陶瓷材料具有高溫穩(wěn)定性、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異的耐磨性和高強(qiáng)度[1]、[2]。相比之下，鋁合金具有低密度、高導(dǎo)熱性和優(yōu)異的韌性[3]、[4]。將陶瓷顆粒作為增強(qiáng)劑摻入鋁合金中，制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（PRAMCs）是顯著提升材料整體性能的有效策略[5]、[6]、[7]。在各種陶瓷增強(qiáng)劑中，碳化物顆粒（如B4C）具有極高的彈性模量和微硬度，被認(rèn)為是有前景的增強(qiáng)顆粒[8]、[9]、[10]。通過精確調(diào)整鋁基體中陶瓷相的含量，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能和熱性能的最佳組合[11]、[12]、[13]。這類材料被稱為功能梯度復(fù)合材料（FGMs）。
FGM是一種具有漸進(jìn)式成分變化的先進(jìn)材料。可以隨意定制材料兩端的性能[14]、[15]。鋁及其合金是各種類型FGMs的理想基材。這些材料將在不同的工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[16]、[17]。當(dāng)組件的不同部分需要不同的性能時(shí)，可以使用基于鋁的FGMs。例如，可以通過使用耐磨性更好的材料制造內(nèi)部韌性高、外部硬度更高的組件，以滿足汽車和航空航天領(lǐng)域的不同應(yīng)用需求[18]、[19]、[20]、[21]。例如，在航空發(fā)動機(jī)的 dovetail 頭、殼體和其他葉片部件中，它們需要與盤連接，但自身也會承受摩擦和微動磨損。這些部件的一端（連接端）的機(jī)械性能與主要鋁合金結(jié)構(gòu)相匹配，而另一端（接觸端）具有高耐磨性，并且內(nèi)部沒有應(yīng)力集中界面，這大大提高了部件在高循環(huán)疲勞環(huán)境中的可靠性。
可以使用多種方法制備陶瓷增強(qiáng)的基于鋁的FGMs。這些方法包括離心鑄造[4]、[11]、擠壓滲透[22]、粉末冶金[23]、[24]、[25]、熱噴涂[26]、漿料分解沉積[27]和激光增材制造（LAM）[28]。在這一領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。Rodrigue等人[29]使用離心鑄造方法制備了A359/SiCp基FGMs，并系統(tǒng)分析了其微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。離心力使顆粒在外側(cè)積累，從而使組件的外表面具有優(yōu)異的耐磨性，而內(nèi)部保持了良好的韌性。Kirmizi等人[30]研究了通過粉末冶金制備的SiC增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料的機(jī)械和彈道性能。Al7075和SiC混合物包含五種不同的組分。Al7075和SiC粉末在不同的壓力下被壓縮并在多個(gè)溫度下燒結(jié)，最終制備出了Al7075/SiC和AA7075交替分布的五層功能梯度泡沫材料。
還報(bào)道了其他一些制備基于鋁的FGMs的方法。Song[31]結(jié)合了凝膠鑄造多層技術(shù)和微振動真空壓力滲透（VPI）技術(shù)，制備了由38-63體積% SiC顆粒復(fù)合材料層轉(zhuǎn)化而成的Al/SiC FGMs。這種方法的界面結(jié)合強(qiáng)度更高，逐漸變化的界面減少了熱失配和殘余應(yīng)力。Ramezan等人[32]研究了通過變形驅(qū)動冶金（DDM）技術(shù)處理的AA7075-Al2O3 FGMs的微觀結(jié)構(gòu)演變和機(jī)械性能。隨著Al2O3顆粒含量的增加，晶粒尺寸得到細(xì)化，材料的硬度和強(qiáng)度也得到了提高。
近年來，智能制造技術(shù)逐漸在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。增材制造（AM）是一種易于操作的智能制造技術(shù)，具有高精度和接近凈成形制造的能力，已廣泛應(yīng)用于先進(jìn)制造領(lǐng)域[38]。選擇性激光燒結(jié)（也稱為激光粉末床熔合）和激光熔融沉積（也稱為激光直接能量沉積）都屬于LAM技術(shù)，是主流的AM技術(shù)之一。在這種技術(shù)中，激光作為熱源，粉末作為燒結(jié)原料，最終制造出樣品[39]。LAM可以用于制備各種類型的復(fù)合材料[40]、[41]、[42]。激光熔融沉積（LMD）被認(rèn)為是制備基于金屬的FGMs最理想和高效的方法[43]。該技術(shù)利用逐層堆疊的概念和激光熔覆技術(shù)，非常適合制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)FGMs的集成成型樣品[44]、[45]。
在這種情況下，大多數(shù)研究都集中在FGMs的制備過程和初步性能測試上。它們通常只將一種FGM與均質(zhì)復(fù)合材料進(jìn)行比較，缺乏對梯度結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)化和全面的機(jī)械性能評估。此外，關(guān)于應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高強(qiáng)度7xxx基FGMs的研究非常有限。7xxx鋁合金在制備過程中由于合金元素過量，常常容易出現(xiàn)熱裂紋，從而嚴(yán)重降低性能[46]、[47]。
因此，針對高性能組件中“耐磨表面”與“強(qiáng)韌基體”難以結(jié)合這一常見問題，本研究提出并實(shí)施了一種基于LMD的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。通過制備多層線性FGMs，設(shè)計(jì)了一種B4C陶瓷顆粒增強(qiáng)的7075鋁基FGM。目的是從根源上協(xié)調(diào)服務(wù)端（高模量、耐磨性）和連接端（與基體合金性能匹配）之間的性能矛盾。通過平滑分布內(nèi)部熱應(yīng)力并實(shí)現(xiàn)成分的漸進(jìn)過渡，可以抑制傳統(tǒng)涂層或復(fù)合材料中由于性能突變導(dǎo)致的界面分層或過早失效的趨勢。這項(xiàng)工作為航空航天關(guān)鍵組件的長壽命和高可靠性設(shè)計(jì)提供了新的材料和工藝方法。
