功能梯度材料(Functionally Graded Materials, FGM)是指化學成分或結構在空間上按照預期設計逐漸變化以實現特定性能的材料[1]。其概念最早是由日本科學家在20世紀80年代提出。不同于傳統的復合材料，FGM是在兩種材料之間加入一個逐漸變化的梯度層，以此來降低內部應力。Huang等人[2]采用粉末冶金法制備了以6061-T6鋁合金板為基體的功能梯度Al203-ZrO2防彈復合材料，梯度結構可以避免分層，減少周向和徑向裂紋的擴展，增加各陶瓷層對彈丸的磨蝕作用，提高抗沖擊性能。此外，基于材料基因工程理念，結合高通量計算與表征，具有連續成分分布的FGM還可用于材料成分的設計與優化，加快新材料開發。Coury等人[3]選取Fe50Mn50和Co50Ni50合金以及純Cr三種組元制備連續梯度材料，結果表明，使用高通量納米壓痕的方法可以快速檢測屈服強度，將成分預測和納米壓痕高通量實驗相結合，可大大減少實驗數量。

　　目前，缺乏合適的制造技術是限制FGM發展的主要瓶頸。增材制造作為一種高自由度的近凈成形技術，逐漸成為FGM研究和制造的理想手段。首先被采納的是激光直接沉積技術(Direct Energy Deposition, DED)通過改變供料配比實現從成分A到成分B的梯度過渡，但該方法只適用于大尺寸簡單結構的多材料零件制備。另一方面，具有更高精度的選區激光熔化技術(Selective Laser Melting, SLM)讓高精度FGM制備成為可能。

　　近期，曼徹斯特大學的Lin Li團隊發表了關于SLM和LIFT技術實現梯度功能材料從微觀到宏觀制備的科研成果，文章指出：“基于SLM的梯度功能材料打印具有更高的靈活性和更大的應用潛力。”三帝科技研發總監趙浩博士認為：“基于SLM的FGM打印是‘材料基因組計劃’中的一種高效的高通量材料制備及材料篩選方式，即材料篩選模式從‘逐一(1-by-1)’變為‘逐批次(set-by-set)’，微觀上方便了各高校、院所的材料開發工作，宏觀上有助于推動材料科學的發展。”

　　在國內，三帝科技旗下隆源成型在其推出的專利設備AFS-M120X中實現了水平方向上的梯度粉層穩定鋪放，并結合與之配套的AFSwin-X梯度工藝軟件，能夠滿足分區變速、變功率的梯度材料打印需求，從而實現高精度、可控梯度的FGM零件制造。目前，該機型投入使用2年多，已面向多家科研用戶完成了CoCrMo-316L、梯度高熵合金、Inconel718-316L等梯度功能材料的工藝開發，制備FGM零件20余件、材料表征樣品300余件。

　　圖：隆源成型梯度金屬3D打印設備AFS-M120X

　　圖：梯度材料制備示意

　　圖：梯度粉層鋪放

　　目前，通過增材制造技術制備的梯度合金均是以垂直制造方向作為梯度變化方向，主要是以層間換粉的方式實現，依然存在組分比例精確控制的問題，無法形成連續梯度。而AFS-M120X設備的出現徹底解決了這一問題，通過該設備制備的梯度合金零件不再是粗糙的小型棒狀試樣，而是具有極高外形精度，結構復雜的連續梯度材料制件。“這是增材制造技術的一次飛躍”，隆源成型合作單位北京科技大學新材料技術研究院的張百成副教授指出，“另外我們也成功解決了混合粉末分離重復利用的問題，從材料成本角度解決了梯度材料/多材料增材制造的瓶頸”。

　　圖：316L和CoCrMo連續梯度合金制備圖示

　　圖：CoCrMo-Inconel718 連續梯度合金

　　圖： AFS-M120X打印的316L和CoCrMo合金一體成型樣件

　　圖： AFS-M120X打印的1.2709模具鋼和316L不銹鋼一體成型樣件

　　諸多實驗表明，通過隆源成型AFS-M120X可快速得到機械性能好、致密度高的復合材料，使高通量材料制備和FGM產品研發成為可能，在“材料基因組計劃”、新材料開發、航空航天、汽車、醫療、模具加工等領域具有廣闊的應用前景。

　　【關于三帝科技】

　　北京三帝科技股份有限公司(3D PRINTING TECHNOLOGY, INC. )(以下簡稱“三帝科技”)是一家專注于智能裝備、服務型制造的國家級高新技術企業，致力于3D打印設備、相關智能軟件、材料及工藝，3D打印康復醫療應用的研發、生產、銷售，及分布式制造服務。注重3D打印自主技術研發和產業化規模應用，目前已創建了云制造服務平臺，并建立了十余個3D打印智造服務中心，逾千家設備及加工服務用戶遍布航空航天、汽車、船舶、科研院所、教育、文創、康復醫療等領域。旗下主要品牌包括隆源成型、七號科技、環球精博等。

　　隆源成型專注工業級3D打印，1994年研制成功國內首臺自主知識產權的工業級3D打印機，通過自主研發的SLS選區激光燒結、SLM選區激光熔化、噴墨式3D打印、DED定向能量沉積、建筑打印等系列智能裝備，為用戶提供快速鑄造、快速模具、數字雕塑、金屬功能件直接制造、增等材、智能化建造等解決方案。

　　參考文獻

　　[1] Saleh B, Jiang J, Fathi R, Al-hababi T, Xu Q, Wang L, Song D, Ma A. 30 Years of functionally graded materials: An overview of manufacturing methods, Applications and Future Challenges[J]. Composites Part B: Engineering, 2020, 201: 108376.

　　[2] Huang C-Y, Chen Y-L. Design and impact resistant analysis of functionally graded Al2O3–ZrO2 ceramic composite[J]. Materials & Design, 2016, 91: 294–305.

　　[3] Coury F G, Wilson P, Clarke K D, Kaufman M J, Clarke A J. High-throughput solid solution strengthening characterization in high entropy alloys[J]. Acta Materialia, 2019, 167: 1–11.

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