【解析】金屬增材制造技術(shù)大解析

金屬增材制造技術(shù)作為３Ｄ打印技術(shù)的一個(gè)重要分支，在２０余年的發(fā)展中取得了顯著的進(jìn)展。接下來，南極熊重點(diǎn)從制件組織結(jié)構(gòu)、制件性能、制件微觀缺陷、成形工藝等方面分析了針對(duì)鈦合金、 鎳基高溫合金等常用材料的增材制造技術(shù)研究新進(jìn)展，探討了增材制造技術(shù)發(fā)展所面臨的技術(shù)問題以及需要重點(diǎn)考慮的發(fā)展方向。

作為一種全新概念的制造技術(shù)， 增材制造技術(shù)自２０世紀(jì)９０年代出現(xiàn)以來，經(jīng)過２０余年的發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新蓬勃發(fā)展的源泉，以“３Ｄ打印技術(shù)”為全新概念的增材制造技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前包括美國(guó)在內(nèi)的世界主要制造大國(guó)實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新、 提振本國(guó)制造業(yè)的重要著力點(diǎn) 。中國(guó)政府積極推進(jìn)３Ｄ打印技術(shù)在制造業(yè) 的技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)程。

在工業(yè)和信息化部的支持下，２０１２年成立“中國(guó)３Ｄ打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”。２０１３ 年，中國(guó)３Ｄ打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成功舉辦首屆世界 ３Ｄ打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)， 并與亞洲制造業(yè)協(xié)會(huì)、英國(guó)增材制造聯(lián)盟、比利時(shí)Ｍａｔｅｒｉａｌｉｓｅ公司、德國(guó)ＥＯＳ公司、美國(guó)３ＤＳｙｓｔｅｍ公司等組織共同發(fā)起成立世界３Ｄ打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的號(hào)召，高度凸顯了中國(guó)３Ｄ打印技術(shù)在全球３Ｄ打印技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的重要 引領(lǐng)作用。作為增材制造技術(shù)基礎(chǔ)研究的支持機(jī)構(gòu)，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)機(jī)械工程學(xué)科在“十三五”學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃設(shè)想中明確將增材制造技術(shù)作為跨學(xué)科學(xué)部交叉優(yōu)先領(lǐng)域進(jìn)行布局，以進(jìn)一步提升中國(guó)增材制造技術(shù)的自主創(chuàng)新能力。


１ 金屬增材制造技術(shù)概況
直接制造金屬零件以及金屬部件，甚至是組裝好的功能性金屬制件產(chǎn)品，無疑是制造業(yè)對(duì)增材制造技術(shù)提出的終極目標(biāo)。早在２０世紀(jì)９０年代增材制造技術(shù)發(fā)展的初期（ 當(dāng)時(shí)稱之為“快速原型制造技術(shù)”或“快速成形技術(shù)”），研究人員便已經(jīng)嘗試基于各種快速原型制造方法所制備的非金屬原型， 通過后續(xù)工藝實(shí)現(xiàn)了金屬制件的制備。與立體光造型、疊層制造、熔融沉積成型、三維打印等快速原型制造技術(shù)相比，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，由于其使用粉末材料的特點(diǎn)，為制備金屬制件提供了一種最直接的可能。

ＳＬＳ技術(shù)利用激光束掃描照射包覆有機(jī)粘接劑的金屬粉末，獲得具有金屬骨架的零件原型，通過高溫?zé)�結(jié)、金屬浸潤(rùn)、熱等靜壓等后續(xù)處理，燒蝕有機(jī)粘接劑并填充其他液態(tài)金屬材料， 從而獲得致密的金屬零件。隨著大功率激光器在快速成形技術(shù)中的逐步應(yīng)用，ＳＬＳ技術(shù)隨之發(fā)展成為選區(qū)激光熔化成形技術(shù)。ＳＬＭ技術(shù)利用高能量的激光束照射預(yù)先鋪覆好的金屬粉末 材料，將其直接熔化并固化，成形獲得金屬制件。在ＳＬＭ技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，基于激光熔覆技術(shù)，逐漸形成了金屬增材制造技術(shù)研究的另一重要分枝———激光快速成形技術(shù)或激光立體成形技術(shù)。

