金屬增材制造進(jìn)展綜述：機(jī)遇、局限性、性能影響以及潛在解決方案

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：沙特烏姆·庫(kù)拉大學(xué)、美國(guó)阿克倫大學(xué)、紐約州立大學(xué)及英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的科研人員綜述報(bào)道了金屬增材制造的進(jìn)展：機(jī)遇、限制、對(duì)性能的影響和潛在的解決方案研究。相關(guān)論文以“Advancements in metal additive manufacturing: opportunities, limitations, impact on properties, and potential solutions: a review”為題發(fā)表在《Progress in Additive Manufacturing》上。

如今，增材制造（AM）因其前所未有的定制化和設(shè)計(jì)自由度而成為領(lǐng)先的數(shù)字化制造方法。金屬增材制造（MAM）在關(guān)鍵性能應(yīng)用領(lǐng)域，特別是航空航天工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注。優(yōu)異的表面光潔度和微觀結(jié)構(gòu)均勻性是提高抗疲勞性的必要條件，因此表面光潔度差的部件無(wú)法用于此類(lèi)應(yīng)用。本文深入概述了通過(guò)所選AM方法生產(chǎn)的不同材料的最新研究。

本文還重點(diǎn)介紹了各種金屬和合金，強(qiáng)調(diào)了它們的特殊優(yōu)點(diǎn)，并解決了相關(guān)的難題。討論內(nèi)容包括通過(guò)增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)的表面質(zhì)量和機(jī)械性能，以及在航空航天、航天器、醫(yī)療植入物和汽車(chē)零件中的實(shí)際應(yīng)用。深入討論了缺陷、加工參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)所生產(chǎn)部件（主要是粉末床熔融（PBF）和定向能沉積（DED））機(jī)械性能的影響�？偨Y(jié)了目前在后處理方面的發(fā)現(xiàn)，如優(yōu)化這些新型結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量和機(jī)械性能所需的表面硬化處理工藝。此外，還介紹了用于最佳性能參數(shù)的新興技術(shù)以及金屬AM的潛在研發(fā)前景。總之，本文的研究成果能幫助研究人員改善航空航天結(jié)構(gòu)和高性能系統(tǒng)的定制化、個(gè)性化和可持續(xù)性，從而減少浪費(fèi)、節(jié)約材料和提高整體效率。

圖1根據(jù)ASTM F42對(duì)增材制造工藝的分類(lèi)。

圖2通過(guò)不同增材制造工藝熔化或熔合材料的熱源。

圖3使用增材制造（AM）技術(shù)制造的各種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 PBF工藝示意圖：a選擇性激光熔化（SLM）和b電子束熔化。

圖5使用PBF技術(shù)制造的各種組件。

圖6 SEM顯微圖顯示了SLM法制備Ti-6Al-4V樣品的缺陷形貌。

圖7定向能沉積（DED）工藝示意圖：a同軸/多軸粉末噴嘴結(jié)構(gòu)的定向能沉積和b單粉末噴嘴結(jié)構(gòu)的定向能沉積。

圖8使用各種先進(jìn)定向能沉積技術(shù)回收和制造的各種部件示意圖。

圖9斷口形貌分析LMD斷口堆積層中的LOF缺陷和氣體孔隙度a LOF缺陷，b 氣體孔隙度或未熔化粉末。

圖10定向能沉積（DED）孔隙度的來(lái)源和類(lèi)型。

圖11各種表面硬化工藝示意圖。

圖12a NASA HR-1合金在一個(gè)直徑6000（1.52米），高度7000（1.78米）的LP-DED整體通道噴嘴中沉積了90天。b經(jīng)DED程序生成后，采用DED方法修復(fù)的受損渦輪葉片。c賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室修復(fù)了一個(gè)可用的Ti-6Al-4V軸。d混合DEM MORI LASERTEC 65 DED系統(tǒng)具有國(guó)家葉片結(jié)構(gòu)，描述了“應(yīng)用于切削工具的帶有金剛石加固層的金屬碳化物硬質(zhì)涂層”。

