基于高通量制备的增材制造材料成分设计

来源： 金属圈
作者：张百成, 张文龙, 曲选辉

增材制造作为一种新型制造技术，为航空航天、交通运输和生物医学等领域带来了革命性变化。但目前增材制造用金属材料仍基于传统合金，部分材料并不适用于高能束加工，性能仍有提高空间。目前的增材制造专用材料开发未脱离传统试错法，效率低下，是制约增材制造材料性能提高的瓶颈问题。本文就增材制造钢、钛合金、铝合金材料现状和问题进行了讨论，并列举增材制造高通量制备和表征技术在材料开发和设计上的应用，结合增材制造高通量制备的原理和特点，最后阐述了增材制造高通量制备和表征技术在材料开发上的机遇和挑战，并对增材制造关键材料开发与成分优化未来的发展方向做出展望。

梯度材料制备原理示意图、梯度试样比较以及常见的高通量表征方法
Schematics of gradient material preparation principle of directed energy deposition (DED) (a), selective laser melting (SLM) interlayer powder exchange (b), SLM inclined hopper powder mixing process (c), and their sample comparison (d-f); and the common high-throughput analysis methods characterization of the structure of gradient samples (atomic fraction) by high-throughput SEM (g) and characterization of phase composition of gradient samples by high-throughput XRD (h) (Inset in Fig.8e shows the gradient transition of the material. FGM—functionally graded material)

总结和展望
增材制造技术发展迅速，传统材料和数据库不适用制约了增材制造材料的开发和应用，增材制造相较于传统高通量制备方式具有快速成型、可制备连续梯度或微米级离散试样的特点，在高通量制备方面表现突出。本文从材料成分角度，总结了增材制造材料的发展现状和关键问题，展示了高通量增材制造技术在材料成分优化、新合金材料制备和开发以及成分组织结构研究等方面的巨大应用潜力，但目前仍面对以下几个急需解决的问题。

(1) 增材制造可控梯度变化提供比离散样品更丰富的信息，而目前高通量表征手段仍采用一些离散区域进行表征，测试区域受限于表征手段的采样区域的大小且成分变化影响性能表征准确性，无法做到完全梯度连续变化性能的准确表征。提高表征手段的精度，建立准确的梯度连续的表征方法仍是一种挑战。

(2) 增材制造材料通常表现出优异的性能，但由于可打印材料种类的限制影响了部分材料在增材制造高通量制备和表征上的应用。实现性质差异较大的材料致密完美地打印出来，并形成连续可靠的梯度过渡仍具有挑战。

(3) 增材制造过程中的气孔等缺陷问题显著影响着材料的性能，不同成分的合金增材制造工艺参数往往并不一致，在一定程度上这也增大了增材制造梯度材料制备的复杂性。建立材料成分-结构-性能的可靠联系仍具有挑战。

尽管增材制造高通量制备和表征在材料设计上还面临着巨大的挑战，但事实已经证明它在材料成分设计方面的巨大前景。材料方面，通过高通量增材制造技术有望解决增材制造新合金材料析出相控制问题、等轴晶结构成形问题以及层间异质结构设计问题，开发新一代增材制造合金材料，通过微观到宏观的整体设计，充分发掘增材制造材料性能潜力，实现航空航天领域关键零部件材料性能的进一步提升。技术方面，发展高通量增材制造新工艺、发掘增材制造新材料，不断完善梯度材料表征手段，实现精确、高效、稳定的高通量表征能力，有望建立起材料成分-结构与性能的可靠联系的增材制造材料基因数据库，实现增材制造新材料的高效发掘。