該技術(shù)起源于美國(guó)Ｓａｎｄｉａ國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的激光近凈成形技術(shù)，利用高能量激光束將與光束同軸噴射或側(cè)向噴射的金屬粉末直接熔化為液態(tài)， 通過運(yùn)動(dòng)控制，將熔化后的液態(tài)金屬按照預(yù)定的軌跡堆積凝固成形，獲得從尺寸和形狀上非常接近于最終零件的“近形”制件，并經(jīng)過后續(xù)的小余量加工后以及必 要的后處理獲得最終的金屬制件。

基于ＳＬＳ技術(shù)的ＳＬＭ技術(shù)和基于ＬＥＮＳ技術(shù)的ＬＲＦ技術(shù)作為金屬增材制造技術(shù)的兩個(gè)主要研究熱點(diǎn)，引領(lǐng)著當(dāng)前金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展。由于具有極高的制造效率、材料利用率以及良好的成形性能等優(yōu)勢(shì)，金屬增材制造技術(shù)從一開始便被應(yīng)用于航空航天等高端制造領(lǐng)域的高性能金屬材料和稀有金屬材料的零部件制造。經(jīng)過２０余年的發(fā)展，中國(guó)國(guó)內(nèi)金屬增材制造技術(shù)在材料、工藝、裝 備以及成形性能等各個(gè)方面均得到長(zhǎng)足的發(fā)展，并且已經(jīng)在航空航天等高端制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了初步應(yīng) 用。

２ 研究進(jìn)展
金屬增材制造技術(shù)對(duì)高性能金屬材料（包括稀有金屬材料）而言，是一種極為有利的加工制造技術(shù)。相較于材料去除（或變形）的傳統(tǒng)加工和常見的特種加工技術(shù)， 基于材料增加的金屬增材制造技術(shù)有著極高的材料利用率。當(dāng)前增材制造技術(shù)的金屬材料主要集中在航空航天用鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)鋼以及鋁合金等材料體系。研究人員以上述金屬材料為研究對(duì)象， 從制件組織結(jié)構(gòu)、制件性能、制件缺陷以及成形工藝等方面對(duì)金屬增材制造技術(shù)開展了廣泛的研究。

2.1制件組織結(jié)構(gòu)
鈦合金材料是當(dāng)前金屬增材制造技術(shù)最主要的研究對(duì)象。在對(duì)航空用ＴＣ４鈦合金激光成形的研究中，陳靜等發(fā)現(xiàn)制件的組織結(jié)構(gòu)為粗大的柱狀 晶，在粗大的β晶粒內(nèi)是細(xì)小的針狀馬氏體α′ ；薛蕾等在研究中發(fā)現(xiàn)制件的組織結(jié)構(gòu)為柱狀原始 β晶界內(nèi)編織細(xì)密的α＋β網(wǎng)籃組織 ； 而張霜銀等的進(jìn)一步研究獲得了ＴＣ４鈦合金制件組織結(jié)構(gòu) 中柱狀晶向等軸晶（ＣＥＴ）轉(zhuǎn)變的時(shí)機(jī)及其Ｐ／Ｖ 值 。昝林等發(fā)現(xiàn)ＴＣ２１激光成形制件組織結(jié)構(gòu) 為粗大的沿沉積高度方向外延生長(zhǎng)的原始β柱狀晶，僅最后一層熔覆層頂部為較細(xì)小的β等軸晶， 在宏觀上存在針狀馬氏體區(qū)和網(wǎng)籃組織區(qū) 。王彬等發(fā)現(xiàn)Ｔｉ６０棒狀試樣的組織結(jié)構(gòu)是以棒材軸心呈微“ 八”字形對(duì)稱分布的定向生長(zhǎng)柱狀晶構(gòu)成，柱狀晶內(nèi)部為近乎無側(cè)向分枝的胞狀晶組織。

