2022年8月，工業和信息化部發布了《首批增材製造典型應用場景名單》，經過地方推薦、專家評審、社會公示等程序，形成了首批增材製造典型應用場景，共有工業、醫療、建築、文化等領域的36個優質應用場景入選。
為加快增材製造先進技術與裝備應用推廣，中國增材製造產業聯盟設立「增材製造典型應用場景案例專欄」，從需求痛點、案例介紹、技術先進性、應用成效、下一步計劃等角度立體展示優秀成果案例。
近日，中國增材製造產業聯盟發布了該專欄的第三期案例—「航天發動機關鍵零部件多材料一體化製造」。
/ 背景概述
（一）需求痛點
為了適應新一代航空、航天結構「輕量化、梯度化、結構功能一體化」的發展趨勢，克服極端工作溫度、大跨度載荷等多約束條件對金屬材料性能的影響，功能梯度材料應運而生。傳統粉末冶金、焊接等功能梯度材料的製造方式具有一定的局限性，制約了新型材料結構在航空航天等領域的應用，急需合適的新工藝，金屬增材製造是一種非常具有潛力的新型加工技術。
（二）解決方案
雷射定向能量沉積技術（Laser direct energy depositionLDED），又稱為雷射直接製造（Laser direct manufacturing，LDM），其原理是基於離散-堆積的思想，採用雷射作為熱源，熔化同步送入熔池的金屬粉末，層層堆積，直接製造出實體結構。
在LDM 技術中，雷射作為熱源將粉末與基體表面加熱至熔化，熔池快速凝固後形成沉積層，在這個過程中，通過改變多種合金粉末的配比，就可在零件的任意位置獲得所設計的材料成分、組織結構和性能，進而實現高性能梯度功能材料、多材料一體化製備和最終成形，成為集材料設計、加工製備於一體的智能化、柔性化製造系統。
/ 案例—TC4基材表面梯度功能塗層製備
（一）案例描述
鈦合金具有良好的力學性能和耐腐蝕性能，由其製造的金屬結構部件已經廣泛應用於航空、航天等領域，但鈦合金的耐高溫性能不足，通過材料梯度化提高鈦合金的耐高溫性能具有重要意義。通過雷射熔覆，在TC4基材表面製備出了連續過渡的梯度功能塗層：
（1）採用RC-LDM8060型雷射增材製造設備製造Ti6Al4V/Inconel718功能梯度材料
該系統由YLS-3000光纖雷射器、同軸送粉雷射頭、雙桶送粉器以及3軸數控工具機等組成。在氬氣保護的密封箱體內進行，在TC4基材表面製備出的功能梯度塗層組織緻密，成分性能連續過渡，如下圖所示。
梯度塗層宏觀金相圖和各區域顯微組織（ae 由 TC4 基材至頂部 IN718 塗層）
成分變化以及顯微硬度變化（由基材至梯度塗層頂部）
（2）採用RC-LDM8060型雷射增材製造裝備製造Ti6Al4V/Inconel625功能梯度塗層
該系統由 YLS-3000 光纖雷射器、同軸送粉雷射頭、雙桶送粉器以及3軸數控工具機等組成。在氬氣保護的密封箱內進行，在TC4基材表面製備出的功能梯度塗層組織緻密成分性能連續過渡，如下圖所示。
梯度塗層宏觀金相圖和各區域顯微組織（ad 由 TC4 基材至頂部 IN625 塗層）
成分變化以及顯微硬度變化（a、b、c 依次為底頂三個結合區域的元素變化）
（二）技術水平及先進性
該類增材製造裝備在功能梯度材料的製備上首次集成了多通道送粉裝置，可同時支持最多六種金屬粉末的輸送，並開發了專用的混粉功能模塊，實現多路金屬粉末的原位均勻混合。針對多路送粉功能開發了送粉控制軟體，研究人員可通過預先的材料成分設計，實時更改增材製造過程中材料的配比，實現均勻過渡。
/ 應用推廣成效
中科煜宸已為多家科研院所及高校定製生產了多台多材料高通量列印專用設備，滿足了對梯度材料、高熵合金等的開發需求，其成果已廣泛應用於航空、航天、汽車、船舶、模具等行業，有力推動了技術的發展。同時，也為工業製造領域的終端用戶提供了上百套智能金屬雷射增材製造裝備。中科煜宸已成為國內工業化金屬雷射增材製造裝備的主要供應商之一，並與客戶合作完成多型增材製造產品的開發。
TiC 顆粒增強鈦基梯度材料
鈦鋁梯度材料
/ 下一步提升及推廣
下一步，中科煜宸將利用同軸送粉技術多材料復合製造的技術優勢，實現鈦合金-鈦鋁合金、高溫合金-不鏽鋼、高溫合金-銅合金等的功能梯度材料/結構製備研究，進行異種材料的立體成型，火箭發動機尾噴管等的一體化製造研發。
撰寫單位：南京中科煜宸雷射技術有限公司