基于高通量制備的增材制造材料成分設計

來源： 金屬圈
作者：張百成, 張文龍, 曲選輝

增材制造作為一種新型制造技術，為航空航天、交通運輸和生物醫(yī)學等領域帶來了革命性變化。但目前增材制造用金屬材料仍基于傳統(tǒng)合金，部分材料并不適用于高能束加工，性能仍有提高空間。目前的增材制造專用材料開發(fā)未脫離傳統(tǒng)試錯法，效率低下，是制約增材制造材料性能提高的瓶頸問題。本文就增材制造鋼、鈦合金、鋁合金材料現(xiàn)狀和問題進行了討論，并列舉增材制造高通量制備和表征技術在材料開發(fā)和設計上的應用，結合增材制造高通量制備的原理和特點，最后闡述了增材制造高通量制備和表征技術在材料開發(fā)上的機遇和挑戰(zhàn)，并對增材制造關鍵材料開發(fā)與成分優(yōu)化未來的發(fā)展方向做出展望。

梯度材料制備原理示意圖、梯度試樣比較以及常見的高通量表征方法
Schematics of gradient material preparation principle of directed energy deposition (DED) (a), selective laser melting (SLM) interlayer powder exchange (b), SLM inclined hopper powder mixing process (c), and their sample comparison (d-f); and the common high-throughput analysis methods characterization of the structure of gradient samples (atomic fraction) by high-throughput SEM (g) and characterization of phase composition of gradient samples by high-throughput XRD (h) (Inset in Fig.8e shows the gradient transition of the material. FGM—functionally graded material)

總結和展望
增材制造技術發(fā)展迅速，傳統(tǒng)材料和數據庫不適用制約了增材制造材料的開發(fā)和應用，增材制造相較于傳統(tǒng)高通量制備方式具有快速成型、可制備連續(xù)梯度或微米級離散試樣的特點，在高通量制備方面表現(xiàn)突出。本文從材料成分角度，總結了增材制造材料的發(fā)展現(xiàn)狀和關鍵問題，展示了高通量增材制造技術在材料成分優(yōu)化、新合金材料制備和開發(fā)以及成分組織結構研究等方面的巨大應用潛力，但目前仍面對以下幾個急需解決的問題。

(1) 增材制造可控梯度變化提供比離散樣品更豐富的信息，而目前高通量表征手段仍采用一些離散區(qū)域進行表征，測試區(qū)域受限于表征手段的采樣區(qū)域的大小且成分變化影響性能表征準確性，無法做到完全梯度連續(xù)變化性能的準確表征。提高表征手段的精度，建立準確的梯度連續(xù)的表征方法仍是一種挑戰(zhàn)。

(2) 增材制造材料通常表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但由于可打印材料種類的限制影響了部分材料在增材制造高通量制備和表征上的應用。實現(xiàn)性質差異較大的材料致密完美地打印出來，并形成連續(xù)可靠的梯度過渡仍具有挑戰(zhàn)。

(3) 增材制造過程中的氣孔等缺陷問題顯著影響著材料的性能，不同成分的合金增材制造工藝參數往往并不一致，在一定程度上這也增大了增材制造梯度材料制備的復雜性。建立材料成分-結構-性能的可靠聯(lián)系仍具有挑戰(zhàn)。

盡管增材制造高通量制備和表征在材料設計上還面臨著巨大的挑戰(zhàn)，但事實已經證明它在材料成分設計方面的巨大前景。材料方面，通過高通量增材制造技術有望解決增材制造新合金材料析出相控制問題、等軸晶結構成形問題以及層間異質結構設計問題，開發(fā)新一代增材制造合金材料，通過微觀到宏觀的整體設計，充分發(fā)掘增材制造材料性能潛力，實現(xiàn)航空航天領域關鍵零部件材料性能的進一步提升。技術方面，發(fā)展高通量增材制造新工藝、發(fā)掘增材制造新材料，不斷完善梯度材料表征手段，實現(xiàn)精確、高效、穩(wěn)定的高通量表征能力，有望建立起材料成分-結構與性能的可靠聯(lián)系的增材制造材料基因數據庫，實現(xiàn)增材制造新材料的高效發(fā)掘。