【解析】金属增材制造技术大解析

金属增材制造技术作为３Ｄ打印技术的一个重要分支，在２０余年的发展中取得了显著的进展。接下来，南极熊重点从制件组织结构、制件性能、制件微观缺陷、成形工艺等方面分析了针对钛合金、 镍基高温合金等常用材料的增材制造技术研究新进展，探讨了增材制造技术发展所面临的技术问题以及需要重点考虑的发展方向。

作为一种全新概念的制造技术， 增材制造技术自２０世纪９０年代出现以来，经过２０余年的发展，已经成为当前先进制造技术领域技术创新蓬勃发展的源泉，以“３Ｄ打印技术”为全新概念的增材制造技术已经成为当前包括美国在内的世界主要制造大国实施技术创新、 提振本国制造业的重要着力点 。中国政府积极推进３Ｄ打印技术在制造业 的技术创新进程。

在工业和信息化部的支持下，２０１２年成立“中国３Ｄ打印技术产业联盟”。２０１３ 年，中国３Ｄ打印技术产业联盟成功举办首届世界 ３Ｄ打印技术产业大会， 并与亚洲制造业协会、英国增材制造联盟、比利时Ｍａｔｅｒｉａｌｉｓｅ公司、德国ＥＯＳ公司、美国３ＤＳｙｓｔｅｍ公司等组织共同发起成立世界３Ｄ打印技术产业联盟的号召，高度凸显了中国３Ｄ打印技术在全球３Ｄ打印技术创新领域的重要 引领作用。作为增材制造技术基础研究的支持机构，国家自然科学基金委员会机械工程学科在“十三五”学科发展战略规划设想中明确将增材制造技术作为跨学科学部交叉优先领域进行布局，以进一步提升中国增材制造技术的自主创新能力。


１ 金属增材制造技术概况
直接制造金属零件以及金属部件，甚至是组装好的功能性金属制件产品，无疑是制造业对增材制造技术提出的终极目标。早在２０世纪９０年代增材制造技术发展的初期（ 当时称之为“快速原型制造技术”或“快速成形技术”），研究人员便已经尝试基于各种快速原型制造方法所制备的非金属原型， 通过后续工艺实现了金属制件的制备。与立体光造型、叠层制造、熔融沉积成型、三维打印等快速原型制造技术相比，选择性激光烧结技术，由于其使用粉末材料的特点，为制备金属制件提供了一种最直接的可能。

ＳＬＳ技术利用激光束扫描照射包覆有机粘接剂的金属粉末，获得具有金属骨架的零件原型，通过高温烧结、金属浸润、热等静压等后续处理，烧蚀有机粘接剂并填充其他液态金属材料， 从而获得致密的金属零件。随着大功率激光器在快速成形技术中的逐步应用，ＳＬＳ技术随之发展成为选区激光熔化成形技术。ＳＬＭ技术利用高能量的激光束照射预先铺覆好的金属粉末 材料，将其直接熔化并固化，成形获得金属制件。在ＳＬＭ技术发展的同时，基于激光熔覆技术，逐渐形成了金属增材制造技术研究的另一重要分枝———激光快速成形技术或激光立体成形技术。

该技术起源于美国Ｓａｎｄｉａ国家实验室的激光近净成形技术，利用高能量激光束将与光束同轴喷射或侧向喷射的金属粉末直接熔化为液态， 通过运动控制，将熔化后的液态金属按照预定的轨迹堆积凝固成形，获得从尺寸和形状上非常接近于最终零件的“近形”制件，并经过后续的小余量加工后以及必 要的后处理获得最终的金属制件。

基于ＳＬＳ技术的ＳＬＭ技术和基于ＬＥＮＳ技术的ＬＲＦ技术作为金属增材制造技术的两个主要研究热点，引领着当前金属增材制造技术的发展。由于具有极高的制造效率、材料利用率以及良好的成形性能等优势，金属增材制造技术从一开始便被应用于航空航天等高端制造领域的高性能金属材料和稀有金属材料的零部件制造。经过２０余年的发展，中国国内金属增材制造技术在材料、工艺、装 备以及成形性能等各个方面均得到长足的发展，并且已经在航空航天等高端制造领域实现了初步应 用。