賀瑞軍等在對(duì)Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｚｒ－Ｍｏ－Ｖ合金的成形研究中 發(fā)現(xiàn)制件具有均勻細(xì)小的α／β雙相片層組織， 且片層取向隨機(jī)多樣，分布均勻。趙張龍等采用ＳＬＭ＋等溫鍛造復(fù)合工藝制備的ＴＣ１７鈦合金制 件，其組織結(jié)構(gòu)主要由粗大β柱狀晶粒組成，經(jīng)相變點(diǎn)上、下等溫鍛造及熱處理后，制件組織結(jié)構(gòu)主要由條狀和細(xì)小等軸α相組成， 僅經(jīng)相變點(diǎn)以下等溫鍛造及熱處理后，制件組織主要由細(xì)小等軸α相 組成，仍存在有少量的原始β晶粒邊界 。在鎳基高溫合金材料的激光成形中，馮莉萍等發(fā)現(xiàn)Ｒｅｎｅ９５高溫合金制件的組織結(jié)構(gòu)為定向凝固柱狀枝晶，組織細(xì)密，枝晶一次間距為５～３０ μ ｍ，二次臂很小或者完全退化，其在ＦＧＨ９５合金制件中也獲得了相似結(jié)論，其組織結(jié)構(gòu)由細(xì)小柱狀枝晶組織組成，枝晶一次間距約為１０μｍ， 二次臂退化。

由于局部凝固條件的不同，枝晶干區(qū)域的γ ′相為球形、枝晶間區(qū)域的γ′相為立方體形態(tài)，尺度均小于０．１μｍ 。林鑫在３１６Ｌ不銹鋼制件中發(fā)現(xiàn)其組織呈現(xiàn)全γ奧氏體結(jié)構(gòu)，γ奧氏體從基體外延生長(zhǎng)成柱狀枝晶，并顯示較強(qiáng)的晶體取向性，其＜１００＞晶向基本平行沉積方向，僅在頂部出現(xiàn)一薄層轉(zhuǎn)向枝 晶。賈文鵬等通過建立的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)了３１６Ｌ不銹鋼激光快速成形制件的組織結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng) 柱狀晶，并且獲得了不發(fā)生ＣＥＴ轉(zhuǎn)變的控制條 件 。董翠等制備的３００Ｍ超高強(qiáng)度鋼制件其組 織結(jié)構(gòu)則具有細(xì)小均勻的快速凝固胞狀樹枝晶， 其顯微組織為馬氏體與貝氏體混合組織 。王小軍等在對(duì)Ａｌ－ １２Ｓｉ合金激光成形的研究中發(fā)現(xiàn)，在相鄰激光相互作用形成德爾熱影響區(qū)內(nèi)有粗大的針狀初生Ｓｉ形成， 其余部分由納米級(jí)球狀Ｓｉ顆粒鑲嵌在Ａｌ基體中組成 。

2.2 制件性能
比對(duì)基于傳統(tǒng)制造方法的制造規(guī)范和制造標(biāo)準(zhǔn)，激光增材制造制件性能的達(dá)到程度決定著該項(xiàng)技術(shù)在工程實(shí)際中的應(yīng)用程度。李懷學(xué)等發(fā)現(xiàn)ＴＣ４鈦合金制件室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到１  １００ＭＰａ，達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)，硬度在３ ３００～３  ５００ＭＰａ之間，各向硬度差異不顯著 。高士友等發(fā)現(xiàn)，ＴＣ４鈦合金 制件盡管其組織結(jié)構(gòu)類似于鑄造，但其抗拉強(qiáng)度達(dá) 到了鍛造制件的水平 。陳靜等制備的ＴＣ４鈦 合金制件的室溫及３００℃拉伸強(qiáng)度及塑性指標(biāo)均 達(dá)到或超過鍛造件水平。

