原子层沉积可用的衬底材料（采用能量直接沉积进行增材制造功能梯度金属材料）

江苏激光联盟导读：

本文为综述：采用能量直接沉积进行增材制造功能梯度金属材料的第四部分，主要介绍铁基合金向镍基合金过渡的梯度合金的激光增材制造。

铁基合金向镍基合金过渡的梯度合金

镍基合金和铁基合金所提供的性能使得他们之间的组合在很多场合具有非常有趣的应用，在需要使用两者混合的性能的场合。这两种合金均具有FCC的晶体结构，并且不存在同素异构的相转变。此外，主要的合金元素，如Fe, Ni和 Cr,等元素同Fe和Ni均具有较好的溶解度。

这些合金的功能梯度合金材料提供了一个可以变化的制造实践。从Fe基合金到镍基合金的梯度变化遵循混合原则，从一个元素/合金开始到另外一个元素/合金结束的梯度变化。两个例外情况是AM-FGM制造SS304L到Invar36合金的梯度制造和SS304L到 Inconel 718合金的梯度制造。一些镍基合金存在在同奥氏体不锈钢混合的时候具有机械性能下降的倾向。这一现象的发生主要是镍基高温合金中的元素如Nb的存在造成的。脆性的富集Ｎｂ的化合物容易在界面处的枝晶间形成。在Hofmann的报道中，梯度的自 SS304 L向Invar 36的设计有利于不锈钢和Invar合金的热膨胀系数（CTE ）显著不同的差异的实践应用。EDS沿着梯度合金和显微硬度以及CTE沿着元素的分析结果间图１ａｂ所示。

▲图１. (a) 沿着 SS304 L 向 Invar 36的梯度变化所测量得到的EDS结果；(b) 沿着梯度变化的显微硬度和CTE结果；(c) 在923 K时 Fe-Ni-Cr的等温伪三元相图

沿着 SS304 L 向 Invar 36的梯度变化显示出或多或少的在两种合金中几乎相同的 Fe含量。等温三元 Fe-Cr-Ni 在923 K时的相图可以用来设计这两种合金耦合时的梯度设计。依据相图，自 SS304 L 向 Invar 36的梯度变化发生在一个奥氏体场范围，不存在脆性的金属间化合物。图１ｂ所示的显微硬度和CTE测量结果证明了奥氏体相沿着梯度的变化。在这一梯度变化中，硬度的下降至低于成分合金，这是因为存在软的奥氏体相的原因。显微硬度的下降是有意识的设计，其目的是为了使得梯度合金更具有韧性以避免裂纹的萌生。此外，沿着梯度变化的CTE满足缓和原则，自 Invar 36处的接近零到几乎为SS304L合金一侧的40 μm/m/K。

在另外一个梯度合金中，即 SS316 L向Inconel 718过渡的梯度合金，其硬度表明在过渡区存在波动。其原因可以在XRD中发现。XRD结果表明梯度变化的不同截面内存在不同的相。奥氏体相和少量的铁素体相在含量为100 wt.%和 75 wt.% 的SS316 L层中。随着Inconel 718高温合金的量增加，新相 NbC 和 Fe2Nb会形成，形成的奥氏体相是硬度下降的原因，而新相 NbC 和 Fe2Nb的形成则对过渡区硬度的增加起作用。

在Hofmann的研究工作中，其梯度材料采用圆滑过渡的方式来实现。采用陡峭的过渡的设计在相的形成和性能上会显著不同，这是因为界面的显著不同和周围区域的元素和相的不同。在陡峭的梯度合金Ti-6Al-4 V向 Fe-82 wt.%V的梯度合金，其过渡区呈现出一个急剧的变化，随后硬度下降，其原因是两个合金元素的稀释。Fessler 等人曾经尝试对陡峭和平滑过渡的梯度合金Invar向SS316 L变化的量化对比。在陡峭的梯度合金中，在界面处其成分和显微组织存在显著的变化。然而，平滑过渡的梯度合金则呈现出一个或多或少的相对均匀的显微组织。Savitha 等人则研究了陡峭和平滑梯度的SS316 L 向 Inconel 625变化的拉伸性能。图2ab显示了陡峭和平滑过渡的梯度合金在拉伸性能之后的基准直径。比较有趣的是，塑性变形主要限制在SS31６Ｌ处，而远离界面或过渡区，显示界面的强度在两者的界面处非常好。此外，图２ｃ显示出梯度合金的应力－应变结果同SS316 L的对比，其结果是校准有效基准长度之后的结果。陡峭和平滑过渡的梯度合金的拉伸性能并不存在明显的区别，他们或多或少的接近SS6L合金的性能。

