《中國(guó)激光》綜述-航空航天高性能金屬材料構(gòu)件激光增材制造

來(lái)源：中國(guó)激光

航空航天制造是當(dāng)今世界科技強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)方向之一，其發(fā)展離不開(kāi)兼具輕量化、難加工、高性能等特征的航空航天金屬構(gòu)件。激光增材制造技術(shù)為高性能金屬構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造開(kāi)辟了新的工藝技術(shù)途徑，可解決航空航天等領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程中對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、工藝、性能及應(yīng)用等提出的新挑戰(zhàn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在激光增材制造的新材料制備、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高性能/多功能構(gòu)件形性調(diào)控、航空航天應(yīng)用等方面取得了顯著的研究進(jìn)展。

南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、《中國(guó)激光》編委顧冬冬教授，受邀撰寫(xiě)《航空航天高性能金屬材料構(gòu)件激光增材制造》長(zhǎng)篇綜述論文，并作為封面論文發(fā)表。

論文系統(tǒng)論述了航空航天領(lǐng)域3類(lèi)典型應(yīng)用材料、4類(lèi)典型結(jié)構(gòu)的激光增材制造及航空航天應(yīng)用進(jìn)展，并對(duì)激光增材制造技術(shù)在材料-結(jié)構(gòu)-工藝-性能一體化方向進(jìn)行了總結(jié)和展望。

航空航天高性能制造,新型高性能材料
研制新型高性能材料是激光增材制造構(gòu)件力學(xué)性能及應(yīng)用水平提升的基礎(chǔ)保障。
金屬激光增材制造過(guò)程中易出現(xiàn)孔隙、裂紋、氧化夾雜、熔體球化與飛濺等一系列冶金缺陷，這是由材料的物理和化學(xué)特性本質(zhì)決定的。缺陷會(huì)顯著降低激光增材制造構(gòu)件成形性能。

以鋁合金為例，其特殊性質(zhì)（低密度、低激光吸收率、高熱導(dǎo)率及易氧化性等）決定了其是激光增材制造的典型難加工材料。很多高性能合金較難通過(guò)激光增材制造工藝獲得預(yù)期的高性能，主要是因材料的成分物性等參數(shù)并非專門(mén)為激光增材制造而設(shè)計(jì)，難以適用于激光快速熔化凝固過(guò)程及高度非平衡冶金熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為。

專用面向激光增材制造的Al-Mg-Sc-Zr合金可原位生成Al3(Sc,Zr)納米彌散強(qiáng)化相，成形件抗拉強(qiáng)度高于500 MPa，延伸率超過(guò)10%。新型研發(fā)的激光增材制造Ti-Cu合金可獲得細(xì)小等軸β-Ti晶粒，并具有很高的化學(xué)成分均勻性，成形件兼具高抗拉強(qiáng)度（867±8 MPa）和延伸率（14.9±1.9%），如圖1所示。對(duì)于激光增材制造高性能合金材料，全新的成分、物性、相變的設(shè)計(jì)及調(diào)控尤為重要，是提升增材制造構(gòu)件力學(xué)性能及應(yīng)用發(fā)展水平的物質(zhì)基礎(chǔ)與保障。

▲圖1 激光增材制造TC4合金與Ti-8.5Cu合金顯微組織對(duì)比：（a）TC4合金呈粗大柱狀晶組織；（b）Ti-8.5Cu合金呈細(xì)小完全等軸晶組織

“多相材料可設(shè)計(jì)性”、工藝“高可控性”

納米復(fù)合、原位增強(qiáng)及梯度界面設(shè)計(jì)是提升傳統(tǒng)金屬激光增材制造強(qiáng)韌化的有效途徑。

制備陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是傳統(tǒng)金屬?gòu)?qiáng)韌化的重要途徑之一。激光增材制造金屬基復(fù)合材料，在選材上突出“多相材料可設(shè)計(jì)性”，在增材制造工藝上強(qiáng)調(diào)“高可控性”，在使用成效上則凸顯“高性能/多功能”，這是增材制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。多相納米陶瓷復(fù)合、原位增強(qiáng)及梯度界面設(shè)計(jì)，可有效改善陶瓷/金屬界面潤(rùn)濕性及結(jié)合性，抑制界面微觀孔隙及裂紋，提升成形件力學(xué)性能。