張方等發(fā)現(xiàn)Ｔｉ６０合金制件的硬度要高于鍛件指標(biāo)，室溫和６００℃高溫拉伸強(qiáng)度均高于鍛件， 室溫塑性略低于鍛件，而高溫塑性與鍛件相當(dāng)，其 進(jìn)一步的研究表明Ｔｉ６０合金制件在進(jìn)行雙重退火熱處理后，其室溫和高溫（６００℃）下的拉伸強(qiáng)度略有下降，但塑性顯著增高，綜合力學(xué)性能得到提 高 。陳靜等發(fā)現(xiàn)Ｔｉ６０制件的組織結(jié)構(gòu)以及粉 末材料的制備方法會(huì)使鈦合金制件的高溫持久性能發(fā)生大幅度變化。較高的功率密度所形成的魏氏組織相較較低功率密度形成的網(wǎng)籃組織其高溫持久性顯著降低，采用氣霧化法制備的粉末在制件中形成的氣孔會(huì)導(dǎo)致其高溫持久性能降幅達(dá) ３００％ 。于翔天等制備的ＴｉＢ＋ＴｉＣ增強(qiáng)ＴＡ１５ 復(fù)合材料制件，當(dāng)ＴｉＢ＋ＴｉＣ增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)約為 ９％時(shí)，制件抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高了１２％， 分別達(dá)到１  ０４０ＭＰａ及９３５ＭＰａ 。馮莉萍等發(fā)現(xiàn)ＦＧＨ９５合金的成形制件的拉伸強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到粉末冶金的９７．９％， 塑性超過粉末冶金制件 。

金具濤等發(fā)現(xiàn)激光成形Ｒｅｎｅ９５ 合金的室溫抗拉強(qiáng)度為１  ２４７ＭＰａ，較粉末冶金Ｃ級(jí)水平略低，而沿沉積高度方向的延伸率為 １６．２％， 高于粉末冶金Ａ級(jí)水平 。楊海歐等研究表明，對(duì)Ｒｅｎｅ９５高溫合金激光快速成形制件進(jìn) 行固溶＋時(shí)效熱處理后，其強(qiáng)度指標(biāo)接近粉末冶金Ｃ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)， 塑性指標(biāo)超過粉末冶金Ａ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。試樣平均硬度達(dá)到ＨＶ４９６．３ 。趙曉明等對(duì)Ｒｅ－ｎｅ８８ＤＴ高溫合金制件進(jìn)行時(shí)效熱處理后，發(fā)現(xiàn)其抗拉強(qiáng)度提高了４００ＭＰａ ，屈服強(qiáng)度接近同種材料的粉末鍛造水平。袁源等制備的鐵基固溶體α增韌Ｆｅ９Ｃｒ９Ｓｉ２三元金屬硅化物合金制件，其韌性明顯改善，在干 滑動(dòng)摩擦條件下，具有較低的摩擦系數(shù)。董翠等制備的３００Ｍ超高強(qiáng)度鋼制件室溫拉伸性能接 近同質(zhì)材料的鍛件水平 。

2.3制件微觀缺陷
對(duì)金屬增材制造制件性能的研究發(fā)現(xiàn)，制件性能盡管在個(gè)別指標(biāo)能夠達(dá)到同質(zhì)材料的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范， 但總體上還是存在著一定的差距，其主要原因在于增材制造技術(shù)成形機(jī)理的固有特性———“瞬態(tài)熔凝過程”所導(dǎo)致的制件內(nèi)部的微觀缺陷，如裂紋、空洞等，其產(chǎn)生的原因包括工藝參數(shù)配置不當(dāng)、內(nèi)應(yīng)力以及熔合不良等。 張鳳英等對(duì)鈦合金制件圍觀缺陷的產(chǎn)生進(jìn)行了深入的研究， 發(fā)現(xiàn)由于鈦合金本身所特有的優(yōu)良的塑性性能， 其制件往往很少出現(xiàn)裂紋，但在制件內(nèi)部大多存在微氣孔以及熔合不良等缺陷。

此外，成形件內(nèi)部的氣孔形貌呈球形，在成形件內(nèi)部的分布具有隨機(jī)性，氣孔是否形成取決于粉末材料的松裝密度等特性， 氧含量對(duì)氣孔的形成沒有影響。熔合不良缺陷形貌一般呈不規(guī)則狀，主要分布在各熔覆層的層間和道間，其是否產(chǎn)生取決于成形特征參量是否匹配，其中最顯著的影響因素是能量密度、 多道間搭接率以及Ｚ軸單層行程。陳靜等的研究表明：３１６Ｌ不銹鋼激光快速成形容易產(chǎn)生開裂，裂紋多發(fā)生在樹枝晶的晶界，呈現(xiàn)出典型的沿晶開裂特征。熔覆層中的裂紋是凝固裂紋，屬于熱裂紋范疇。

