增材制造中的合金成分高通量设计

来源：MGE Advances 材料基因工程前沿

增材制造正通过其创造复杂几何形状的潜能，革新航空航天、交通运输和生物医学等领域。然而，目前在增材制造中使用的金属材料并不适用于高能束流加工，这表明其性能有待提高。增材制造材料的开发仍面临挑战，原因在于传统的试错方法效率低下。本综述探讨了增材制造中包括铝合金、钛合金、高温合金和高熵合金在内的材料的挑战和当前状态，并总结了合金开发中的高通量方法。此外，文章还尝试阐述了高通量制备技术在改善主要增材制造合金的性能和优化微观结构机制方面的优势。在结论部分，本文突出了高通量技术在推动增材制造材料开发中的核心作用，并展望了这些技术未来在引领更高效和创新性材料开发方法方面可能带来的变革。

增材制造已从初步的快速原型制作工具演变为一种成熟的制造方法，能够生产应用于航空航天、汽车及生物医学领域的复杂组件。该技术利用激光、电弧或电子束等高能热源，按层累积构建三维实体，实现了卓越的设计自由度与微观结构控制精度。尤其是，激光粉末床熔化等前沿技术显著提升了对金属合金微观结构调控的能力，使得这些合金呈现出明显的层次结构和有意设计的异质性，有效地提升了材料的力学性能，如强度和延展性。

本文以铝合金、高温合金、钛合金和高熵合金为例，深入探讨了增材制造过程中固有的快速冷却与高热梯度对合金溶解度和微观结构演变的显著影响。这些热过程促使晶粒细化及非平衡相的形成，进而增强材料的力学性能，但同时也可能诱发增残余应力及裂纹敏感性等问题。文章指出，精确控制成分和工艺参数对于优化材料特性和降低高温裂纹敏感性至关重要。

将高通量技术和材料基因组学引入到增材制造的实践中，标志着材料开发方法的一次革命性创新。这些方法能够快速筛选并详细评估新合金，显著降低了实验的成本和时间。利用计算工具和大数据，这些高通量技术为定制增材制造工艺的材料开发提供了强有力的支持。

综上所述，本文尝试总结了增材制造技术的最新进展、在特定增材制造条件下材料设计面临的关键挑战，以及如何通过高通量技术和材料基因组学来应对这些挑战。希望本文能为当前和未来增材制造用材料的设计与筛选工作提供一定的参考和启示。

图1 先进金属材料与增材制造技术的关系，包括成分设计、打印过程、性能特性以及高通量制备方法

作者介绍

通讯作者
张百成，教授，博士生导师。主要致力于增材制造，3D打印，新材料开发。迄今，在国内外重要科技期刊发表相关学术论文近50篇，引用4000余次，H因子29，3篇论文入选ESI高被引。授权国家专利10项，在国内外重要学术会议作邀请报告10余次。担任SCI期刊Materials Today Communications编委，Metal编委，International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials（IJMMM）青年编委，《粉末冶金技术》编委。粉末冶金产业技术创新战略联盟粉末注射成形专业委员会副秘书长；Elsevier，Springer，MDPI旗下30余种国际著名杂志仲裁审稿人。

第一作者
刘珉，北京科技大学新材料技术研究院博士生，研究方向为基于金属增材制造的高通量成分开发。