如圖2所示，顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了高能激光特有的加熱方式、能量特點(diǎn)及冶金機(jī)制可使納米/原位陶瓷增強(qiáng)相具有新穎的微觀生長(zhǎng)及分布結(jié)構(gòu)，揭示了激光高度非平衡熔池內(nèi)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)等冶金熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為對(duì)納米/原位陶瓷增強(qiáng)相形成、晶體生長(zhǎng)和空間分布、陶瓷/金屬梯度界面形成與演化的作用規(guī)律，分析了納米/原位陶瓷增強(qiáng)相作用下基體金屬的等軸晶化及晶粒細(xì)化機(jī)制，提出了基于增強(qiáng)相、基體相及梯度界面的顯微組織調(diào)控使激光成形件強(qiáng)度和韌性協(xié)同提升的原理及方法。

▲圖2 激光增材制造Al基納米/原位復(fù)合材料顯微組織調(diào)控：（a）環(huán)狀TiC納米增強(qiáng)相；（b）條帶狀A(yù)l4SiC4原位增強(qiáng)相；（c）TiB2增強(qiáng)作用下Al基體細(xì)化的等軸晶組織。

調(diào)控及優(yōu)化激光增材制造工藝
激光增材制造工藝調(diào)控及技術(shù)創(chuàng)新是金屬構(gòu)件顯微組織改善及性能提升的根本手段。

激光增材制造的工藝參數(shù)、掃描策略、成形方向、成形件布局方式等可顯著影響構(gòu)件的成形質(zhì)量、顯微組織及力學(xué)性能。通過(guò)調(diào)控激光線能量密度（λ，λ=P/v）和激光體能量密度（ε，ε=P/vhd）（式中P為激光功率，v為掃描速率，h為沉積線間距，d為沉積層厚度），可有效調(diào)控線成形質(zhì)量和體成形質(zhì)量，為金屬構(gòu)件激光增材制造的精確化、穩(wěn)定化控制提供關(guān)鍵工藝參數(shù)指標(biāo)。

顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)明晰了粉體與激光作用、粉體熔化行為、熔池形成與演化規(guī)律、熔體快速凝固行為等全過(guò)程跨尺度物理冶金機(jī)制，構(gòu)建了激光增材制造工藝調(diào)控及優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了激光成形件內(nèi)部顯微組織、冶金缺陷、殘余應(yīng)力及成形性能“由線及體”立體控制。

另一方面，激光增材制造工藝的創(chuàng)新（如將激光增材制造與超聲振動(dòng)、電磁場(chǎng)等多能場(chǎng)復(fù)合），可顯著改善顯微組織（如將柱狀晶完全轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶）及力學(xué)性能，且對(duì)不同金屬材料具有普適性，如圖3所示。

▲圖3 超聲復(fù)合激光增材制造TC4合金顯微組織調(diào)控：（a）激光熔化沉積復(fù)合高頻超聲振動(dòng)工藝；（b）常規(guī)激光熔化沉積TC4合金的粗大柱狀晶；（c）超聲復(fù)合激光增材制造TC4合金的細(xì)小等軸晶。

獨(dú)特的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的功能
創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及形性一體化調(diào)控是發(fā)揮增材制造潛能、實(shí)現(xiàn)性能/功能躍升的重要途徑。

服役于航空、航天、船舶、核電等現(xiàn)代工業(yè)的金屬構(gòu)件正朝著復(fù)雜化、一體化、高性能、多功能方向發(fā)展。創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為增材制造構(gòu)件的性能突破和功能躍升創(chuàng)造了條件。增材制造的高柔性為結(jié)構(gòu)成形提供了保障。兩者相輔相成、相得益彰。