裂紋產(chǎn)生的主要原因是熔覆層組織在凝固溫度區(qū)間晶界處的殘余液相受到熔覆層中的拉應(yīng)力作用所導(dǎo)致的液膜分離的結(jié) 果 。盧朋輝在對(duì)Ｋ４１８高溫合金的開裂研究中也發(fā)現(xiàn)了制件內(nèi)裂紋為與液膜有關(guān)的結(jié)晶裂紋裂紋沿枝晶晶界擴(kuò)展 。趙曉明對(duì)Ｒｅｎｅ８８ＤＴ激光快速成形裂紋的研究中發(fā)現(xiàn)裂紋為液化裂紋，與鈦 合金相似，也具有典型的沿晶開裂特征 。賀瑞軍等在對(duì)Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｚｒ－Ｍｏ－Ｖ合金在高周疲勞失效中的變形行為的研究中發(fā)現(xiàn)鈦合金制件的疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展中的變形行為都與其位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和滑移行為密切相關(guān)。疲勞裂紋擴(kuò)展中的滑移主要沿兩個(gè)滑移面進(jìn)行，裂紋擴(kuò)展亞表面存在大量二次裂 紋。

2.4成形工藝
在特定的成形材料的前提下，工藝研究是金屬增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容，也是制件內(nèi)缺陷消除、 制件性能提高的必由之路。研究人員在金屬增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)工藝研究中投入了大量的工作，從基礎(chǔ)工藝參數(shù)、成形氣氛、材料預(yù)處理、制件熱處理等方面開展了廣泛的研究，甚至考慮采用其他的 能量來源代替激光光源。環(huán)境中的氧含量對(duì)成形工藝包括激光沉積工藝、成形質(zhì)量、粉末利用率、熔覆層是否開裂等具有顯著影響。陳靜等認(rèn)為氧含量嚴(yán)格控制在０．０２％以下時(shí)，可獲得表面平整光潔、無裂紋等缺陷的 ＴＣ４薄壁試樣 。

劉奮成等對(duì)比了氬氣和空氣環(huán)境中Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８鎳基高溫合金的成形， 發(fā)現(xiàn)在兩種氣氛環(huán)境下制件組織結(jié)構(gòu)基本相同，均為沿成形方向連續(xù)生長(zhǎng)的粗大柱狀枝晶，組織細(xì)密，均勻；空氣環(huán)境中制件拉伸強(qiáng)度略高于氬氣環(huán)境中制件的拉伸強(qiáng)度，但是前者的塑性略低，疲勞性能比后者約低３０％， 其原因是制件中較多的氧化物夾雜和顯微氣孔等缺陷。譚華等則研究了以單元素混合粉末代替預(yù)合金粉末為原料制備Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ制件，可在較大程度上控制氧含量，僅約０．１％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），且其室溫拉伸性能提高較多，超過鍛件標(biāo)準(zhǔn) 要求 。

陳靜等在對(duì)Ｔｉ６０合金的成形研究中發(fā) 現(xiàn)，采用氣霧化法制備的粉末非常容易在制件中形 成氣孔，其高溫持久性能降幅達(dá)３００％ 。謝德巧等則在熔池中引入脈沖電流，利用脈沖電流在熔池中產(chǎn)生的磁致壓縮力用以擠壓熔池中形成的氣泡， 以期減少制件中孔隙的數(shù)量以及尺寸。激光增材制造的瞬態(tài)熔凝過程所產(chǎn)生的極高的溫度梯度，極易在制件內(nèi)部形成封閉的內(nèi)應(yīng)力。楊健等在對(duì)３１６Ｌ不銹鋼激光快速成形制件的殘余應(yīng)力的研究中發(fā)現(xiàn)，制件內(nèi)部的殘余應(yīng)力以拉應(yīng)力作用為主，垂直于掃描方向的殘余應(yīng)力相較于平行方向要小一些，隨著制件高度增加，拉應(yīng)力逐漸 減小，有改變?yōu)閴簯?yīng)力的趨勢(shì) 。

