頂刊綜述《Materials Today》通過(guò)增材制造進(jìn)行合金設(shè)計(jì)：優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)、應(yīng)用和前景

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：本文提出的增材制造（AM）技術(shù)迅速改變了許多大型和小型行業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境。通過(guò)從頭開(kāi)始重新審視零件，不局限于傳統(tǒng)制造技術(shù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，研究人員和工程師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了新的設(shè)計(jì)策略，以解決全球范圍內(nèi)的大規(guī)模材料和設(shè)計(jì)問(wèn)題。隨著定向能量沉積（DED）和基于粉末床熔融（PBF）的增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，可以以比以往更低的成本和更短的交貨時(shí)間快速創(chuàng)新和評(píng)估新合金。本文詳細(xì)介紹了主要使用基于激光的增材制造進(jìn)行合金設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，挑戰(zhàn)，應(yīng)用和前景。工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究人員可以利用這項(xiàng)工作來(lái)設(shè)計(jì)新合金，并且利用金屬增材制造工藝將其用于各種當(dāng)前和未來(lái)的應(yīng)用。

在過(guò)去十年中，金屬增材制造（AM）引起了生物醫(yī)學(xué)，航空航天，能源和核領(lǐng)域制造商的廣泛興趣。 使用傳統(tǒng)制造方法無(wú)法創(chuàng)建具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和成分特征的組件的能力，導(dǎo)致工程師和研究人員對(duì)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的材料和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新以及大規(guī)模零件生產(chǎn)環(huán)境的興趣不斷擴(kuò)大。近年來(lái)，我們觀察到AM改善了許多不同領(lǐng)域的現(xiàn)有績(jī)效和供應(yīng)鏈特征。然而，更重要的是，制造商和研究人員開(kāi)始向我們展示，將它與傳統(tǒng)公認(rèn)的工藝相比，這項(xiàng)技術(shù)表述了如何通過(guò)調(diào)整整個(gè)材料設(shè)計(jì)-制造工藝來(lái)改變未來(lái)。

更具體地說(shuō)，增材制造技術(shù)正在改變眾多行業(yè)不同傳統(tǒng)公司的設(shè)計(jì)和制造結(jié)構(gòu)的方式，以增加復(fù)雜性，使其更好的定制和整合，以提高效率和功能。此外，

AM技術(shù)的三個(gè)最常被引用的原因是（i）原型設(shè)計(jì)，（ii）產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和（iii）創(chuàng)新。表明公司在AM的產(chǎn)品的未來(lái)開(kāi)發(fā)方面投入了大量資金。最近的幾篇評(píng)論指出，增材制造知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）的轉(zhuǎn)變和特定領(lǐng)域的"碎片化"引出個(gè)人研究如何在十年內(nèi)變得更加集中，從而改善材料設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的未來(lái)。 此外，AM向世界表明，以面罩，呼吸器和其他必要物品的形式對(duì)COVID-19等全球流行病做出快速反應(yīng)是可能的。與過(guò)去不同的是，材料開(kāi)發(fā)和制造不再是嚴(yán)峻形勢(shì)下設(shè)計(jì)制造的瓶頸。

特別是在金屬材料方面，增材制造已經(jīng)改變了我們?cè)O(shè)想用于特殊應(yīng)用的新合金的方式�；�于AM獨(dú)特的處理能力，該領(lǐng)域的新發(fā)展是該領(lǐng)域下一波創(chuàng)新浪潮中最令人興奮的方面之一。在激光AM（LAM）的理想特性中，高冷卻速率以及從元素粉末中熔化和成型組件的能力傳統(tǒng)上需要高溫電弧熔化設(shè)施以及隨后的加工步驟。