對(duì)于大型金屬構(gòu)件，基于送粉方式的激光熔化沉積（LMD）技術(shù)可有效滿足大型金屬構(gòu)件的成形要求，并實(shí)現(xiàn)了Ti合金、Ni基高溫合金、高強(qiáng)鋼、難熔合金等難加工金屬材料大型關(guān)鍵構(gòu)件的激光增材制造及工業(yè)應(yīng)用。這主要得益于以凝固晶粒、內(nèi)部缺陷及顯微組織為核心的冶金質(zhì)量和性能的控制，以及激光成形件熱應(yīng)力、變形開(kāi)裂及結(jié)構(gòu)缺陷控制等理論及技術(shù)的進(jìn)步。同時(shí)，近年來(lái)多激光器、多振鏡協(xié)同的粉床型選區(qū)激光熔化SLM裝備及技術(shù)的發(fā)展，也為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型整體金屬構(gòu)件的成形開(kāi)辟了新途徑。

而復(fù)雜整體構(gòu)件、輕量化點(diǎn)陣構(gòu)件，往往內(nèi)含復(fù)雜內(nèi)流道、多孔點(diǎn)陣等極端難加工結(jié)構(gòu)，選區(qū)激光熔化（SLM）高精度增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造。航空航天領(lǐng)域采用SLM技術(shù)成形、并獲得工程應(yīng)用的典型構(gòu)件包括火箭推進(jìn)器耐高溫部件、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、燃燒室導(dǎo)流襯套、商業(yè)飛機(jī)機(jī)艙隔板等。創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)的融合，為航空航天等領(lǐng)域輕量化金屬構(gòu)件的高性能/多功能化及綠色可持續(xù)制造帶來(lái)新契機(jī)。

增材制造構(gòu)件的多功能化發(fā)展進(jìn)程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將更加突出生物仿生、生物靈感，通過(guò)道法自然，主動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。創(chuàng)新發(fā)展仿生結(jié)構(gòu)及多材料布局，實(shí)現(xiàn)仿生結(jié)構(gòu)激光整體增材制造及多功能化，完成結(jié)構(gòu)、材料、工藝、功能等多因素耦合及一體化調(diào)控。其中關(guān)鍵科學(xué)難題包括：仿生微結(jié)構(gòu)與構(gòu)件典型功能的映射關(guān)系及優(yōu)化模型；仿生設(shè)計(jì)的跨尺度結(jié)構(gòu)激光增材制造工藝約束性及成形機(jī)制；激光增材制造仿生結(jié)構(gòu)的多功能一體化評(píng)價(jià)方法及響應(yīng)機(jī)制等，如圖4所示。

▲圖4 激光增材制造輕量化抗沖擊仿生功能結(jié)構(gòu)：（a）皮皮蝦尾節(jié)宏觀形貌；（b）仿生雙向波紋板抗沖擊結(jié)構(gòu)SLM加工；（c）仿生雙向波紋板結(jié)構(gòu)高度和波長(zhǎng)參數(shù)對(duì)沖擊力效率的影響。

激光增材制造技術(shù)未來(lái)的研究與發(fā)展趨勢(shì)
激光增材制造技術(shù)的科學(xué)內(nèi)涵決定了其發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)微觀-介觀-宏觀跨尺度的材料-結(jié)構(gòu)-工藝-性能/功能一體化。激光增材制造技術(shù)未來(lái)的研究與發(fā)展趨勢(shì)中，下列方向值得進(jìn)一步關(guān)注：

（1）以高性能/多功能為驅(qū)動(dòng)的激光增材制造材料-結(jié)構(gòu)-工藝一體化，主動(dòng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的高性能和多功能；
（2）激光增材制造的“多相材料”和“多材料”設(shè)計(jì)、制備與成形，以實(shí)現(xiàn)將“合適的材料添加到合適的位置”；
（3）激光增材制造創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件高性能化和多功能化，以凸顯“獨(dú)特的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的功能”；
（4）構(gòu)建面向全尺寸構(gòu)件和全工藝流程的激光增材制造工藝仿真、監(jiān)測(cè)、反饋及工藝優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)與方法，全面提升激光增材制造工藝技術(shù)水平、質(zhì)量以及工業(yè)應(yīng)用水平。