金屬激光增材制造材料設計研究進展

來源：多尺度力學

激光增材制造已被廣泛認為是應對個性化、復雜金屬構(gòu)件整體成形挑戰(zhàn)的關鍵技術方法。當前，針對金屬增材制造的研究主要基于傳統(tǒng)的合金種類。然而，由于傳統(tǒng)的合金成分是基于平衡凝固過程設計的，它們往往無法適應增材制造的非平衡冶金動力學特性，這導致了一系列共性問題，如高裂紋敏感性、低韌性和疲勞度，以及各向異性等。因此，為了充分利用激光增材制造的非平衡凝固特性所帶來的優(yōu)勢和價值，我們需要進行面向這一制造方法的新型材料成分設計研究。這不僅將解決現(xiàn)有技術面臨的挑戰(zhàn)，還有望推動增材制造技術在更廣泛的領域得到應用和提升。來自華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室的史玉升等人綜述了鋁合金、鈦合金、鐵基合金和鎂合金等合金在增材制造中遇到的技術挑戰(zhàn)。同屬討論針對增材制造的創(chuàng)新材料設計方法，以及新型合金和復合材料的最新研究進展。并在文章最后提出了金屬增材制造材料設計的未來發(fā)展趨勢。

圖1 激光增材制造(LAM)原理示意圖(a)SLM; (b)LCD

LAM主要包括基于粉末床的選區(qū)激光熔化(selective laser melting,SLM)技術和基于同步送粉的激光熔覆沉積(laser cladding deposition,LCD)技術,成形原理示意圖分別如圖1(a)和(b)所示。LAM技術的主要優(yōu)勢在于激光熱源適用材料范圍廣、能量密度高、成形精度高等。

圖2 Ti改性2xxx 鋁合金的相圖、裂紋敏感因子、生長抑制因子、反極圖和晶粒尺寸分布

圖3 SLM成形(TiB+TiC)/Ti復合材料微觀結(jié)構(gòu)演化示意圖

圖4 LCD制備的Fe19Ni5Ti試樣及其拉伸測試

圖5 非晶合金的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線示意圖及制備的鐵基非晶合金結(jié)構(gòu)

文章中介紹LAM技術于鋁合金、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的研究現(xiàn)狀，以及面臨的機遇與挑戰(zhàn)。史玉升等人在文章中指出當前金屬增材制造材料改性的方法主要包括元素比例調(diào)控、合金元素改性以及陶瓷顆粒改性等。這些方法的原理都是通過調(diào)整材料成分來控制熔池的凝固過程，進而實現(xiàn)冶金缺陷的抑制和材料的強韌化。例如，引入形核劑、改變成分過冷條件、調(diào)控物相等手段。然而，這些方法仍面臨設計理論不完善、設計層級不全面、材料體系不健全、性能研究不系統(tǒng)等諸多挑戰(zhàn)。

相關研究成果以“金屬激光增材制造材料設計研究進展”為題發(fā)表在金屬學報(2021,51(3):648-701)上，論文第一作者為宋波，通訊作者為史玉升。

論文鏈接：https://www.ams.org.cn/clyj/CN/10.11900/0412.1961.2022.00026