机械|多材料结构的增材制造（3）打印机|生物医学|激光器

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江苏激光联盟导读：
本综述旨在重点介绍3D打印聚合物基，金属金属和金属陶瓷应用的范围，同时讨论增材制造多材料结构的优势和挑战。本文为第三部分。
【机械|多材料结构的增材制造（3）】5.多功能金属陶瓷结构的MM-AM

金属和陶瓷AM还不是一个成熟的领域。由于熔化温度和相关热应力的高不匹配，将金属和陶瓷结合成一个整体是困难的。陶瓷能够有效熔化和流动的温度可能高于金属，在某些情况下，温度已经导致金属在陶瓷开始流动之前就蒸发了。这是在创造Ti6Al4V-Al2O3结构时观察到的(图5o) ，Al2O3粉末在熔化之前吸收了足够的激光能量，周围的Ti6Al4V粒子在Al2O3粉末开始熔化和结合之前开始蒸发。这只是众多问题之一，当必须处理在AM过程中的金属与陶瓷的结合。然而，当这两种材料成功地结合在一起时，就可以制造出超高性能的组件和前所未见的材料。在下面的文本和表3中可以看到这些高性能结构的一些具体例子。

图5 通过MM-AM工艺创造金属陶瓷结构和微观结构。独特的结构包括(a - f)丝料过程中添加的TiC颗粒和(g-n)随着颗粒添加量的增加而增加的颗粒形貌， (o)沉积状态下新颖的Ti6Al4V?+?Al2O3成分梯度结构， (pq) SiC增强钛涂层中的TiC反应产物;(r)缸内不锈钢304至VC级配及其(st)耐磨性随碳化物百分比的增加而增加。
MM-AM研究最广泛的领域之一是研究金属基复合材料。金属基复合材料一直是人们感兴趣的领域，因为它们可以被设计成具有超越传统合金的性能，如提高温度、耐磨性、硬度、强度、导电性和重量。添加的相或化合物可以以多种方式加强金属，特别是作为涂层。首先，具有不同CTE的不同成分的快速冷却会产生固化应力，固化应力可以作为从压缩应力扩展裂纹的屏障，这对提高零件寿命非常重要。第二相也会在金属基体中引起内应力，因为它会导致原子顺序和结构上的缺陷。在H13工具钢表面激光熔覆cpm9?V涂层时，内部应变会增加涂层硬度。在马氏体和残余奥氏体中形成VC的证据表明，与H13基体相比，硬度提高了300% ，高能输入导致材料局部膨胀/收缩，产生了约?1000?MPa的残余压法向应力。
金属间化合物增强体周围金属的快速凝固也会导致强大的基体/颗粒结合。这有助于荷载在各相界面之间传递，并降低开裂的可能性。过去，根据约束理论，金属间化合物也显示出能抑制晶界上的位错运动。在SLM Al85Nd8Ni5Co2铝合金的情况下，产生了由AlNdNi4、Al4CoNi2和AlNd3亚微米相组成的复合金属间化合物微观结构。这些硬相作为一个障碍物，可以偏转或阻止裂纹，并增加变形运动的有效平均路径，以便在破坏前发生更多变形。此外，通过高温下的约束理论，加速位错运动被限制为沿晶界的运动，从而进一步强化材料，并导致1.08的高抗压强度平均绩点300?铝合金的温度为摄氏度。已经制备了多种金属基复合材料，包括用常规工程合金、粘接硬质陶瓷元件。图5r-t给出了成分梯度不锈钢到VC圆柱体的示例，随着VC百分比的增加，其研磨性能得到改善。
这些MMC的其他一些具体示例包括不锈钢上的钇稳定氧化锆涂层、成分和结构梯度Ti-TiO2以及不锈钢-钛双金属结构。 AM-yttria稳定氧化锆涂层的高性能归因于获得了金属直接能量沉积技术（尤其是透镜）所特有的精细结构特征。快速凝固可产生精细的微观结构特征，以及沿涂层厚度方向定向的柱状晶粒。这些特征是有利的，因为细晶粒显微结构的硬度值高达2000HV ，柱状晶粒已被证明可延长某些热障涂层的寿命。透镜还用于在不锈钢基材上加工致密的WC–12%钴复合涂层。 WC–12%钴涂层硬度在1171和1181 HV之间变化，平均干滑动比磨损率在3%范围内?×?10?6.?mm3/Nm和6.5?×?10?6.?在Si3N4接合面上为mm3/Nm 。发现钴相的变形和挤压，以及随后的断裂和碳化物颗粒的去除是主要的材料去除机制。