根据3D科学谷《(六）多材料的CAD设计 l 多材料和蜂窝超材料的3D打印设计、特性、应用、挑战》，材料或形态梯度的排列决定了多材料组件的特性和功能。在多材料AM-增材制造组件中，可以使用异质成分过渡或平滑的浓度梯度来消除明显的边界。在集成一体化结构中采用多种材料可以提高功能，减轻重量，并通过将组装和生产结合到一个结构一体化的加工步骤中调整制造工艺。总之，可以通过将多种材料组合成一个集成组件来设计所需的特性。
本期，通过节选近期国内科研机构在多材料增材制造方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。
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316L激光粉末床熔覆IN718偏析带形成过程的模拟
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沈盟凯1,2,3董太宁4葛鸿浩1,2,3石新升1,2,3张群莉1,2,3刘云峰2,3姚建华1,2,3
浙江工业大学机械工程学院2. 浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室3. 浙江工业大学激光先进制造研究院4. 杭州汽轮动力集团股份有限公司
摘要：
异种金属在激光熔覆、焊接等热加工成型过程中易出现偏析带，偏析带常与凝固裂纹伴生，直接影响加工成型后的力学性能。为了研究异种金属材料冶金结合时偏析带形成机制及其演化规律，本工作将元胞自动机方法和Eulerian多相流算法相结合，建立了在316L不锈钢上激光熔覆IN718合金的二维熔化凝固模型，系统研究了激光熔覆过程中的温度场、熔池形貌、熔体流动以及元素分布的演化过程。
通过对比熔池几何尺寸和晶粒取向验证了模型的合理性，对比x方向和y方向上的Fe元素含量分布来验证模型的可靠性。模拟结果表明，316L不锈钢基板上激光熔覆IN718合金冶金结合过程中出现了Fe、Ni元素富集、贫瘠交替分布的偏析带，与实验结果吻合较好。通过分析熔池中Fe元素的分布、熔池形貌和熔体流态的演化过程，该偏析带是熔池凝固过程中流体流动与熔池形貌变化不协调的结果。
高熵合金/陶瓷复合点阵结构成形及性能研究
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平子龙
中国矿业大学
摘要：
高熵合金/陶瓷复合点阵结构在冲击防护、隔热减震等多功能防护领域展现出巨大优势。高韧性高熵合金材料、高强度陶瓷材料相结合形成具有吸能效应的点阵结构,可制造出抗侵彻性能的复合体,在军工装甲、航空航天和煤矿安全领域具备广泛的应用前景。本文利用凝胶注模成形工艺将采用选区激光熔化技术(SLM)制备的FeCoCrNiAl高熵合金(HEA)的点阵结构预制体与SiC和FeCoCrNiAl混合粉末的浆料进行复合,经脱脂和振荡压力烧结后得到高熵合金/陶瓷复合点阵结构烧结体。
本课题重点研究了激光工艺参数对高熵合金点阵结构成形的影响;分析了凝胶固化、坯体干燥收缩、浆料流变特性对凝胶注模工艺的影响;阐明振荡压力烧结工艺条件-复合体的微观结构-力学性能之间的关系。
主要研究结论如下:
(1)FeCoCrNiAl高熵合金点阵结构增材制造成形。寻求激光功率、扫描速度、体能量密度对高熵合金选区激光熔化成形的最优工艺窗口。通过优化激光工艺参数,进而提升成形样品综合质量,随着激光功率增加,微熔池内熔体的粘度降低,液相湿润性得到改善,但激光功率过高时产生微裂纹和孔洞现象。当激光功率达到170 W时,使SLM成形材料的相对致密度高达99.05%,抗压强度为114.90 MPa。
(2)高固含量、低粘度、稳定性优异的SiC陶瓷基复合浆料制备。分析固含量和温度对坯体干燥收缩机制的影响;得出随着引发剂含量和温度的增加,浆料聚合诱导期及固化时间缩短;当球磨时间增加、有机单体添加量增大,固含量减小时,复合浆料粘度降低。最终制备出固相含量为56 Vol%、粘度为365 m Pa·s的高固相、低粘度的陶瓷浆料。
(3)FeCoCrNiAl/SiC复合点阵结构烧结体制备及性能研究。将选区激光熔化、凝胶注模、热脱脂和振荡压力烧结工艺相结合,制备出复合点阵结构烧结体。随着振荡压力增大至20±5 MPa时,高熵合金/陶瓷烧结体孔隙数量明显减少,无粗大裂纹,且两相界面连接致密、分界明显,相对密度达到91.2%,FeCoCrNiAl/SiC烧结体的抗压强度为432 MPa,属于脆性断裂。
面向3D打印应用的PP/PET共混线材制备和性能
王重阳1王艳1曹帅1豆保平1赵新宇1邱帅1王绎苏1张鸿1郭静1王胜法2权慧欣3
大连工业大学纺织与材料工程学院2. 大连理工大学软件学院国际信息与软件学院3. 大连医科大学附属第一医院
摘要：
为了拓展聚丙烯（polypropylene,PP）在3D打印技术中的应用，并改善其力学性能，采用熔融共混的方式将PP与聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate,PET）挤出，制备PP/PET共混线材。分析不同PP,PET混合比例的共混线材的流变行为、结晶结构、熔融和结晶行为、微观形貌结构、力学性能以及3D打印试样的力学性能。
结果表明：PP/PET共混物的黏度随剪切速率的提高而下降，表现出切力变稀行为；在PP结晶过程中，PET充当成核剂的角色，且没有改变PP的晶型；PP的熔融温度在150℃左右，结晶温度随PET含量增加而提高；PP基体和PET分散相存在明显的“海-岛”结构，其中PET为“岛”相，直径为2～5μm；共混线材的拉伸强度随PET含量的增加不断提高，同时，3D打印试样的拉伸强度和冲击强度提高，而由于层间界面作用3D打印试样的力学性能普遍低于共混线材。
激光熔覆镍基高温耐磨合金的组织及性能
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李胜雷、远涛、伍文星、申龙章、陈勇、朱红梅、邱长军
南华大学超常环境下装备安全服役技术湖南省重点实验室
摘要：
通过增加IN718合金中(Ti+Al)含量制备一种镍基高温耐磨合金，以满足超临界机组镍基合金阀门密封面再制造的需求。采用万能试验机、摩擦磨损试验机、XRD、SEM等仪器和JMatpro软件研究该合金激光熔覆试样的组织与性能。
研究结果如下：当IN718合金的(Ti+Al)含量增加至7.6%时熔覆层会出现开裂；当IN718合金的(Ti+Al)含量增加至6.6%时，其激光熔覆试样初始平均硬度值为40 HRC，抗拉强度为998 MPa，延伸率为5.2%，室温摩擦因素为0.75左右，磨损量为0.327 5 mm3，主相为γ相和γ′相，700℃×10 h时效处理后平均硬度值为54 HRC,700℃摩擦因素为0.35左右，磨损量为0.024 mm3，主相γ′占53%。研究结果表明，IN718合金中(Ti+Al)含量增加至6.6%时具有良好的激光熔覆工艺性能和高温摩擦磨损性能，可应用于超临界/超超临界机组镍基合金阀门密封面的维修与再制造。
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