華中科技大學(xué)宋波教授：金屬激光增材制造材料設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

作者：宋波, 張金良, 章媛潔, 胡凱, 方儒軒, 姜鑫, 張莘茹, 吳祖勝, 史玉升. 金屬激光增材制造材料設(shè)計(jì)研究進(jìn)展[J]. 金屬學(xué)報, 2023, 59(1): 1-15
來源：金屬學(xué)報

激光增材制造被公認(rèn)為是解決個性化、復(fù)雜化金屬構(gòu)件整體成形難題的有效技術(shù)手段�，F(xiàn)有金屬增材制造的研究主要從傳統(tǒng)合金牌號出發(fā)，但基于平衡凝固過程設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)合金成分難以滿足增材制造的非平衡冶金動力學(xué)特點(diǎn)，往往面臨高裂紋敏感性、低韌低疲勞、各向異性等共性問題。因此，需要開展面向激光增材制造的新型材料成分設(shè)計(jì)研究，充分挖掘增材制造非平衡凝固特性的潛在優(yōu)勢與價值。本文綜述了鋁合金、鈦合金、鐵基合金、鎂合金等不同材料現(xiàn)有合金牌號增材制造的技術(shù)瓶頸，以及面向增材制造的材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法與新型合金及其復(fù)合材料發(fā)展的研究進(jìn)展。最后提出了金屬增材制造材料設(shè)計(jì)的未來發(fā)展趨勢。

△SLM成形不銹鋼和鐵基非晶/不銹鋼材料微觀組織及腐蝕性能

Microstructures and corrosion properties of SLM-fabricated stainless steel and Fe-based amorphous/stainless steel

(a, b) microstructures before (a) and after (b) polishing (Inset in Fig.6a is the energy spectrum of point 1, and the insets in Fig.6b are the surface energy spectrum and elements distribution)

(c, d) IPFs before (c) and after (d) modification

(e, f) comparisons of potentiostatic polarization test (I—corrosion current; T1, T2—start time of pitting corrosion; K1, K2—initial slope of the curve; SS—stainless steel)

總結(jié)與展望
LAM技術(shù)已應(yīng)用于鋁合金、鈦合金、鐵基合金、鎂合金、形狀記憶合金、高溫合金、高熵合金及非晶合金等不同金屬材料的制備與成形，但大多研究仍采用傳統(tǒng)合金牌號，其合金成分并不完全適用于LAM的非平衡冶金過程，常面臨冶金缺陷難抑制、顯微組織難調(diào)控、應(yīng)力應(yīng)變難控制、綜合性能難提升等挑戰(zhàn)。因此，需要開展面向LAM的新型材料成分設(shè)計(jì)研究，充分挖掘增材制造非平衡凝固特性的潛在優(yōu)勢與價值。


目前金屬增材制造材料改性的方法大致可分為元素比例調(diào)控、合金元素改性及陶瓷顆粒改性等方法。上述方法的機(jī)理均來自于通過改變材料成分控制熔池的凝固過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冶金缺陷的抑制及強(qiáng)韌化，例如引入形核劑、改變成分過冷條件、調(diào)控物相等，仍存在諸多挑戰(zhàn)：


(1) 設(shè)計(jì)理論不完善：現(xiàn)有的材料改性方法大多依據(jù)鑄造等工藝的經(jīng)驗(yàn)摸索，再通過工藝優(yōu)化及力學(xué)性能測試進(jìn)行驗(yàn)證，尚未形成完善的材料設(shè)計(jì)理論體系，缺乏理論指導(dǎo)。少數(shù)研究開展了裂紋敏感性等熱力學(xué)計(jì)算方法，用以設(shè)計(jì)新型合金，以提升材料的加工性能。但該方法尚未完全考慮LAM的非平衡凝固特點(diǎn)，工藝與設(shè)計(jì)匹配性較差，難以通過該方法實(shí)現(xiàn)材料成分精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。因此，需從LAM的工藝特點(diǎn)出發(fā)，完善材料設(shè)計(jì)的理論體系和方法論。


(2) 設(shè)計(jì)層級不全面：現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法大多旨在提升加工性能，約束條件過于單一，應(yīng)從材料的服役角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)材料的多層級、多因素設(shè)計(jì)。例如，對于結(jié)構(gòu)材料，需實(shí)現(xiàn)面向材料的強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)；對于形狀記憶合金，需實(shí)現(xiàn)形變回復(fù)可控設(shè)計(jì)；對于特殊環(huán)境材料，需基于材料服役環(huán)境特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)其低溫、高溫、耐蝕、抗疲勞等可控設(shè)計(jì)。


(3) 材料體系不健全：現(xiàn)有材料設(shè)計(jì)理論與方法均在傳統(tǒng)熱成形的條件下進(jìn)行約束管理、改進(jìn)材料成分，這大大限制了材料體系的擴(kuò)展。LAM極端非平衡凝固工藝賦予了材料設(shè)計(jì)更廣闊的想象空間。結(jié)合LAM的工藝特點(diǎn)，開展高熵合金、非晶合金、準(zhǔn)晶等材料的顛覆性設(shè)計(jì)，將在新材料領(lǐng)域開拓新的空間。


(4) 性能研究不系統(tǒng)：迄今為止LAM新材料的性能研究主要集中于室溫拉伸性能，而對高溫性能和疲勞性能的系統(tǒng)研究相對較少，上述性能研究的局限性嚴(yán)重限制了新材料的開發(fā)與應(yīng)用。因此，在合金成分設(shè)計(jì)時，應(yīng)不僅考慮新型合金的加工性能與拉伸性能，更應(yīng)依據(jù)具體服役要求，針對性地開展特定性能的合金成分設(shè)計(jì)。


SONG Bo, ZHANG Jinliang, ZHANG Yuanjie, HU Kai, FANG Ruxuan, JIANG Xin, ZHANG Xinru, WU Zusheng, SHI Yusheng. Research Progress of Materials Design for Metal Laser Additive Manufacturing[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2023, 59(1): 1-15

DOI:10.11900/0412.1961.2022.00026