金属激光增材制造材料设计研究进展

来源：多尺度力学

激光增材制造已被广泛认为是应对个性化、复杂金属构件整体成形挑战的关键技术方法。当前，针对金属增材制造的研究主要基于传统的合金种类。然而，由于传统的合金成分是基于平衡凝固过程设计的，它们往往无法适应增材制造的非平衡冶金动力学特性，这导致了一系列共性问题，如高裂纹敏感性、低韧性和疲劳度，以及各向异性等。因此，为了充分利用激光增材制造的非平衡凝固特性所带来的优势和价值，我们需要进行面向这一制造方法的新型材料成分设计研究。这不仅将解决现有技术面临的挑战，还有望推动增材制造技术在更广泛的领域得到应用和提升。来自华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室的史玉升等人综述了铝合金、钛合金、铁基合金和镁合金等合金在增材制造中遇到的技术挑战。同属讨论针对增材制造的创新材料设计方法，以及新型合金和复合材料的最新研究进展。并在文章最后提出了金属增材制造材料设计的未来发展趋势。

图1 激光增材制造(LAM)原理示意图(a)SLM; (b)LCD

LAM主要包括基于粉末床的选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术和基于同步送粉的激光熔覆沉积(laser cladding deposition,LCD)技术,成形原理示意图分别如图1(a)和(b)所示。LAM技术的主要优势在于激光热源适用材料范围广、能量密度高、成形精度高等。

图2 Ti改性2xxx 铝合金的相图、裂纹敏感因子、生长抑制因子、反极图和晶粒尺寸分布

图3 SLM成形(TiB+TiC)/Ti复合材料微观结构演化示意图

图4 LCD制备的Fe19Ni5Ti试样及其拉伸测试

图5 非晶合金的连续冷却转变曲线示意图及制备的铁基非晶合金结构

文章中介绍LAM技术于铝合金、钛合金、铁基合金、镁合金、形状记忆合金、高温合金、高熵合金及非晶合金等不同金属材料的制备与成形的研究现状，以及面临的机遇与挑战。史玉升等人在文章中指出当前金属增材制造材料改性的方法主要包括元素比例调控、合金元素改性以及陶瓷颗粒改性等。这些方法的原理都是通过调整材料成分来控制熔池的凝固过程，进而实现冶金缺陷的抑制和材料的强韧化。例如，引入形核剂、改变成分过冷条件、调控物相等手段。然而，这些方法仍面临设计理论不完善、设计层级不全面、材料体系不健全、性能研究不系统等诸多挑战。

相关研究成果以“金属激光增材制造材料设计研究进展”为题发表在金属学报(2021,51(3):648-701)上，论文第一作者为宋波，通讯作者为史玉升。

论文链接：https://www.ams.org.cn/clyj/CN/10.11900/0412.1961.2022.00026