贝壳等天然生物材料在具有高强度、高硬度的同时,兼具高塑性、高韧性。贝壳外表面具有螺旋状的纹路,在厚度方向逐层梯度,且由内层向外层过渡时,层片之间形成旋转纹路的结构,是其具有综合性能的主要原因。本文仿照天然贝壳的结构,以45钢为基材,三种不相同的Fe-Cr-Ni合金粉末为熔覆材料,采用激光铺粉增材制造技术制备了多层梯度结构材料。建立了多层梯度结构材料的层间膨胀系数以及梯度结构热应力的匹配原则,研究了层间结晶规律、微观组织结构演变和磨损性能,获得了性能优异的多层梯度结构材料的合金粉末匹配原则和激光增材制备工艺参数,其研究成果对激光增材制备耐磨材料具有一定的技术支持和理论指导意义。其主要成果如下:(1)层间材料的匹配原则梯度结构各层之间的热应力匹配应满足:使抗裂性能高的梯度材料受拉,脆硬材料受压的原则。仿生梯度结构中,基体采用45钢,过渡层采用材料1,中间层采用材料2或材料3,这样使与材料1相邻的熔覆层产生压应力,材料1则受拉应力作用。(2)梯度层间结晶特征合金元素的含量及相邻层纹路夹角会对熔覆层的结晶形态产生影响:三种合金粉末中,Ni含量低的材料2和材料3的凝固模式为FA;Ni含量较高的材料1的凝固模式则为AF。在该凝固模式下,材料1凝固结晶后,获得更为细小的晶粒。当相邻层的纹路夹角由30°增加至90°时,分界面上下层中的柱状晶夹角也随层间纹路夹角的增大而增加。纹路夹角达到90°后,分界面下方的部分柱状晶外延生长出二次枝晶,形成“L”型的垂直结构。(3)梯度层微观组织仿生梯度材料的层间纹路夹角和梯度层层数会对熔覆层的组织演变产生影响:材料1中,Ni含量较高,达11.41wt.%,成型后的微观组织以奥氏体为主。材料2和材料3镍含量较低,为4.12wt.%,成型后的微观组织中存在着大量的马氏体。随着梯度层间纹路夹角从30°增加至90°,分界面附近的Cr和Ni等合金元素的含量,随着角度的增大而下降,并且元素分布的梯度变化也逐渐趋于平缓。当梯度层由双层增加至三层后,梯度结构上表层中的微观组织发生了变化,在Cr/Ni比值较低的合金中,奥氏体增加,马氏体减少;而高Cr/Ni比的合金中,奥氏体减少,马氏体则相应增加。(4)梯度层硬度和磨损性能相邻层间纹路夹角会使熔覆层的硬度发生改变,梯度层的层数则会改变熔覆层内部的硬度分布:当相邻层的纹路夹角由30°增加至90°时,熔覆层的硬度值随之增大。梯度层层数的增加,有利于改善梯度材料内部的硬度分布,随着梯度层的层数由单层增加至三层,在单层结构中,融合线上方局部区域出现的硬度急剧增加的现象得到缓解。仿生梯度材料的耐磨性则并不只取决于其自身的硬度值,还受到磨损机理、相邻层间纹路夹角、梯度层层数等多方面因素的综合影响:材料1虽比材料2和材料3的硬度低,但在一定条件下,具有更高的耐磨性。当相邻层间纹路夹角由30°增加到90°时,材料1的耐磨性随之降低。随着梯度层的层数由单层增加至三层,且最顶层为材料1时,成型件的耐磨性出现先下降再上升的规律;而最顶层为材料2和材料3时,耐磨性的变化规律则与之相反。