功能梯度材料(Functionally Gradient Materials,FGM)是为适应现代航天航空等高技术领域的需要,并满足在极限环境下能反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。其成分和结构呈连续的梯度变化,从而使材料的力学、热学和化学性能等按照设计呈连续地变化,以达到适应不同性能需求的目的。本文研究功能梯度材料的激光快速成形制备技术。通过精确控制两种或多种材料粉末的输送和相应的工艺可以实现材料组成、微观组织结构和性能的梯度分布及多种材料的集成。进而可发展成为集材料设计、制备、加工成形于一体化智能制造技术。　　 激光快速成形系统是实现钛基功能梯度材料激光快速成形制造技术研究和产业应用的首要环节,也是最为重要的一个环节。激光快速成形系统由激光器、惰性气体动态保护系统、运动执行系统、送粉系统、质量控制系统及控制软件六个模块构成。钛合金的化学性质非常活泼,与空气中的氧、氮、碳等杂质具有很强的亲和力。钛合金在激光快速成形过程中,熔池及热影响区在激光的高温照射作用下,极易氧化,将严重影响沉积层的性能,因此动态惰性气体保护箱是本系统的核心部件。　　 在众多影响激光快速成形钛基FGM因素中,成形层材料体系是一个主要因素,它直接关系到FGM服役性能。本文选择Ti6Al4V和纯Ti作为成形层材料主要成分可以有效提高与基体浸润性,实现成形层与基体的良好过渡,还可以使制备的成形层在提高耐磨性的同时保持钛合金密度低、比强度高等优良特性。强化相选择和钛合金密度相近的TiC,有利于使粉末混合均匀,成形后成分分布均匀。TiC与Ti的热膨胀系数相差不大,这样在冷却过程中不会产生很大的应力,能有效防止裂纹的产生,提高成形材料质量。在添加方式上选择原位自生的方法,即在成形粉末中添加Cr3C2陶瓷粉末,通过与Ti反应得到TiC。此法制备的增强体表面无污染,与基体结合良好,增强体的大小、分布均匀,热力学计算表明,原位自生方法可行。强化相在FGM中被设计成幂函数形式分布,并对FGM的弹性模量、泊松比、热膨胀系数、密度以及热导率等物性参数进行估算。有限元计算表明,钛基功能梯度材料单层厚度为1mm,最少层数为6层,形状分布因子为P=0.5时所设计的FGM热应力缓和最明显。　　 通过混合粉末激光快速成形实验,获得最优参数组合,即激光功率、扫描速度、送粉速率、离焦量、搭接率等。根据上述实验数据制订激光快速成形FGM工艺规范及工艺参数图表,并以此为指导制备FGM样件。　　 激光快速成形功能梯度材料宏观和微观形貌分析表明成形层与基体结合良好,成形层组织均匀致密,没有气孔、裂纹等缺陷。成形层与钛合金基体能够形成良好的冶金结合,结合面具有很高的强度。X射线衍射谱分析表明,激光快速成形的相结构主要由Ti、TiC和少量的TiCr2相组成,表示原位反应设计合理,得到强化相TiC。显微硬度分析表明从成形层到基材的显微硬度呈现梯度下降,成形层硬度最高,大约是基材的3倍,由于基材元素的混入使得结合区硬度下降。梯度成形层的显微硬度稳定表明其在相同厚度区域具有均匀的力学性能,有利于成形层在受到外力作用时保持稳定。　　 摩擦磨损试验在SRV-3摩擦磨损试验机上进行,试验条件为室温大气干滑动摩擦磨损,对磨副为GCr15钢球,采用摩擦磨损试验机自带的标准附件记录摩擦系数,在表面形貌仪上测定试件的磨痕,计算体积磨损量,并采用扫描电镜观察磨损表面形貌,以此评价梯度成形层的磨损性能。基材的摩擦系数平均为0.9,FGM的摩擦系数为0.9～1.0之间,在相同室温大气干摩擦滑动条件下,基材的体积磨损量为0.127mm3,成形层体积磨损量为0.002723mm3,基材的体积磨损量是成形层的46.6倍,说明TiC增强的成形层耐磨性能良好。磨损机制分析表明FGM以磨粒磨损为主,存在少量的粘着磨损,基材以氧化磨损和磨粒磨损为主。　　 高温滑动磨损试验在GW/ML-MS型高温销盘摩擦磨损试验机上进行,采用摩擦磨损试验机自带的标准附件记录摩擦系数,在表面形貌仪上测定试件的磨痕,计算磨损体积,并用扫描电镜观察磨损表面形貌。500℃高温下,Ti6Al4V和成形层的磨擦系数分别为0.32和0.37,Ti6Al4V的磨损量明显比成形层的磨损量大,磨损体积比为2.86。高温下摩擦系数较室温时有明显的降低,表明高温下摩擦表面形成氧化膜具有减摩效果。在500℃高温干摩擦条件下,成形层与基材磨损体积比为1/2.8。因为钛的氧化物减磨作用,摩擦系数较室温下较有大幅下降,成形层中TiC强化相的“骨架”是抵抗磨损的主要原因。　　 综上所述本文将金属材料领域先进的功能梯度材料和先进制造技术—激光快速成形两种技术有机结合,研究激光快速成形系统、工艺,FGM设计和制备技术、性能分析测试等技术,这对于提高材料的使用性能是十分必要的,具有重要的军事和经济意义。