張忠倫 宋旼 侯建業(yè)

（1中南大學(xué)，湖南 長沙 410083；2中建材科創(chuàng)新技術(shù)研究院，山東 棗莊 277116）

1 增材制造技術(shù)

增材制造（AM）技術(shù)是通過計算機建模，模擬所需部件的整體輪廓，采用專用軟件對所模擬的部件輪廓進行切片分層模擬，并輸出數(shù)字信號，由計算機控制打印機器對零件進行打印，得到最終產(chǎn)品。目前，使用金屬作為原料的增材制造技術(shù)主要有激光選區(qū)熔化（SLM）、電子束選區(qū)熔化成形（EBM）、激光熔融沉積（LDMD）等。

1.1 主要技術(shù)

1.1.1 激光選區(qū)熔化技術(shù)

在金屬增材制造中，SLM是應(yīng)用最普遍的技術(shù)之一，由Fraunhofer研究所于1995年在德國提出，利用激光選區(qū)熔化打印金屬材料，圖1為其技術(shù)原理圖[1]。SLM技術(shù)的激光器能量密度很高，能夠直接用激光熔化粉體，不需要粘結(jié)劑，具有很高的成形性能。經(jīng)過SLM技術(shù)制備的零件具備相當(dāng)高的致密度，力學(xué)性能優(yōu)異，非常適合實際工程應(yīng)用[2]。

圖1 SLM技術(shù)原理圖Fig.1 Technical schematic diagram of SLM

1.1.2 電子束選區(qū)熔化技術(shù)

EBM是在真空環(huán)境下通過高能電子束熔化金屬粉體打印的技術(shù)，通過EBM技術(shù)可以成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成分純度高的金屬零件，但是其成形尺寸受到了粉體環(huán)境與車床的限制。

設(shè)備示意圖見圖2。

圖2 EBM設(shè)備示意圖Fig.2 Equipment diagram of EBM

1.1.3 激光熔融沉積技術(shù)

LDMD技術(shù)也稱為激光堆焊技術(shù)，早在二十世紀(jì)六十年代就被提出，通過使用高能激光在兩個金屬材料表層之間形成熔覆層，然后經(jīng)快速固化得到性能良好的涂覆層。但是受到工藝與殘余應(yīng)力等影響，熔覆層常常存在缺陷，在成形精度、成本等方面仍有不足。

技術(shù)原理圖見圖3。

圖3 LDMD技術(shù)原理圖Fig.3 Technical schematic diagram of LDMD

1.2 設(shè)備及應(yīng)用狀況

目前，增材制造設(shè)備較有名的公司主要有Zcorporation、3D system等，其中，3D system的實力最強，代表了當(dāng)前增材制造技術(shù)水平和未來發(fā)展趨勢，能夠為不同需求的客戶提供打印系統(tǒng)。

在工業(yè)產(chǎn)品解決方案中，3D system的SLM技術(shù)目前有DMP Flex（見圖4）、DMP Factory等系列，可為不同需求的客戶提供專業(yè)化服務(wù)。GE航空集團采用激光選區(qū)熔化技術(shù)為LEAP噴氣式發(fā)動機制造燃油噴嘴，目前已經(jīng)接受了超過4000臺LEAP噴氣式發(fā)動機的訂單，其中有相當(dāng)多零部件需要通過3D打印制造（見圖5）。

圖4 DMP Flex 350金屬打印機Fig.4 Metal printer DMP Flex 350

圖5 通過激光選區(qū)熔化零件Fig.5 Selective laser melting parts

2 合金種類

2.1 鈦合金

鈦合金是增材制造技術(shù)廣泛研究的金屬材料之一，具有高強度和抗斷裂性、優(yōu)異的耐侵蝕性和抗疲勞性及生物相容性，被廣泛用于航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[3]。在許多高新技術(shù)領(lǐng)域，由傳統(tǒng)技術(shù)制備的鈦合金部件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，如美軍戰(zhàn)斗機。由于高端領(lǐng)域的技術(shù)要求提高，傳統(tǒng)的制造設(shè)備及工藝已不能滿足需要，限縮了其應(yīng)用范圍[4]，而AM可以從源頭解決傳統(tǒng)工藝的不利影響，成為制造鈦合金零件的新型技術(shù)。

不少研究報道了鈦合金可以應(yīng)用不同的AM方法來處理，如粉末床熔化技術(shù)（PBF）和直接能量沉積技術(shù)（DED）等[5-9]。而第一批采用SLM技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)的Ti6Al4V（TC4）合金，目前對其研究主要集中在疲勞裂紋生成行為與微觀組織之間的關(guān)系等方面。Leuders[10]研究發(fā)現(xiàn)，通過SLM制造的TC4合金內(nèi)部的納米級空隙是影響合金疲勞強度的主要原因，而其中影響最突出的是殘余應(yīng)力。張升等[11]通過激光交替掃描制備TC4合金研究發(fā)現(xiàn)，采用SLM技術(shù)的合金成形過程中的裂紋具有典型的穿晶斷裂特征，且主要是冷裂紋，這是因為在SLM成形過程中零件所處的環(huán)境溫度很高，導(dǎo)致內(nèi)部存在一定的殘余應(yīng)力，而合金中的馬氏體組織抗裂紋能力低，最終在殘余應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋，并逐漸擴散，直到分解成微小裂紋后才會停止擴散。鈦合金的微觀組織由于在AM加工過程中快速凝固而顯示出柱狀晶粒，這種微觀結(jié)構(gòu)通常出現(xiàn)在AM加工的零件中，且往往沿著制造方向在多層中生長，有研究表明，柱狀晶粒的形態(tài)會導(dǎo)致AM加工零件的各向異性[12-13]。