２ 研究进展
金属增材制造技术对高性能金属材料（包括稀有金属材料）而言，是一种极为有利的加工制造技术。相较于材料去除（或变形）的传统加工和常见的特种加工技术， 基于材料增加的金属增材制造技术有着极高的材料利用率。当前增材制造技术的金属材料主要集中在航空航天用钛合金、高温合金、高强钢以及铝合金等材料体系。研究人员以上述金属材料为研究对象， 从制件组织结构、制件性能、制件缺陷以及成形工艺等方面对金属增材制造技术开展了广泛的研究。

2.1制件组织结构
钛合金材料是当前金属增材制造技术最主要的研究对象。在对航空用ＴＣ４钛合金激光成形的研究中，陈静等发现制件的组织结构为粗大的柱状 晶，在粗大的β晶粒内是细小的针状马氏体α′ ；薛蕾等在研究中发现制件的组织结构为柱状原始 β晶界内编织细密的α＋β网篮组织 ； 而张霜银等的进一步研究获得了ＴＣ４钛合金制件组织结构 中柱状晶向等轴晶（ＣＥＴ）转变的时机及其Ｐ／Ｖ 值 。昝林等发现ＴＣ２１激光成形制件组织结构 为粗大的沿沉积高度方向外延生长的原始β柱状晶，仅最后一层熔覆层顶部为较细小的β等轴晶， 在宏观上存在针状马氏体区和网篮组织区 。王彬等发现Ｔｉ６０棒状试样的组织结构是以棒材轴心呈微“ 八”字形对称分布的定向生长柱状晶构成，柱状晶内部为近乎无侧向分枝的胞状晶组织。

贺瑞军等在对Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｚｒ－Ｍｏ－Ｖ合金的成形研究中 发现制件具有均匀细小的α／β双相片层组织， 且片层取向随机多样，分布均匀。赵张龙等采用ＳＬＭ＋等温锻造复合工艺制备的ＴＣ１７钛合金制 件，其组织结构主要由粗大β柱状晶粒组成，经相变点上、下等温锻造及热处理后，制件组织结构主要由条状和细小等轴α相组成， 仅经相变点以下等温锻造及热处理后，制件组织主要由细小等轴α相 组成，仍存在有少量的原始β晶粒边界 。在镍基高温合金材料的激光成形中，冯莉萍等发现Ｒｅｎｅ９５高温合金制件的组织结构为定向凝固柱状枝晶，组织细密，枝晶一次间距为５～３０ μ ｍ，二次臂很小或者完全退化，其在ＦＧＨ９５合金制件中也获得了相似结论，其组织结构由细小柱状枝晶组织组成，枝晶一次间距约为１０μｍ， 二次臂退化。

由于局部凝固条件的不同，枝晶干区域的γ ′相为球形、枝晶间区域的γ′相为立方体形态，尺度均小于０．１μｍ 。林鑫在３１６Ｌ不锈钢制件中发现其组织呈现全γ奥氏体结构，γ奥氏体从基体外延生长成柱状枝晶，并显示较强的晶体取向性，其＜１００＞晶向基本平行沉积方向，仅在顶部出现一薄层转向枝 晶。贾文鹏等通过建立的预测模型，预测了３１６Ｌ不锈钢激光快速成形制件的组织结构为细长 柱状晶，并且获得了不发生ＣＥＴ转变的控制条 件 。董翠等制备的３００Ｍ超高强度钢制件其组 织结构则具有细小均匀的快速凝固胞状树枝晶， 其显微组织为马氏体与贝氏体混合组织 。王小军等在对Ａｌ－ １２Ｓｉ合金激光成形的研究中发现，在相邻激光相互作用形成德尔热影响区内有粗大的针状初生Ｓｉ形成， 其余部分由纳米级球状Ｓｉ颗粒镶嵌在Ａｌ基体中组成 。

