成分梯度金属陶瓷结构的增材制造

供稿人:何垚垚 张航
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

由于不同材料的热膨胀系数、熔点等性质不同，在金属材料基体上沉积硬质耐高温陶瓷涂层是具有挑战性的，其包括由于相间材料性能差异较大而引起的分层或破裂。如果涂层材料的性能从表面到内部逐渐变化，则可能减少甚至消除这些问题。

针对上述问题，2018年，华盛顿州立大学Gualtieri等科学家用激光熔覆沉积（Laser engineered net shaping，LENS）技术在不锈钢304（SS304）基板上沉积了硬质合金（VC）和SS304的复合涂层，他们将5 wt％至100wt％VC的组合物与SS304混合形成梯度材料。所用材料的化学组成如表1所示。

表 1 所用材料的化学组成

打印出来的样件100％–20％–0％VC渐变图层如图 1所示，在沉积的第一层和第二层之间存在高度多孔的层。

图1 打印样件渐变图层

梯度涂层的硬度深度分布和相应的微观结构如图2所示。LENS技术加工产生了更小，更均匀的晶粒。VC集成在金属基体中和晶界上，起到了强化颗粒的作用并增加了硬度和耐磨性，与SS304基材相比100％VC图层使硬度增加到1450HV并将磨损率降低80％以上，能够增强SS304对恶劣环境的抵抗。

图2 梯度涂层的硬度深度分布和相应的微观结构

LENS成型方法可以将梯度涂层应用于新零件或修复现有零件，并显着提高零部件的耐磨性和表面损坏能力。

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