本文回顧了各種增材制造工藝（包括 DED和PBF）的關(guān)鍵領(lǐng)域，這些工藝可用于制造高價(jià)值結(jié)構(gòu)（如渦輪葉片、燃料噴嘴、熱交換器和航空航天組件的結(jié)構(gòu)部件）中的各種復(fù)雜部件，從而實(shí)現(xiàn)更輕、更有效的飛機(jī)結(jié)構(gòu)。這些部件在運(yùn)行過(guò)程中大多要承受循環(huán)載荷。所有這些部件在用于任何結(jié)構(gòu)之前，都對(duì)表面質(zhì)量和穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要求，而優(yōu)化增材制造工藝可以滿足這些要求。盡管采用了各種表面改性方法來(lái)提高材料的性能，但材料仍然存在壓縮殘余應(yīng)力、硬度和表面質(zhì)量分布不均勻的問(wèn)題，從而影響了材料的疲勞強(qiáng)度。鈦合金、鋼材、鎳基高溫合金和鋁合金的增材制造日益普及，為解決傳統(tǒng)工藝中遇到的難題，這項(xiàng)研究應(yīng)運(yùn)而生。
未來(lái)研究方向可以采用先進(jìn)的優(yōu)化算法來(lái)預(yù)測(cè)最適合材料和零件結(jié)構(gòu)的組合參數(shù)。集成熱和機(jī)械的多物理場(chǎng)模擬工具可提供有關(guān)AM工藝的廣泛信息。這種先進(jìn)的模擬可用于預(yù)測(cè)微結(jié)構(gòu)演變和殘余應(yīng)力分布，從而有助于優(yōu)化工藝和減少缺陷。開(kāi)發(fā)新的有效后處理方法并將其與AM工藝相結(jié)合，可以最大限度地降低成本并節(jié)省時(shí)間。例如，可以利用由激光拋光和化學(xué)處理組成的復(fù)合技術(shù)來(lái)有效提高表面屬性。在制造過(guò)程中，可采用實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制。開(kāi)發(fā)集成PBF和DED的復(fù)合系統(tǒng)可為零件設(shè)計(jì)和制造提供更大的靈活性。這種系統(tǒng)可以利用PBF的精度來(lái)處理復(fù)雜的特征，并利用DED的高沉積率來(lái)處理較大的部分。未來(lái)的研究重點(diǎn)可以放在開(kāi)發(fā)這些混合工藝上，拓寬AM工藝的能力�？傊�，通過(guò)結(jié)合不同 AM工藝的優(yōu)勢(shì)，可以提高AM部件的效率和質(zhì)量。


相關(guān)論文鏈接：

Hakami, A., Ojo, S.A., Abere, D.V. et al. Advancements in metal additive manufacturing: opportunities, limitations, impact on properties, and potential solutions: a review. Prog Addit Manuf (2024). https://doi.org/10.1007/s40964-024-00885-6

Sibisi, T.H., Shongwe, M.B., Tshabalala, L.C. et al. LAM additive manufacturing: a fundamental review on mechanical properties, common defects, dominant processing variables, and its applications. Int J Adv Manuf Technol 128, 2847–2861 (2023). https://doi.org/10.1007/s00170-023-12139-w

Badoniya, P., Srivastava, M., Jain, P.K. et al. A state-of-the-art review on metal additive manufacturing: milestones, trends, challenges and perspectives. J Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. 46, 339 (2024). https://doi.org/10.1007/s40430-024-04917-8

Dasdemir, U., Altas, E. (2024). Metal Based Additive Manufacturing. In: Rajendrachari, S. (eds) Practical Implementations of Additive Manufacturing Technologies. Materials Horizons: From Nature to Nanomaterials. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-99-5949-5_4