2.2 制件性能
比对基于传统制造方法的制造规范和制造标准，激光增材制造制件性能的达到程度决定着该项技术在工程实际中的应用程度。李怀学等发现ＴＣ４钛合金制件室温拉伸强度达到１  １００ＭＰａ，达到锻件标准，硬度在３ ３００～３  ５００ＭＰａ之间，各向硬度差异不显著 。高士友等发现，ＴＣ４钛合金 制件尽管其组织结构类似于铸造，但其抗拉强度达 到了锻造制件的水平 。陈静等制备的ＴＣ４钛 合金制件的室温及３００℃拉伸强度及塑性指标均 达到或超过锻造件水平。

张方等发现Ｔｉ６０合金制件的硬度要高于锻件指标，室温和６００℃高温拉伸强度均高于锻件， 室温塑性略低于锻件，而高温塑性与锻件相当，其 进一步的研究表明Ｔｉ６０合金制件在进行双重退火热处理后，其室温和高温（６００℃）下的拉伸强度略有下降，但塑性显著增高，综合力学性能得到提 高 。陈静等发现Ｔｉ６０制件的组织结构以及粉 末材料的制备方法会使钛合金制件的高温持久性能发生大幅度变化。较高的功率密度所形成的魏氏组织相较较低功率密度形成的网篮组织其高温持久性显著降低，采用气雾化法制备的粉末在制件中形成的气孔会导致其高温持久性能降幅达 ３００％ 。于翔天等制备的ＴｉＢ＋ＴｉＣ增强ＴＡ１５ 复合材料制件，当ＴｉＢ＋ＴｉＣ增强相体积分数约为 ９％时，制件抗拉强度和屈服强度提高了１２％， 分别达到１  ０４０ＭＰａ及９３５ＭＰａ 。冯莉萍等发现ＦＧＨ９５合金的成形制件的拉伸强度指标达到粉末冶金的９７．９％， 塑性超过粉末冶金制件 。

金具涛等发现激光成形Ｒｅｎｅ９５ 合金的室温抗拉强度为１  ２４７ＭＰａ，较粉末冶金Ｃ级水平略低，而沿沉积高度方向的延伸率为 １６．２％， 高于粉末冶金Ａ级水平 。杨海欧等研究表明，对Ｒｅｎｅ９５高温合金激光快速成形制件进 行固溶＋时效热处理后，其强度指标接近粉末冶金Ｃ级标准， 塑性指标超过粉末冶金Ａ级标准。试样平均硬度达到ＨＶ４９６．３ 。赵晓明等对Ｒｅ－ｎｅ８８ＤＴ高温合金制件进行时效热处理后，发现其抗拉强度提高了４００ＭＰａ ，屈服强度接近同种材料的粉末锻造水平。袁源等制备的铁基固溶体α增韧Ｆｅ９Ｃｒ９Ｓｉ２三元金属硅化物合金制件，其韧性明显改善，在干 滑动摩擦条件下，具有较低的摩擦系数。董翠等制备的３００Ｍ超高强度钢制件室温拉伸性能接 近同质材料的锻件水平 。

2.3制件微观缺陷
对金属增材制造制件性能的研究发现，制件性能尽管在个别指标能够达到同质材料的相应标准和规范， 但总体上还是存在着一定的差距，其主要原因在于增材制造技术成形机理的固有特性———“瞬态熔凝过程”所导致的制件内部的微观缺陷，如裂纹、空洞等，其产生的原因包括工艺参数配置不当、内应力以及熔合不良等。 张凤英等对钛合金制件围观缺陷的产生进行了深入的研究， 发现由于钛合金本身所特有的优良的塑性性能， 其制件往往很少出现裂纹，但在制件内部大多存在微气孔以及熔合不良等缺陷。

此外，成形件内部的气孔形貌呈球形，在成形件内部的分布具有随机性，气孔是否形成取决于粉末材料的松装密度等特性， 氧含量对气孔的形成没有影响。熔合不良缺陷形貌一般呈不规则状，主要分布在各熔覆层的层间和道间，其是否产生取决于成形特征参量是否匹配，其中最显著的影响因素是能量密度、 多道间搭接率以及Ｚ轴单层行程。陈静等的研究表明：３１６Ｌ不锈钢激光快速成形容易产生开裂，裂纹多发生在树枝晶的晶界，呈现出典型的沿晶开裂特征。熔覆层中的裂纹是凝固裂纹，属于热裂纹范畴。