研究人員報道了在使用AM處理的Ti6Al4V試樣中獲得針狀馬氏體α相[9]，這些相會降低Ti6Al4V試樣的延展性，但能提高強度。延展性的提高一般是對試樣進行后熱處理，將α相分解為α和β相[14-15]。朱加雷等[16]通過使用SLM技術(shù)并采用不同激光功率制備TC4合金試樣發(fā)現(xiàn)，不同的激光功率對合金內(nèi)部的缺陷數(shù)量會產(chǎn)生影響，功率越大，針狀α相組織分布越均勻，強度越好。最近的研究還表明，使用AM鈦合金可以制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如多孔結(jié)構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu)（見圖6）。與塊狀鈦相比，AM制造的鈦合金多孔結(jié)構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu)的機械性能顯示了更高的能量吸收能力和耐沖擊性[17-18]。由于美國食品和藥物管理局（FDA）已批準(zhǔn)AM制造的鈦植入物，鈦合金在AM的幫助下進行進一步的設(shè)計修改可為醫(yī)療植入物帶來巨大發(fā)展。

圖6 使用SLM技術(shù)制造的多孔與晶格結(jié)構(gòu)Fig.6 Porous and lattice structures fabricated by SLM

2.2 鋁合金

鋁合金雖然使用量很大，在硬度導(dǎo)電性及熱導(dǎo)率等方面也具有良好的性能，但是由于較差的激光吸收率和低的可焊性，易于AM技術(shù)制造的鋁合金仍然受限。不過，其在AM技術(shù)制造方面仍具有很高的研究價值與潛力。目前，用于增材制造的常見鋁合金是共晶Al-Si和Al-Si-Mg合金（如Al12Si和AlSi10Mg）。這些合金中都包含Si，而Si在合金制造過程中可以增加合金對激光的吸收率[15]。

史淑文等[19]采用SLM研究了Al12Si合金的力學(xué)性能，得出合金在激光能量密度為200J/mm3時拉伸強度、屈服強度及延伸率達到最大，且Si相析出和生長可以降低合金的硬度與強度，但對韌性和阻尼系數(shù)有一定的提高。Siddique等[20]通過AM技術(shù)對Al12Si合金的研究得出，對合金裂紋的生長和疲勞行為的有效控制方法是對基板進行預(yù)熱處理。Espa?a等[21]通過DED制成的Al12Si材料具有良好的微觀結(jié)構(gòu)，在Al基體中嵌入了共晶Si，從而提高了熱性能。Zhao等[22]研究了SLM制造技術(shù)對合金微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)共晶相中的Si顆粒形貌及硬度與激光掃描速度有密切關(guān)系。

Read等[23]研究了SLM工藝對AlSi10Mg合金機械性能的影響，經(jīng)SLM工藝優(yōu)化后AlSi10Mg合金可以抵抗400MPa的拉伸強度，這是很少的采用較全面系統(tǒng)的試驗設(shè)計方法進行SLM工藝優(yōu)化的研究。另一項研究表明，通過AM加工形成的細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)與基于鑄造的相同材料相比，通過激光PBF加工的AlSi10Mg具有出色的抗氣蝕性能[24]。

目前還缺乏有關(guān)打印參數(shù)、粉體性能對合金打印件性能的影響機理的研究，尤其是有關(guān)打印件致密化的作用機制與鋁合金粉體之間的聯(lián)系仍缺乏更深入探索，這方面的工作急需展開。