為了降低或消除內(nèi)應(yīng)力對(duì)制件性能所產(chǎn)生的影響，王凱等采取了采用基板預(yù)熱的方法以控制薄壁制件內(nèi)應(yīng)力以及 內(nèi)應(yīng)力引起的變形 。張霜銀等對(duì)ＴＣ４成形制 件和經(jīng)熱處理后的殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)靠近 基材處的殘余應(yīng)力為較大的壓應(yīng)力， 隨著制件高度的增加， 到頂部轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小的拉應(yīng)力。去應(yīng)力退火熱處理后，制件的殘余應(yīng)力分別降低５９．８％和７２．３％，固溶時(shí)效處理后殘余應(yīng)力分別降低６４．７％ 和６７．８％。鈦合金制件的殘余應(yīng)力總體屬于低應(yīng)力水平，制件經(jīng)熱處理后殘余應(yīng)力分布趨于平緩，可有效地消除和調(diào)整激光成形過程產(chǎn)生的殘余應(yīng) 力 。

戚永愛則利用噴丸強(qiáng)化的輔助方法對(duì)成形過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)處理， 制件內(nèi)沿著掃描方向殘余應(yīng)力消除達(dá)到９３．６４％；垂直于掃描方向的殘余應(yīng)力受超聲沖擊作用由拉應(yīng)力變?yōu)閴?應(yīng)力。對(duì)制件進(jìn)行后續(xù)熱處理是當(dāng)前金屬增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提高的主要工藝手段。陳靜等研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金制件進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理后所獲得的網(wǎng)籃組織綜合性能最好，不論是強(qiáng)度指標(biāo)還是塑性指標(biāo)都高于鍛件標(biāo) 準(zhǔn) 。張霜銀等對(duì)ＴＣ４鈦合金成形制件進(jìn)行去 應(yīng)力退火和固溶時(shí)效處理， 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)退火處理后性能改善不明顯，塑性有所提高，而經(jīng)固溶時(shí)效熱處理后塑性有明顯提高，且強(qiáng)度降低不大，具有 良好的綜合力學(xué)性能。

王俊偉等對(duì)ＴＣ１７的同 類研究表明，成形制件在組織結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出與 ＴＣ４相同的變化 。張小紅等研究了對(duì)ＴＡ１５鈦合金制件的退火、 固溶時(shí)效以及雙固溶時(shí)效處理。結(jié)果表明經(jīng)退火處理后塑性得到了提高，具有良好的綜合拉伸性能，達(dá)到了鍛件退火態(tài)的拉伸性能標(biāo) 準(zhǔn)；經(jīng)固溶時(shí)效處理后，制件強(qiáng)度顯著提高 。林鑫等對(duì)Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金制件進(jìn)行退火處理后，制件組織結(jié)構(gòu)原有的等軸α＋層狀α＋β雙態(tài)組織經(jīng)熱影響區(qū)連續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫��?nèi)分布魏氏α＋β的外延生長(zhǎng)的粗大柱狀晶組織，修復(fù)區(qū)中α板條有粗化趨勢(shì)，綜合力學(xué)性能得到一定改善，塑性有所提高，其靜載拉伸性能達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)， 再輔以噴丸處理，制件的低周疲勞性能達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)要求 。趙曉明等研究了時(shí)效時(shí)間對(duì)激光快速成形后時(shí)效硬化鎳基高溫合金Ｒｅｎｅ８８ＤＴ中沉淀相組織演化和力學(xué)性能的影響。

發(fā)現(xiàn)隨時(shí)效時(shí)間的增加 制件組織中沉淀相顆粒粗化明顯，成形件經(jīng) １  １６０℃、２ｈ、２００ＭＰａ熱等靜壓的高壓、高溫固溶處理后，裂紋得到明顯的愈合修復(fù)，在原裂紋附近析出ＭＣ型碳化物。將熱等靜壓處理后的成形件 進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理后，拉伸強(qiáng)度和塑性均明顯提高，綜合力學(xué)性能接近粉末冶金Ｒｅｎｅ８８ＤＴ的標(biāo)準(zhǔn) 。趙衛(wèi)衛(wèi)等對(duì)Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８制件進(jìn)行直接時(shí)效處理后發(fā)現(xiàn)硬度和拉伸強(qiáng)度均明顯提高，合金性能得到進(jìn)一步改善， 室溫、高溫拉伸強(qiáng)度和塑性都達(dá)到了高強(qiáng)鍛件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Ｑ／３Ｂ５４８－１９９６（高強(qiáng)）  。從能量源角度出發(fā)，鎖紅波等利用電子束代替激光實(shí)現(xiàn)了Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ鈦合金制件的制備，制件經(jīng)退火處理后拉伸性能可滿足ＡＭＳ４９９９標(biāo)準(zhǔn)的要 求，但與鍛件標(biāo)準(zhǔn)ＨＢ５４３２相比仍有差距 。