裂纹产生的主要原因是熔覆层组织在凝固温度区间晶界处的残余液相受到熔覆层中的拉应力作用所导致的液膜分离的结 果 。卢朋辉在对Ｋ４１８高温合金的开裂研究中也发现了制件内裂纹为与液膜有关的结晶裂纹裂纹沿枝晶晶界扩展 。赵晓明对Ｒｅｎｅ８８ＤＴ激光快速成形裂纹的研究中发现裂纹为液化裂纹，与钛 合金相似，也具有典型的沿晶开裂特征 。贺瑞军等在对Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｚｒ－Ｍｏ－Ｖ合金在高周疲劳失效中的变形行为的研究中发现钛合金制件的疲劳裂纹萌生和扩展中的变形行为都与其位错运动和滑移行为密切相关。疲劳裂纹扩展中的滑移主要沿两个滑移面进行，裂纹扩展亚表面存在大量二次裂 纹。

2.4成形工艺
在特定的成形材料的前提下，工艺研究是金属增材制造技术的基础研究内容，也是制件内缺陷消除、 制件性能提高的必由之路。研究人员在金属增材制造技术的基础工艺研究中投入了大量的工作，从基础工艺参数、成形气氛、材料预处理、制件热处理等方面开展了广泛的研究，甚至考虑采用其他的 能量来源代替激光光源。环境中的氧含量对成形工艺包括激光沉积工艺、成形质量、粉末利用率、熔覆层是否开裂等具有显著影响。陈静等认为氧含量严格控制在０．０２％以下时，可获得表面平整光洁、无裂纹等缺陷的 ＴＣ４薄壁试样 。

刘奋成等对比了氩气和空气环境中Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８镍基高温合金的成形， 发现在两种气氛环境下制件组织结构基本相同，均为沿成形方向连续生长的粗大柱状枝晶，组织细密，均匀；空气环境中制件拉伸强度略高于氩气环境中制件的拉伸强度，但是前者的塑性略低，疲劳性能比后者约低３０％， 其原因是制件中较多的氧化物夹杂和显微气孔等缺陷。谭华等则研究了以单元素混合粉末代替预合金粉末为原料制备Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ制件，可在较大程度上控制氧含量，仅约０．１％（质量分数），且其室温拉伸性能提高较多，超过锻件标准 要求 。

陈静等在对Ｔｉ６０合金的成形研究中发 现，采用气雾化法制备的粉末非常容易在制件中形 成气孔，其高温持久性能降幅达３００％ 。谢德巧等则在熔池中引入脉冲电流，利用脉冲电流在熔池中产生的磁致压缩力用以挤压熔池中形成的气泡， 以期减少制件中孔隙的数量以及尺寸。激光增材制造的瞬态熔凝过程所产生的极高的温度梯度，极易在制件内部形成封闭的内应力。杨健等在对３１６Ｌ不锈钢激光快速成形制件的残余应力的研究中发现，制件内部的残余应力以拉应力作用为主，垂直于扫描方向的残余应力相较于平行方向要小一些，随着制件高度增加，拉应力逐渐 减小，有改变为压应力的趋势 。

为了降低或消除内应力对制件性能所产生的影响，王凯等采取了采用基板预热的方法以控制薄壁制件内应力以及 内应力引起的变形 。张霜银等对ＴＣ４成形制 件和经热处理后的残余应力进行了研究，发现靠近 基材处的残余应力为较大的压应力， 随着制件高度的增加， 到顶部转变为较小的拉应力。去应力退火热处理后，制件的残余应力分别降低５９．８％和７２．３％，固溶时效处理后残余应力分别降低６４．７％ 和６７．８％。钛合金制件的残余应力总体属于低应力水平，制件经热处理后残余应力分布趋于平缓，可有效地消除和调整激光成形过程产生的残余应 力 。