2.3 不銹鋼

不銹鋼因其優(yōu)良的抗化學(xué)腐蝕、耐高溫和力學(xué)性能，是最早應(yīng)用于AM的材料。奧氏體、馬氏體等都已通過AM進行了加工。與常規(guī)生產(chǎn)的鋼相比，增材制造的鋼表現(xiàn)出不同的微觀結(jié)構(gòu)和析出相，這也可能是導(dǎo)致其機械性能變化的原因[25]。通常對AM加工鋼進行熱處理，以獲得所需性能。有研究表明，通過激光PBF技術(shù)處理的SS316L具有完全的奧氏體和柱狀晶粒，尺寸約1μm[26-27]，相較于傳統(tǒng)工藝制造的SS316L精細(xì)得多。還有研究表明，奧氏體和鐵素體相均來源于經(jīng)DED處理的SS316L。在DED處理中，凝固過程中微偏析導(dǎo)致Cr和Mo富集，這兩者都是鐵素體相穩(wěn)定劑[28-29]。雖然在PBF SS316L中也發(fā)現(xiàn)了Cr和Mo的富集，但鐵素體相穩(wěn)定劑的量不足以穩(wěn)定鐵素體相區(qū)。此外，在馬氏體不銹鋼方面，激光熔覆420不銹鋼件的耐腐蝕比常規(guī)鍛造420不銹鋼件提高了30%，目前市場上以2Cr13和17-4PH兩種材料為主，德國EOS公司還特別研制了MS1和PH1等牌號合金供增材制造技術(shù)專用。Yan等[25]報道了由PBF制成的奧氏體SS材料可提高強度而不影響延展性。使用新的增材制造機器，可以通過調(diào)整加工參數(shù)來監(jiān)視和控制冷卻速率，以獲得不同鋼材的定制機械性能。

2.4 其他合金

高溫合金指可以持續(xù)承受一定應(yīng)力并在600℃以上的環(huán)境下長時間穩(wěn)定工作的一類金屬材料，一般按照合金基體種類可以分為鐵基、鎳基、鈷基三類[30]。高溫合金在航天發(fā)動機等重要領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，合金用量比例非常高，最高可達60%。由于航空發(fā)動機等領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊笤絹碓礁?，傳統(tǒng)的鑄錠冶金工藝已不能滿足[31]，而增材制造技術(shù)因其技術(shù)優(yōu)勢，在高溫合金成形中成為解決技術(shù)瓶頸的新方法。張穎等[32]通過對Inconel 718合金采用SLM工藝研究發(fā)現(xiàn)，合金的微觀組織經(jīng)歷了粗大柱狀晶、聚集的枝晶、細(xì)長且均勻分布的柱狀枝晶等組織變化，而這些組織變化與其在加工中的激光能量密度增大有關(guān)。Zhang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，通過SLM成形制造的鈷合金烤瓷牙較傳統(tǒng)鑄造工藝具備更強的硬度，其鈷鉻離子含量釋放很低，完全符合ISO安全標(biāo)準(zhǔn)。

鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)合金，因其特殊的高強度和阻尼性能，非常有潛力在諸多應(yīng)用領(lǐng)域替代鋼和鋁合金，如在航空領(lǐng)域，部件輕量化可降低燃料使用量，以及優(yōu)秀的生物相容性較傳統(tǒng)合金更有應(yīng)用前景[34-35]。Wei等[36]研究發(fā)現(xiàn)，AZ91D合金在能量密度為83-167J/mm3之間能夠獲得無明顯宏觀裂紋的高密度粉末，樣品均出現(xiàn)分層特征，相鄰軌道和層堆疊在一起，顯微硬度均顯示方向獨立性，室溫環(huán)境下的顯微硬度和抗拉強度優(yōu)于壓鑄樣品，細(xì)化和固溶強化是AZ91D的主要強化機制。Ng等[37]在高純氬氣環(huán)境下使用Nd:YAG激光熔化鎂粉的研究中發(fā)現(xiàn)，激光能量密度對樣品的硬度影響較大，并成反比關(guān)系，因此就如何降低氧化和熱影響區(qū)對合金的影響，提高制件質(zhì)量，需要進一步優(yōu)化工藝參數(shù)。

3 未來挑戰(zhàn)與趨勢

在過去三十年中，金屬增材制造已經(jīng)改變了制造業(yè)。由于AM具有定制每種產(chǎn)品的獨特能力，因此AM在概念模型和小批量生產(chǎn)中非常受歡迎，例如與患者匹配的醫(yī)療植入物或與太空旅行相關(guān)的部件就需要這種能力，但其可能不適合功能部件的大批量制造。但近年來，小批量大型金屬零件的增材制造也有大量需求，且某些PBF系統(tǒng)是專門為滿足此類需求而設(shè)計的。在關(guān)鍵挑戰(zhàn)中，原材料可能是第一個要考慮的。在線缺陷檢測是AM的另一個重要領(lǐng)域，可以最大程度地減少質(zhì)量差的零件。金屬AM零件的非破壞性測試方法對于制造關(guān)鍵零件變得越來越重要。尺寸公差和各向同性一直是增材制造加工零件面臨的挑戰(zhàn)，這些在未來幾年仍會是活躍的研究主題。

在發(fā)展方向上，未來十年，不同結(jié)構(gòu)多材料增材制造將是令人興奮的話題。對AM操作的現(xiàn)場在線監(jiān)測會更加復(fù)雜，以最大程度地減少操作員的干預(yù)。金屬AM的加工參數(shù)會極大地影響零件的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能，因此，了解加工參數(shù)對于金屬增材制造的影響至關(guān)重要。盡管AM技術(shù)多年來已經(jīng)成熟，但進一步改善工藝性能以提高零件質(zhì)量和可靠性仍然面臨挑戰(zhàn)。可以預(yù)見的是，金屬增材制造未來會在多個領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。