2.5梯度材料
為實(shí)現(xiàn)某種或某幾種功能或性能，而不僅僅局限在單一材料體系，增材制造技術(shù)為設(shè)計(jì)方法的變革提供了一條嶄新的途徑，基于增材制造技術(shù)的梯度功能材料就是最為典型的應(yīng)用。楊海歐等制備了從１００％３１６Ｌ到１００％Ｒｅｎｅ８８ＤＴ成分連續(xù)漸變的梯度材料制件。制件組織致密，在過渡層內(nèi)，隨著Ｒｅｎｅ８８ＤＴ合金所含比例的逐漸提高，硬度和一次枝晶間距持續(xù)增大，硬度值從底部１００％３１６Ｌ的１８６ＨＶ連續(xù)漸變到頂端１００％Ｒｅｎｅ８８ＤＴ的４５８ＨＶ。平均一次枝晶間距由底部的１２．４１μｍ 逐漸增大到頂部的１６．９９μｍ 。劉建濤等制備了從Ｔｉ到Ｔｉ２ＡｌＮｂ成分連續(xù)漸變、外形規(guī)則、高度為１７ｍｍ的梯度材料制件。

隨著Ａｌ和Ｎｂ成 分的提高，Ｔｉ－Ｔｉ＿２ＡｌＮｂ功能梯度材料實(shí)現(xiàn)了由α型鈦合金經(jīng)過α＋β型及β型鈦合金向Ｔｉ＿２ＡｌＮｂ 基合金的轉(zhuǎn)變 。解航等成功制備了ＣｏＣｒＭｏ體 積分?jǐn)?shù)１０％的無裂紋Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ－ＣｏＣｒＭｏ梯度材料 制件，用于人工關(guān)節(jié)的制備 。許小靜等進(jìn)行了Ｔｉ－ ８０％Ｎｉ（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）合金的工藝研究，制件組織結(jié)構(gòu)由η－ＴｉＮｉ＿３板條和ＴｉＮｉ（Ｂ２）＋η共晶構(gòu)成，隨著激光掃描速率的增大，η板條逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣前鍡l＋（ＴｉＮｉ（Ｂ２）＋η） 共晶，隨著激光功率的增大，塊狀組織越細(xì)，形成（ＴｉＮｉ（Ｂ２）＋η ）離異共晶組織＋板塊間（ＴｉＮｉ（Ｂ２）＋η ）共晶組織 。

３ 發(fā)展前景
金屬增材制造技術(shù)作為一種全新理念的制造技術(shù)，自其出現(xiàn)之日起，便被工程材料領(lǐng)域的研究者們視為一種新的方法和手段，實(shí)現(xiàn)或者替代既有加工制造方法和材料制備方法。眾多的研究表明，當(dāng)前絕大多數(shù)關(guān)于增材制造技術(shù)的研究，其最終目標(biāo)依舊是基于某一材料體系的零件、部件或功能組 合制件的制備。無論是材料制備還是加工制造，無論是對(duì)制件組織結(jié)構(gòu)、制件性能的研究還是對(duì)制件微觀缺陷、成形工藝等的研究，其參考的標(biāo)準(zhǔn)依舊是既有加工制造和材料的指標(biāo)體系，從某種意義上講， 當(dāng)前增材制造技術(shù)的相關(guān)研究主要聚焦于對(duì)既有加工制造方法和材料制備方法的替代或者提升。