基于增材制造的顯著優(yōu)勢(shì)，華盛頓州立大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院結(jié)合了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的必要見(jiàn)解，從使用金屬增材制造合金設(shè)計(jì)的動(dòng)機(jī)開(kāi)始，討論制造商和研究人員面臨的主要優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)；也就是說(shuō)，以前開(kāi)發(fā)的合金并不總是最適合金屬增材制造，克服以生產(chǎn)為中心的新材料創(chuàng)新和設(shè)計(jì)障礙；最后討論過(guò)去和當(dāng)前在開(kāi)發(fā)新的鋁和鈦合金、鋼合金、高熵合金和磁性合金方面的工作，這些合金表現(xiàn)出比現(xiàn)有材料更高的性能和特性。最后，我們將對(duì)未來(lái)趨勢(shì)和所設(shè)想的挑戰(zhàn)進(jìn)行批判性審視，包括建模工具和為關(guān)鍵應(yīng)用開(kāi)發(fā)功能梯度結(jié)構(gòu)。隨著與金屬增材制造相關(guān)的文獻(xiàn)迅速增加，制造商需要有一條結(jié)合學(xué)術(shù)界和工業(yè)專業(yè)人士的見(jiàn)解和觀點(diǎn)來(lái)采用這項(xiàng)技術(shù)的途徑。相關(guān)研究以題“Heat treatment effects on the hydrogen embrittlement of Ti6Al4V fabricated by laser beam powder bed fusion”發(fā)表在國(guó)際著名期刊materialstoday上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 9702121004314#f0030

高價(jià)值、復(fù)雜的部件，如生物醫(yī)學(xué)植入物、航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)部件、核反應(yīng)堆部件等（見(jiàn)圖1），圖1顯示了通過(guò)LAM生產(chǎn)生物醫(yī)學(xué)部件的幾個(gè)示例，如果使用傳統(tǒng)加工方法進(jìn)行加工或鑄造將具有挑戰(zhàn)性或過(guò)于昂貴。圖1b顯示了這方面的一個(gè)例子，其中將設(shè)想從新的或現(xiàn)有的材料中形成一個(gè)塊狀部件，針對(duì)幾何形狀的特定設(shè)計(jì)優(yōu)化，以及為最終用戶量身定制的新合金的特定地點(diǎn)特征。這些調(diào)整可以通過(guò)測(cè)試活動(dòng)或過(guò)程監(jiān)控來(lái)定義，并輔以基于機(jī)器學(xué)習(xí)的程序，這些程序可以幫助基于可測(cè)量的屬性和過(guò)程指標(biāo)進(jìn)行處理優(yōu)化和可靠性，以了解加法過(guò)程的輸入。這些類型的應(yīng)用程序促使人們投入大量資金來(lái)開(kāi)發(fā)添加劑的生產(chǎn)方法，以降低許多行業(yè)的總體成本和供應(yīng)鏈復(fù)雜性。

圖1.當(dāng)前使用基于激光的增材制造的合金設(shè)計(jì)方法的示例。（a） 將合金設(shè)計(jì)納入制造過(guò)程的一般工作流程。（b） 標(biāo)準(zhǔn)生物醫(yī)學(xué)螺釘應(yīng)用所述工作流程的實(shí)施示例。

圖2.使用傳統(tǒng)方法和主要基于金屬的AM方法（定向能沉積（DED）和粉末床熔融（PBF））的合金設(shè)計(jì)方法的比較。

圖3.基于定向能量沉積（DED）和粉末床熔融（PBF）的增材制造方法。

圖 4.使用合金設(shè)計(jì)項(xiàng)目的示例：（a）利用多粉末喂料機(jī)設(shè)計(jì)的DED，以及（b）利用不同參數(shù)集產(chǎn)生可變微觀結(jié)構(gòu)和性能的PBF技術(shù)。

圖5.鐵基和鎳基合金的合金設(shè)計(jì)特點(diǎn)示例。（a） Cr–Si–B改性鎳基合金微裂紋的掃描速度影響示例，。（b）基于液滴的模擬示例，以了解冷卻速率在基于激光的AM期間對(duì)Ni-Cr-Si三元系統(tǒng)所產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)的影響。

