多材料功能结构一体化激光选区熔化增材制造机理研究

Selective Laser Melting (SLM) principle and multi-material forming device are adopted to achieve integrated additive manufacturing of material, structure and performance of parts around the multi-material composition design, SLM forming process and performance research. The content of the project covers various part information such as the material composition, the geometric features, the material body and the physical properties of the microstructure unit, and the new technology research of the combination of the information and SLM forming technology. The digital relationships between performance and material ontology, performance and materials ratios, performance and structure ontology are achieved. To take forming precision parts using new multi-material synthesis materials and gradient materials as the goal, and to take research and application of laying powder and feeding of multi powder materials, and multi-phase reaction process as a means to verify and realize the practicality of digital materials and digital structure. The project aims to realize the direct manufacturing of parts with various metal materials using SLM technology, which will break the limitation of SLM technology that can manufacture only single material so far; and it provides a new way for alloy design and customization of component with different performance in different portion. Based on the principle of in situ synthesis, a process for obtaining new material and new alloy using the solid-gas multi-phase chemical reaction is proposed, which provide a new method for additive manufacturing of multi-material parts.

采用激光选区熔化成型（SLM）原理和多种材料成型装置，围绕多种材料的成份设计、SLM成型工艺和性能研究，实现材料、结构与性能的一体化增材制造。项目内容涉及到零件的材料构成、几何特征、材料本体及微观结构单元的物理属性等多方面信息及其与SLM成型技术结合的新技术研究。实现性能与材料本体及不同材料比例间的数字化关系、性能与结构本体间的数字化关系。以成型制造多种材料合成的新材料、梯度材料的精密零件为目标，以多种材料的粉末铺设、送给以及多物相间的反应工艺研究和应用为手段，验证和实现数字化材料、数字化结构的实用性。项目拟实现多种金属材料的SLM直接成型，打破了目前SLM技术只能制造单一材料的限制，为合金设计和单一零件不同部位成分性能的定制提供了新的途径；提出的基于原位合成原理的固气多物相间化学反应获得新材料新合金工艺为实现多种材料的增材制造提供了新方法。

本项目通过搭建了多材料SLM成型设备：Dimetal-300，开展了z方向成型铜钢异质材料的研究，探究了铜钢异质材料对界面成型质量，力学性能的影响；通过优化工艺条件，探究了铜钢异质材料的界面结合机理和裂纹萌生特性。从成型机理研究出发，解决现有 多材料SLM 成型缺陷难题。同时，通过正向设计和逆向工程，建立隐式曲面特征单元结构，和基于生物体的自然特征单元结构，实现空间域结构的性能设计，提出了多材料结构的设计与制造方法，其中多材料结构包括双金属结构和四材料结构。基于激光粉末床熔融和定向能量沉积两种技术，研究了利用不同比例保护气（氮/氩）的通入，建立通气量和金属粉末在不同配比关系下原位合成陶瓷增强相，实现了选择性Ti6Al4V设计和原位合成TiN/Ti6Al4V三明治结构。增材制造双金属结构可以结合异种金属的优良性能，集成制造不需要额外的焊接工艺。通过结合铜合金良好的导电性和导热性和不锈钢具有相当的硬度、强度和良好的耐腐蚀性，有希望将铜钢SLM打印产品应用于模具镶块、冷却部件和火箭发动机推力室等。使用激光粉末床熔融技术与反应性气氛的灵活结合可实现选择性原位制造坚硬、耐磨和耐腐蚀的周期性层状的具有优异韧性和机械性能的新型陶瓷/金属异质材料部件。自由原位定制成分/梯度结构材料的材料-结构-性能一体化极大的提升了TC4合金的强塑性均衡，进一步扩展了TC4复合材料的应用领域，在生物医疗以及航空航天高性能力学材料需求上提供解决方案。