隨著對(duì)增材制造技術(shù)研究的深入和理解認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步拓展，人們逐步意識(shí)到增材制造技術(shù)的內(nèi)涵似乎已經(jīng)不僅僅局限于工程和材料學(xué)科，其所蘊(yùn)含的潛能正在逐步向外輻射，日益影響著其他學(xué)科的發(fā)展，甚至是社會(huì)生產(chǎn)模式、思維模式的變革，以 至于終將影響社會(huì)形態(tài)的發(fā)展。


北京航空航天大學(xué)王華明教授提出了金屬增材制造技術(shù)實(shí)際上是一個(gè)以高性能材料制備、內(nèi)部質(zhì)量控制為核心的“控形／控性”一體化制造技術(shù)，其面臨的關(guān)鍵問題是突破“內(nèi)應(yīng)力”控制及“變形開 裂”預(yù)防、“內(nèi)部質(zhì)量控制”及檢測(cè)評(píng)價(jià)等。


西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授認(rèn)為金屬增材制造技術(shù)發(fā)展目標(biāo)應(yīng)該是形成增材制造技術(shù)的設(shè)計(jì)、工藝、材料、 裝備和質(zhì)量等方面完整的學(xué)科與技術(shù)體系 。


華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)教授提出“制造改變?cè)O(shè)計(jì)”必將成為可能，增材制造技術(shù)將必然帶來對(duì)ＣＡＤ模型 的新的設(shè)計(jì)要求， 帶來設(shè)計(jì)方面革命性的變化。


華中科技大學(xué)史玉升教授提出了現(xiàn)代增材制造技術(shù)超越傳統(tǒng)單材均質(zhì)加工技術(shù)的３個(gè)突破，即材料復(fù)雜性、層次復(fù)雜性和功能復(fù)雜性，對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法提出了新的挑戰(zhàn)，即現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法必須引入新一代的復(fù)雜形狀建模、 復(fù)雜材料建模和復(fù)雜層次建模技術(shù)， 在更高層次上將上述復(fù)雜性統(tǒng)一起來。

西安交通大學(xué)盧秉恒院士不僅在技術(shù)層面提出了增材制造科學(xué)與技術(shù)所面臨的具體科學(xué)問題，包括在制造技術(shù)層面的材料與工藝與制造功能和質(zhì)量的關(guān)系、在設(shè)計(jì)層面的以材料和工藝為支持的功能驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法以及在系統(tǒng)層面的制造能力與設(shè)計(jì)智慧構(gòu)建的集散制造模式等，更在戰(zhàn)略層面上揭示了增材制造技術(shù)將會(huì)對(duì)社會(huì)形態(tài)發(fā)展帶來的影響的內(nèi)涵，充分展現(xiàn)了增材制造技術(shù)在新的社會(huì)發(fā) 展時(shí)期所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn) 。

金屬增材制造技術(shù)因其逐點(diǎn)堆積的過程，可以通過對(duì)“點(diǎn)”的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬件的“控形控性”的要求。在合適的工藝基礎(chǔ)上，金屬增材制造技術(shù)可完成鈦合金、高溫合金、不銹鋼等零件的高品質(zhì)、快速制造。提出了增材制造技術(shù)的新構(gòu)想：
一方面，基于既有制造／材料標(biāo)準(zhǔn)體系，以產(chǎn)品性能指標(biāo)（或稱產(chǎn)品質(zhì)量）為目標(biāo)，通過對(duì)制造過程的工藝配置，控制成形過程中制件的組織結(jié)構(gòu)，建立制件性能指標(biāo)—制件組織結(jié)構(gòu)—制造工藝參數(shù)的“ 關(guān)系數(shù)據(jù)鏈”，實(shí)現(xiàn)“基于性能驅(qū)動(dòng)的增材制造閉環(huán)控制” ；


另一方面，基于增材制造技術(shù)現(xiàn)狀，從觀念上正確認(rèn)識(shí)增材制造技術(shù)的規(guī)律性，接受并認(rèn)可增材制造技術(shù)的固有屬性，綜合考慮產(chǎn)品功能／性能、效率和成本的關(guān)系，建立增材制造技術(shù)產(chǎn)品獨(dú)立的評(píng)價(jià)體系。


編輯：南極熊
作者：趙劍峰 馬智勇 謝德巧 韓雪謙 肖 猛 （南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，增材制造（３Ｄ打�。┭芯克�，

综述