目前在增材制造領(lǐng)域有兩種關(guān)于合金設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的研究方向。一是將傳統(tǒng)合金轉(zhuǎn)化為增材制造可接受的合金，二是發(fā)現(xiàn)新合金。增材制造的很大一部分人尋求在更大的制造業(yè)中尋找工藝接受度。有針對(duì)特定應(yīng)用和演示目的的有據(jù)可查的成功案例，但金屬增材制造零件在納入最終用途產(chǎn)品方面的成功有限。在傳統(tǒng)制造領(lǐng)域，增材制造工藝本身并沒(méi)有被證明足夠強(qiáng)大，無(wú)法納入最終用途產(chǎn)品。使這個(gè)問(wèn)題更加復(fù)雜的是關(guān)于 AM 合金設(shè)計(jì)允許值的信息有限，并且普遍缺乏工業(yè)應(yīng)用中組件認(rèn)證所需的材料數(shù)據(jù)。為此，許多資源一直致力于在增材制造工藝范式中開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證經(jīng)過(guò)行業(yè)驗(yàn)證的傳統(tǒng)合金，而不是為新興和令人興奮的應(yīng)用開(kāi)發(fā)新合金。

圖6.合金設(shè)計(jì)的例子正在用于鋁基材料的開(kāi)發(fā)。（a） 示意圖顯示了孕育劑相在凝固后對(duì)所得等軸微觀結(jié)構(gòu)的影響。（b） 通過(guò)計(jì)算和Al-Ce類合金開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)的結(jié)果微觀結(jié)構(gòu)。

圖7.通過(guò)AM開(kāi)發(fā)鈦基合金的例子。（a）銅改性鈦對(duì)柱狀至等軸晶粒結(jié)構(gòu)的影響。（b）超聲波振動(dòng)對(duì)基于DED的鈦合金加工中晶粒細(xì)化和柱狀結(jié)構(gòu)還原的影響，顯示缺乏紋理和等軸微觀結(jié)構(gòu)。

圖8.使用AM的合金設(shè)計(jì)中新穎的多材料概念。（a）應(yīng)用DED設(shè)計(jì)Ti-Ta合金，以增加生物相容性和平衡在微觀結(jié)構(gòu)中加入鉭的加工性挑戰(zhàn)（b）使用線基DED的多材料AM組合電纜概念。

圖9.下一代功能分級(jí)材料（FGM）的示例以及通過(guò)可變加工策略實(shí)現(xiàn)此類結(jié)構(gòu)的相關(guān)努力。（a）Ti–6Al–4V/Al12Si 接頭的加工。（b）由Ti–6Al–4V和SS410制造的雙金屬結(jié)構(gòu)。（c）在鉻鎳鐵合金718上沉積銅合金。磁性-非磁性接頭由不同的不銹鋼制成。

圖10.金屬-陶瓷復(fù)合材料開(kāi)發(fā)實(shí)例。（a）層狀金屬-陶瓷復(fù)合材料。（b）鈦制氧化鋁（鋁）2或3）結(jié)構(gòu)。（c）使用DED的金剛石增強(qiáng)切割工具設(shè)計(jì)。

總結(jié)：增材制造（AM）迅速改變了許多行業(yè)的大規(guī)模和小規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境，并為重新構(gòu)想新興應(yīng)用的合金設(shè)計(jì)開(kāi)辟了機(jī)會(huì)。隨著定向能沉積（DED）和基于粉末床熔融（PBF）添加劑的加工的開(kāi)始，可以以比傳統(tǒng)方法更低的成本快速設(shè)計(jì)和評(píng)估新合金。這項(xiàng)工作概述了使用激光AM（LAM）實(shí)現(xiàn)合金設(shè)計(jì)的方法和機(jī)制，即欲混合動(dòng)態(tài)方法中的DED和PBF。此外，還討論了使用不同方法的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，以及工業(yè)和文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)的不同材料系統(tǒng)和策略，例如鎳，鈦和鋁合金。最后，討論了未來(lái)的挑戰(zhàn)和新興趨勢(shì)，例如仿真，以提高加工可靠性，并為特定應(yīng)用開(kāi)發(fā)功能梯度材料和結(jié)構(gòu)。據(jù)設(shè)想，行業(yè)和學(xué)術(shù)研究人員將引領(lǐng)未來(lái)的合金設(shè)計(jì)工作，在許多應(yīng)用中利用LAM的優(yōu)勢(shì)。