以下文章来源于江苏激光产业技术创新战略联盟 ，作者红红
增材制造技术由于其独特的技术优势而得到快速增长和改变了现有的制造先进材料的制程。其中一个比较典型的例子就是功能梯度材料（FGM）的制造。FGM，总的来说，是一类工程材料，定义为在整个体积范围内，从一种材料的成分和/或显微组织逐渐的改变成另外一种材料，导致基于位置而造成性能的变化。本期为采用直接能量沉积进行增材制造功能梯度金属材料系列之三。
解决连接接头失效问题
从钛合金到铁基合金的梯度过渡
一个历史上面临的困难和非常受欢迎的梯度材料就是自钛合金到铁基合金的梯度材料。例如，高质量的钛合金和钢的连接接头在核电，航空航天等工业中均有很大的需求。尽管需求很旺盛，但钛合金和铁基合金的接头在目前依然是不管是采用熔化焊接技术还是非熔化焊接技术，均没有取得成功。钛和铁混合会导致宏观裂纹和分层，其原因是形成了脆性的金属间化合物相，如FeTi 和Fe2Ti。不同的热膨胀系数和熔点的差异也是连接接头失效的原因。扩散焊接在连接纯钛和304不锈钢的时候取得了成功。结果发现在不锈钢的一侧的扩散区比在钛合金一侧的扩散区要小。存在的金属间化合物相如 Fe2Ti, Cr2Ti, FeTi被证实在反应区的存在是连接界面弱的原因。
Fazel-Najafabadi 等人和 Liao等人利用搅拌摩擦焊实施了纯钛和钢铁的焊接。他们的结果证实了金属间化合物在混合区的存在。因此，非熔化焊接技术并不能避免形成Ti-Fe金属间化合物，更何况在采用熔化焊接技术的时候热动力学的作用促进了金属间化合物的形成。为了解决这一问题，一些研究人员研究了采用一个金属/合金作为中间过渡层来焊接钛合金和不锈钢的研究。一些成功的案例被引入到作为中间层，如Cu, Mg, Ni, Ag, Al和 V等。尽管采用了中间过渡层，Ti-Fe或其他金属间化合物也仍然存在了连接的接头处而加速或加剧了接头的弱化。换言之，金属间化合物在熔化焊的过程中采用金属过渡层并没能很好的解决。AM-FGM技术可以提供一个新的熔化工艺来制造自钛合金向不锈钢的梯度过渡。陡峭的自钛合金向不锈钢的梯度过渡同异种材料的连接非常类似。在过渡区中的金属间化合物会导致微裂纹或弱的梯度过渡区的连接。因此，中间过渡金属/合金需要存在一个过渡层来减轻脆性金属间化合物的作用。
Sahasrabudhe等人尝试不使用中间过渡层而直接在钛合金上沉积不锈钢。这一AM技术制造的双金属SS410和Ti-6Al-4 V合金在没有中间过渡层的时候没能成功。其相应的残余应力的存在对宏观裂纹和分层起主要责任。图1所示为Ti-6Al-4 V和SS316在没有采用中间过渡层时所得到的界面。裂纹可以清晰的观察到垂直于界面进行扩展。此外，在截面处的硬度呈现自115Hv向275HV进行突然的增加，其截面存在金属间化合物Cr2Ti, Fe2Ti和FeTi，被XRD所证实。Sahasrabudhe 等人实施了一个简单的计算，假设没有其他的相形成和发现在Ti-6Al-4 V 处的热应力比SS316一侧小四分之一。在第二次尝试中，采用了 NiCr中间过渡层。使用 NiCr中间过渡层，自钛向不锈钢的梯度材料实现了成功的制备，如图1所示。更多的研究揭示了更多的Ni扩散在 Ti-6Al-4 V合金中，比Ti在NiCr中的扩散要多，导致形成 NiTi 和 Cr2Ti相。这一扩散确实有益，这是因为它阻碍了Ti向Fe的移动。然而，Ti和NiCr合金的界面在这里并没有很好的进行详细的研究。
图1 (a) 采用LMD技术进行沉积的工作状态图；(b)采用 NiCr中间过渡层来连接 Ti-6Al-4 V和 SS410的连接界面；(c) 在没有采用中间过渡层进行连接的时候，Ti-6Al-4 V 向 SS410 过渡时的分层；(d)使用 Ti-6Al-4 V在 SS410 不锈钢上直接进行沉积，在使用（ｄ）和不使用（ｅ）中间过渡层时的横截面的SEM照片
Reichard等人尝试了一个通过引入V作为中间过渡金属，减轻脆性的 Fe-Ti 金属间化合物的形成．结果陡峭和平缓过渡的自 Ti-6Al-4 V向 V和向 304 L过渡的梯度材料得以实现．然而，制造过程得以中止，在于 Fe含量在层中的增加造成分层．至于陡峭的过渡，XRD分析结果证实 FeTi金属间化合物在分离层中存在.事实上，甚至是少量的Ti和Fe的混合也会导致在制造中间损坏．纳米压痕测量揭示了弹性模量的变化和硬度沿梯度的变化情况．其变化发生在元素分离的位置和局部元素改变的位置，大多数同 α向 β-Ti 过渡有关。
图2 (a) 陡峭和平缓过渡的自Ti-6Al-4 V 向 V和向SS304 L进行梯度过渡的示意图; (b)纳米压痕测量(硬度和弹性模量) 沿着陡峭的梯度进行变化的结果;(c)在平滑过渡的梯度中裂纹边缘处的 EBSD和EDS .采用 Thermo-Calc 软件得到的 Fe-V-Cr等温伪三元相图显示一个简单的线性路径以及替换的一个避免 σ-相形成的路径