戚永爱则利用喷丸强化的辅助方法对成形过程中所产生的内应力进行实时处理， 制件内沿着扫描方向残余应力消除达到９３．６４％；垂直于扫描方向的残余应力受超声冲击作用由拉应力变为压 应力。对制件进行后续热处理是当前金属增材制造技术实现组织结构优化和性能提高的主要工艺手段。陈静等研究发现，对Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金制件进行固溶时效热处理后所获得的网篮组织综合性能最好，不论是强度指标还是塑性指标都高于锻件标 准 。张霜银等对ＴＣ４钛合金成形制件进行去 应力退火和固溶时效处理， 对比发现，经退火处理后性能改善不明显，塑性有所提高，而经固溶时效热处理后塑性有明显提高，且强度降低不大，具有 良好的综合力学性能。

王俊伟等对ＴＣ１７的同 类研究表明，成形制件在组织结构上呈现出与 ＴＣ４相同的变化 。张小红等研究了对ＴＡ１５钛合金制件的退火、 固溶时效以及双固溶时效处理。结果表明经退火处理后塑性得到了提高，具有良好的综合拉伸性能，达到了锻件退火态的拉伸性能标 准；经固溶时效处理后，制件强度显著提高 。林鑫等对Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金制件进行退火处理后，制件组织结构原有的等轴α＋层状α＋β双态组织经热影响区连续转变为晶内分布魏氏α＋β的外延生长的粗大柱状晶组织，修复区中α板条有粗化趋势，综合力学性能得到一定改善，塑性有所提高，其静载拉伸性能达到锻件标准， 再辅以喷丸处理，制件的低周疲劳性能达到锻件标准要求 。赵晓明等研究了时效时间对激光快速成形后时效硬化镍基高温合金Ｒｅｎｅ８８ＤＴ中沉淀相组织演化和力学性能的影响。

发现随时效时间的增加 制件组织中沉淀相颗粒粗化明显，成形件经 １  １６０℃、２ｈ、２００ＭＰａ热等静压的高压、高温固溶处理后，裂纹得到明显的愈合修复，在原裂纹附近析出ＭＣ型碳化物。将热等静压处理后的成形件 进行固溶时效热处理后，拉伸强度和塑性均明显提高，综合力学性能接近粉末冶金Ｒｅｎｅ８８ＤＴ的标准 。赵卫卫等对Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８制件进行直接时效处理后发现硬度和拉伸强度均明显提高，合金性能得到进一步改善， 室温、高温拉伸强度和塑性都达到了高强锻件的技术标准Ｑ／３Ｂ５４８－１９９６（高强）  。从能量源角度出发，锁红波等利用电子束代替激光实现了Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ钛合金制件的制备，制件经退火处理后拉伸性能可满足ＡＭＳ４９９９标准的要 求，但与锻件标准ＨＢ５４３２相比仍有差距 。

2.5梯度材料
为实现某种或某几种功能或性能，而不仅仅局限在单一材料体系，增材制造技术为设计方法的变革提供了一条崭新的途径，基于增材制造技术的梯度功能材料就是最为典型的应用。杨海欧等制备了从１００％３１６Ｌ到１００％Ｒｅｎｅ８８ＤＴ成分连续渐变的梯度材料制件。制件组织致密，在过渡层内，随着Ｒｅｎｅ８８ＤＴ合金所含比例的逐渐提高，硬度和一次枝晶间距持续增大，硬度值从底部１００％３１６Ｌ的１８６ＨＶ连续渐变到顶端１００％Ｒｅｎｅ８８ＤＴ的４５８ＨＶ。平均一次枝晶间距由底部的１２．４１μｍ 逐渐增大到顶部的１６．９９μｍ 。刘建涛等制备了从Ｔｉ到Ｔｉ２ＡｌＮｂ成分连续渐变、外形规则、高度为１７ｍｍ的梯度材料制件。

