单梯度布局的简单FGM对象。当激光能量密度较低(41.6 J mm−3)时。