至于自SS304 到 V 到 Ti-6Al-4 V的平缓过渡, EBSD 和EDS 相图证实了sigma (σ) 相在裂纹边缘的存在,如图2c所示,σ相是一个亚稳脆性相,是在 Fe-V 和 Fe-Cr相中比较著名的存在.在 Fe-Cr系统中,不锈钢包含20 wt. % Cr, σ-Fe-Cr相自 δ-Fe 相中析出和弱化了焊接性和机械性能.在 Fe-V系统中这一情况更加严重, σ-相的形成机会是Fe-Cr 系统中的20倍还要多.Fe-Cr系中添加V会增加σ-相的形成.通常来说,σ-相的形成在850 °C左右具有最大值,因此,在850 °C的 Fe-V-Cr 三元等温截面来预测σ相的形成见图2d.假设自SS304 L向 V 的梯度过渡遵循图2d中的点线,其路径的横断面为σ-相的形成场.此外,V的含量自 ∼16 %向 ∼45 %变化将规避σ-相的形成.两个梯度路径是可能的:一个路径是不连续的跳跃成分规避σ-相的形成范围,或者增加第四种元素,如此处增加了Cr来实现。
Bobbio等人也检查了自Ti-6Al-4 V向 SS304 L合金过渡时添加V作为中间过渡截面,每一截面的含量为25%.制造中间的裂纹发生和持续制造的中止发生在向SS304L过渡之前.证实脆性的 σ相是形成裂纹的原因.避免脆性的 Ti-Fe金属间化合物相形成的关键是找到一个中间过渡金属来作为过渡的成分.然而,一个元素不能避免形成脆性的金属间化合物相,如前面所讨论的.并且也不存在一个元素在Ti和Fe中均存在足够的溶解度.一般是在Ti中有足够溶解度的元素,在Fe中就比较小,从而容易和Fe形成脆性金属件化合物相.因此,多层过渡层被作为一个方案来确保没有脆性金属间化合物相的形成.使用前面 Reichardt的经验,Li等人尝试避免 Ti-Fe金属间化合物相的形成,是采用在Ti-6Al-4 V 向 SS316 过渡时引入多个过渡层来实现,即Ti-6Al-4 V → V → Cr → 纯铁 (Fe) → SS316.V在Ti中具有较高的溶解度,适合作为中间过渡层.V和Cr呈现出较差的溶解度,纯铁是SS316不锈钢的兼容元素.设计的过渡成分的路线,以及EDS的点线测试结果和显微硬度的结果,见图3所示.基于Li的研究,过渡路径的有效性规避了Ti-Fe金属间化合物的形成. XRD结果证实了这里不存在金属间化合物.显微硬度结果证实这里在梯度变化时存在少许的变化,证实了Ti6Al4V向SS316 过渡的成功设计.然而,这一工作只是报道了这个过渡的可行性,并没有i同这一梯度的更深入的研究。
图3. 自Ti-6Al-4 V 向 SS316 梯度变化时的样品设计和准备(a);EDS点分析结果(b)和显微硬度结果(c).
Onuike和 Bandyopadhyay也发展了一个采用Nb作为中间过渡层来制造 Ti-6Al-4 V/SS410双金属,如图4所示.SEM结果揭示了在界面处不存在裂纹和分离.一些元素如Ti, V和 Nb的向上扩散被EDS所证实.XRD分析证实峰为 FeNb和 β-Ti 以及其他相.可能的脆性相如 FeTi和 Fe2Ti 并没有被发现,显示Nb作为过渡扩散阻挡层的有效性.避免了脆性相的形成,梯度结果证明剪切强度和压缩强度同SS410不锈钢相比分别增加了 14 %和 69 % .总的来说,形成Ti-Fe梯度合金的挑战在于Fe在金属中的兼容性同Ti中兼容的V和Nb以及Mo不兼容.一些研究人员报道了采用增加更多的异种过渡层的办法来克服这一问题,使得这一系统变得更加复杂而带来新的挑战。
图4 (a-d) 自 Ti-6Al-4 V 向SS410过渡,引入的中间过渡层位Nb时梯度合金的SEM所揭示的界面 ; (e) 制造的梯度合金;(f)梯度合金的剪切强度和 0.2 % 屈服强度同Ti-6Al-4 V和 SS410合金的对比
图5. 图4研究结果中的更多细节研究结果
l 文章参考来源：
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，Functional bimetallic joints of Ti6Al4V to SS410，Additive Manufacturing，Volume 31, January 2020, 100931，https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100931
l 文章来源：江苏激光产业技术创新战略联盟
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