▲图2. 拉伸测试后陡峭（a）和平滑（b）过渡的梯度合金的基准直径沿着基准长度的结果；（c）陡峭（DI）和平滑（CG）两种梯度合金在校准基准长度后的结果

AM-FGM比焊接有优势的一个优点在于其成分，显微组织和性能在平滑过渡的设计中是梯度逐渐变化的。同传统的焊接相比较，这减少了沿着过渡区的应力。一个比较好的对比的例子是汽车的高档汽车发动机气门杆，是采用摩擦焊焊接在一起的。其焊接接头的失效主要在于在界面处的显著过渡。Hofmann 等人发展了一个有限元分析的办法来分析这一梯度合金。其模型显示梯度的接头其应力集中降低十分之一。其原因在于平滑过渡的梯度合金的CTE的变化，造成较小的应力。此外，焊接时的陡峭的急剧的过渡会有利于形成脆性的金属间化合物，这将进一步的弱化焊接接头。

Carroll 等人研究了自SS304 L 向 Inconel 625合金进行平滑过渡的梯度合金，并进行了进一步的表征和热动力学模拟。微裂纹的观察在接近SSL的一侧发现，见图３.尽管这些裂纹不会跨越一个层的间距，微观尺寸的二次相颗粒对裂纹的扩展起作用。CALPHAD热动力学计算预测了金属单一碳化物在区域中的存在，而EDS图则证实了裂纹的边缘富集Mo和 Nb。

▲图３. (a) 自 SS304 L向 Inconel 625进行梯度过渡时裂纹形成的背散射SEM图；(b) 在裂纹的１００微米处设计和测量的成分；(c-h)在裂纹的１００微米处测量得到的EDS元素图

▲图４. (a) 梯度合金样品的示意图；点线显示的是部件的截面，截取后用于分析测试；(b) 截面样品；（c）梯度合金在Fe和Ni成分变化时的显微硬度；显微硬度值是５次的测量平均值，误差位标准误差；

Zhang等人采用一个中间过渡层的办法制造了一个类似三明治结构的 自SS316 L向 IN625合金进行梯度过渡的合金，其中间过渡区为50/50 % ｗｔ％的混合，见图５.显微结构分析揭示了其显微组织的梯度变化而不存在缺陷。在过渡区，SS316L的胞状结构变化为混合的胞状/柱状晶结构，然后变化为In625合金的柱状晶结构。对过渡区的定量分析证明了Ni和Fe含量的梯度变化。显微硬度测量表明了其硬度沿着梯度的逐渐升高。拉伸测试结果表明梯度合金的屈服强度为405.6MPa，同IN625合金的强度443.2MPa相当，但极限拉伸强度605.7MPa接近SS316L合金（561.5MPa）。颈缩主要发生在316 L的一侧，这是因为 IN625合金的强度显著高于 SS316 L。

相图预测裂纹两类碳化物在梯度合金中的形成，分别是MC和 M23C6。然而，发现一些M6C碳化物主要形成在添加MC碳化物处，此处没有明显的形成M23C6。TEM分析结果证实了MC 和 M6C碳化物的形成并给出了其形貌，见图６. M23C6 碳化物的不存在在于AM－FGM工艺的非平衡造成的，这是利用平衡相图进行预测的一个缺点。

▲图5. 自SS316 L向 IN625合金过渡的梯度合金的金相图（ａ）和两个选择区域的放大（ｂ和ｃ）。（ｄ）梯度合金样品制备时的示意图；(e)沿着梯度进行过渡时的硬度测量结果

▲图６. 在梯度合金 SS316 L向Rene88DT进行过渡时的TEM给出的典型碳化物相的形貌：(a) 50 % Rene88DT, (b) 70 % Rene88DT和(c) 100 % Rene88DT　

马鞍山的安徽工业大学的研究人员进行了自 316L向 Inconel625合金进行梯度过渡的合金制造,并对裂纹的行为,显微组织的演化和显微硬度进行了分析测试.主要结果如下:不锈钢316L/Inconel625合金的梯度材料采用同步预热的方式进行了成功的制备;对没有采用预热得到的样品的裂纹进行了详细的分析;采用预热得到的样品的显微组织进行了详细的分析.预热对裂纹的生成和成分的分离偏析至关重要。

图7. 采用同步预热的办法进行自 316L向 Inconel625梯度合金的制造

文章来源：Opportunities and challenges in additive manufacturing of functionally graded metallic materials via powder-fed laser directed energy deposition: A review，Journal of Materials Processing Technology，Volume 294, August 2021, 117117，https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117117

参考文献：1,Functionally graded material of 304L stainless steel and inconel 625 fabricated by directed energy deposition: Characterization and thermodynamic modeling，Acta Materialia，Volume 108, 15 April 2016, Pages 46-54，https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.02.019

2,Fabrication of steel-Inconel functionally graded materials by laser melting deposition integrating with laser synchronous preheating,Optics & Laser Technology,Volume 131, November 2020, 106451,https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106451