机械|多材料结构的增材制造（3）( 二 ) 打印机|生物医学|激光器

基于透镜的DED工艺也被用于沉积SS304和VC的复合涂层，该涂层比SS304基体具有更高的硬度和耐磨性。通过在表面沉积100%的VC ，形成了成分梯度结构。激光处理使基体中的VC颗粒更加均匀。 VC提高了硬度和耐磨性，进一步添加激光焊道有助于致密陶瓷填充层。与SS304基体相比， 100%VC涂层使硬度增加1450HV ，磨损率降低95% 。这种高耐磨性也反映在磨料水射流试验中，其中100%VC对恶劣环境具有难以置信的抵抗力，与20%VC复合材料和SS304基材中的大材料损失相比，没有材料损失。

(a) RPM Innovations正在生产的梯度合金。 (b) LD过程中建造头的示意图。 (c-h)使用LD工艺可能得到的不同成分梯度合金示意图。这包括从一种合金到另一种合金的梯度的形成和金属基复合材料(g h)的形成。
本质上，任何AM技术都可以用来制造梯度合金。根据定义， AM意味着一个部件是在一个“添加”的过程中一次制造一层。正因为如此，沉积在前一层上的材料的成分总是不同的，无论原料是聚合物、金属粉末或金属丝。然而，一些AM技术更有利于原料组成的改变，特别是那些在建造头将原料引入加热源而不是在工件中。虽然梯度合金在很大程度上只在聚合物和金属中使用LD进行了演示，但也可以考虑其他技术。双弧喷涂和热喷涂涂层采用金属丝或粉末为原料进行喷涂沉积。在这两种技术中，可以将两根或更多的金属丝或粉末引入建筑头(或喷枪)来制造梯度合金。使用需要粉末床的AM技术制造梯度合金更具挑战性，就像使用DMLS一样。
为了改变成分，粉末必须从系统中排出，修改，然后重新引入到工件上，以创建梯度。相比之下， LD是制造梯度合金的最佳技术，因为粉末金属原料被喷射到由激光产生的熔体池中。今天的商用LD系统允许多达四个不同的原料喷嘴将粉末输送到激光器，从而形成几乎无限的潜在梯度组合。上图图(a)显示了RPM Innovations使用LD生产的几种成分梯度合金。图(b)显示了构建头的原理图，在YAG激光器中引入了4个粉末喂料器。在LD工艺中，激光熔化每一层，使粉末合金并与前一层形成冶金结合。构建时间缓慢，零件显示大量的余热，导致冷却后退火的微观组织。根据最终部分所需的机械或物理性能，梯度合金可以被设计成从一种金属到另一种金属的平稳梯度过渡，或者可以进行大的组成步骤。平滑的分级可能有利于降低内应力(如承受较大温度梯度的部件) ，而阶梯梯度可能有利于性能的急剧转变(例如磁性) 。在任何情况下，增材制造工艺允许对金属部件的性能进行更大的控制，而不是以前的任何冶金技术。
类似地，在商业纯钛上添加陶瓷TiO2相，通过快速将TiO2颗粒冷却至细粒结构，并在体外研究期间增加细胞与材料的相互作用，将表面硬度提高了四倍。 TiC颗粒还被用作Ti6Al4V直接激光沉积技术中的增强材料，通过共晶和初生TiC相以及固溶体中的碳的存在，硬度增加了近94%（图5a-n）。作为增强相添加百分比的函数，复合材料的极限抗拉强度也增加了12.3% ，这表明用户可以在所需区域定制复合材料的机械性能。 Ti6Al4V中还引入了TiN颗粒，使用透镜增加硬度和耐磨性。 Ti6Al4V合金的平均硬度从394?±?8高压至1138高压?±?61高压， 40高压重量百分比锡增强。涂层用40?锡的重量百分比显示出最高的耐磨性，为3.74%?×?10?6.?mm3/Nm ，低于激光加工CoCrMo合金的磨损率1.04?×?10?5.?mm3/Nm ，在相同的实验条件下测试。
各种陶瓷涂层也被应用到钛上，以制造用于生物医学应用的金属-陶瓷复合材料。在体外试验中，添加磷酸钙后，硬度和成骨前体细胞系1（OPC1）细胞增殖显著增加，同时促进了生物矿化，而添加磷酸钙后，与原始钛基材料相比，耐磨性降低了92% 。发现激光功率从400增加到500?W和/或粉末进料速度从9到13?g/min增加了涂层厚度，但增加激光扫描速度降低了涂层厚度。