随着Ａｌ和Ｎｂ成 分的提高，Ｔｉ－Ｔｉ＿２ＡｌＮｂ功能梯度材料实现了由α型钛合金经过α＋β型及β型钛合金向Ｔｉ＿２ＡｌＮｂ 基合金的转变 。解航等成功制备了ＣｏＣｒＭｏ体 积分数１０％的无裂纹Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ－ＣｏＣｒＭｏ梯度材料 制件，用于人工关节的制备 。许小静等进行了Ｔｉ－ ８０％Ｎｉ（质量分数）合金的工艺研究，制件组织结构由η－ＴｉＮｉ＿３板条和ＴｉＮｉ（Ｂ２）＋η共晶构成，随着激光扫描速率的增大，η板条逐渐转变为η板条＋（ＴｉＮｉ（Ｂ２）＋η） 共晶，随着激光功率的增大，块状组织越细，形成（ＴｉＮｉ（Ｂ２）＋η ）离异共晶组织＋板块间（ＴｉＮｉ（Ｂ２）＋η ）共晶组织 。

３ 发展前景
金属增材制造技术作为一种全新理念的制造技术，自其出现之日起，便被工程材料领域的研究者们视为一种新的方法和手段，实现或者替代既有加工制造方法和材料制备方法。众多的研究表明，当前绝大多数关于增材制造技术的研究，其最终目标依旧是基于某一材料体系的零件、部件或功能组 合制件的制备。无论是材料制备还是加工制造，无论是对制件组织结构、制件性能的研究还是对制件微观缺陷、成形工艺等的研究，其参考的标准依旧是既有加工制造和材料的指标体系，从某种意义上讲， 当前增材制造技术的相关研究主要聚焦于对既有加工制造方法和材料制备方法的替代或者提升。

随着对增材制造技术研究的深入和理解认识的进一步拓展，人们逐步意识到增材制造技术的内涵似乎已经不仅仅局限于工程和材料学科，其所蕴含的潜能正在逐步向外辐射，日益影响着其他学科的发展，甚至是社会生产模式、思维模式的变革，以 至于终将影响社会形态的发展。


北京航空航天大学王华明教授提出了金属增材制造技术实际上是一个以高性能材料制备、内部质量控制为核心的“控形／控性”一体化制造技术，其面临的关键问题是突破“内应力”控制及“变形开 裂”预防、“内部质量控制”及检测评价等。


西北工业大学黄卫东教授认为金属增材制造技术发展目标应该是形成增材制造技术的设计、工艺、材料、 装备和质量等方面完整的学科与技术体系 。


华南理工大学杨永强教授提出“制造改变设计”必将成为可能，增材制造技术将必然带来对ＣＡＤ模型 的新的设计要求， 带来设计方面革命性的变化。


华中科技大学史玉升教授提出了现代增材制造技术超越传统单材均质加工技术的３个突破，即材料复杂性、层次复杂性和功能复杂性，对现代设计方法提出了新的挑战，即现代设计方法必须引入新一代的复杂形状建模、 复杂材料建模和复杂层次建模技术， 在更高层次上将上述复杂性统一起来。

西安交通大学卢秉恒院士不仅在技术层面提出了增材制造科学与技术所面临的具体科学问题，包括在制造技术层面的材料与工艺与制造功能和质量的关系、在设计层面的以材料和工艺为支持的功能驱动的设计方法以及在系统层面的制造能力与设计智慧构建的集散制造模式等，更在战略层面上揭示了增材制造技术将会对社会形态发展带来的影响的内涵，充分展现了增材制造技术在新的社会发 展时期所面临的机遇和挑战 。

金属增材制造技术因其逐点堆积的过程，可以通过对“点”的精确控制，从而实现对金属件的“控形控性”的要求。在合适的工艺基础上，金属增材制造技术可完成钛合金、高温合金、不锈钢等零件的高品质、快速制造。提出了增材制造技术的新构想：
一方面，基于既有制造／材料标准体系，以产品性能指标（或称产品质量）为目标，通过对制造过程的工艺配置，控制成形过程中制件的组织结构，建立制件性能指标—制件组织结构—制造工艺参数的“ 关系数据链”，实现“基于性能驱动的增材制造闭环控制” ；


另一方面，基于增材制造技术现状，从观念上正确认识增材制造技术的规律性，接受并认可增材制造技术的固有属性，综合考虑产品功能／性能、效率和成本的关系，建立增材制造技术产品独立的评价体系。


编辑：南极熊
作者：赵剑峰 马智勇 谢德巧 韩雪谦 肖 猛 （南京航空航天大学机电学院，增材制造（３Ｄ打印）研究所，

综述