功能梯度材料（Functionally Graded Materials, FGM）是指化学成分或结构在空间上按照预期设计逐渐变化以实现特定性能的材料^[1]。其概念最早是由日本科学家在20世纪80年代提出。不同于传统的复合材料，FGM是在两种材料之间加入一个逐渐变化的梯度层，以此来降低内部应力。Huang等人^[2]采用粉末冶金法制备了以6061-T6铝合金板为基体的功能梯度Al203-ZrO2防弹复合材料，梯度结构可以避免分层，减少周向和径向裂纹的扩展，增加各陶瓷层对弹丸的磨蚀作用，提高抗冲击性能。此外，基于材料基因工程理念，结合高通量计算与表征，具有连续成分分布的FGM还可用于材料成分的设计与优化，加快新材料开发。Coury等人^[3]选取Fe50Mn50和Co50Ni50合金以及纯Cr三种组元制备连续梯度材料，结果表明，使用高通量纳米压痕的方法可以快速检测屈服强度，将成分预测和纳米压痕高通量实验相结合，可大大减少实验数量。

目前，缺乏合适的制造技术是限制FGM发展的主要瓶颈。增材制造作为一种高自由度的近净成形技术，逐渐成为FGM研究和制造的理想手段。首先被采纳的是激光直接沉积技术（Direct Energy Deposition, DED）通过改变供料配比实现从成分A到成分B的梯度过渡，但该方法只适用于大尺寸简单结构的多材料零件制备。另一方面，具有更高精度的选区激光熔化技术（Selective Laser Melting, SLM）让高精度FGM制备成为可能。

近期，曼彻斯特大学的Lin Li团队发表了关于SLM和LIFT技术实现梯度功能材料从微观到宏观制备的科研成果，文章指出：“基于SLM的梯度功能材料打印具有更高的灵活性和更大的应用潜力。”三帝科技研发总监赵浩博士认为：“基于SLM的FGM打印是‘材料基因组计划’中的一种高效的高通量材料制备及材料筛选方式，即材料筛选模式从‘逐一（1-by-1）’变为‘逐批次（set-by-set）’，微观上方便了各高校、院所的材料开发工作，宏观上有助于推动材料科学的发展。”

在国内，三帝科技旗下隆源成型在其推出的专利设备AFS-M120X中实现了水平方向上的梯度粉层稳定铺放，并结合与之配套的AFSwin-X梯度工艺软件，能够满足分区变速、变功率的梯度材料打印需求，从而实现高精度、可控梯度的FGM零件制造。目前，该机型投入使用2年多，已面向多家科研用户完成了CoCrMo-316L、梯度高熵合金、Inconel718-316L等梯度功能材料的工艺开发，制备FGM零件20余件、材料表征样品300余件。

图：隆源成型梯度金属3D打印设备AFS-M120X

图：梯度材料制备示意

图：梯度粉层铺放

目前，通过增材制造技术制备的梯度合金均是以垂直制造方向作为梯度变化方向，主要是以层间换粉的方式实现，依然存在组分比例精确控制的问题，无法形成连续梯度。而AFS-M120X设备的出现彻底解决了这一问题，通过该设备制备的梯度合金零件不再是粗糙的小型棒状试样，而是具有极高外形精度，结构复杂的连续梯度材料制件。“这是增材制造技术的一次飞跃”，隆源成型合作单位北京科技大学新材料技术研究院的张百成副教授指出，“另外我们也成功解决了混合粉末分离重复利用的问题，从材料成本角度解决了梯度材料/多材料增材制造的瓶颈”。

图：316L和CoCrMo连续梯度合金制备图示

图：CoCrMo-Inconel718 连续梯度合金

图： AFS-M120X打印的316L和CoCrMo合金一体成型样件

图： AFS-M120X打印的1.2709模具钢和316L不锈钢一体成型样件

诸多实验表明，通过隆源成型AFS-M120X可快速得到机械性能好、致密度高的复合材料，使高通量材料制备和FGM产品研发成为可能，在“材料基因组计划”、新材料开发、航空航天、汽车、医疗、模具加工等领域具有广阔的应用前景。

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【关于三帝科技】

北京三帝科技股份有限公司(3D PRINTING TECHNOLOGY, INC. )(以下简称“三帝科技”)是一家专注于智能装备、服务型制造的国家级高新技术企业，致力于3D打印设备、相关智能软件、材料及工艺，3D打印康复医疗应用的研发、生产、销售，及分布式制造服务。注重3D打印自主技术研发和产业化规模应用，目前已创建了云制造服务平台，并建立了十余个3D打印智造服务中心，逾千家设备及加工服务用户遍布航空航天、汽车、船舶、科研院所、教育、文创、康复医疗等领域。旗下主要品牌包括隆源成型、七号科技、环球精博等。

隆源成型专注工业级3D打印，1994年研制成功国内首台自主知识产权的工业级3D打印机，通过自主研发的SLS选区激光烧结、SLM选区激光熔化、喷墨式3D打印、DED定向能量沉积、建筑打印等系列智能装备，为用户提供快速铸造、快速模具、数字雕塑、金属功能件直接制造、增等材、智能化建造等解决方案。

参考文献

[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.