【解析】金屬增材制造技術(shù)大解析

金屬增材制造技術(shù)作為３Ｄ打印技術(shù)的一個(gè)重要分支，在２０余年的發(fā)展中取得了顯著的進(jìn)展,。接下來(lái)，南極熊重點(diǎn)從制件組織結(jié)構(gòu),、制件性能,、制件微觀缺陷、成形工藝等方面分析了針對(duì)鈦合金,、 鎳基高溫合金等常用材料的增材制造技術(shù)研究新進(jìn)展,，探討了增材制造技術(shù)發(fā)展所面臨的技術(shù)問(wèn)題以及需要重點(diǎn)考慮的發(fā)展方向。

作為一種全新概念的制造技術(shù),， 增材制造技術(shù)自２０世紀(jì)９０年代出現(xiàn)以來(lái),，經(jīng)過(guò)２０余年的發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新蓬勃發(fā)展的源泉,，以“３Ｄ打印技術(shù)”為全新概念的增材制造技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前包括美國(guó)在內(nèi)的世界主要制造大國(guó)實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新,、 提振本國(guó)制造業(yè)的重要著力點(diǎn) 。中國(guó)政府積極推進(jìn)３Ｄ打印技術(shù)在制造業(yè) 的技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)程,。

在工業(yè)和信息化部的支持下,，２０１２年成立“中國(guó)３Ｄ打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”。２０１３ 年,，中國(guó)３Ｄ打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成功舉辦首屆世界 ３Ｄ打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì),， 并與亞洲制造業(yè)協(xié)會(huì)、英國(guó)增材制造聯(lián)盟,、比利時(shí)Ｍａｔｅｒｉａｌｉｓｅ公司,、德國(guó)ＥＯＳ公司、美國(guó)３ＤＳｙｓｔｅｍ公司等組織共同發(fā)起成立世界３Ｄ打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的號(hào)召,，高度凸顯了中國(guó)３Ｄ打印技術(shù)在全球３Ｄ打印技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的重要 引領(lǐng)作用,。作為增材制造技術(shù)基礎(chǔ)研究的支持機(jī)構(gòu)，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)機(jī)械工程學(xué)科在“十三五”學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃設(shè)想中明確將增材制造技術(shù)作為跨學(xué)科學(xué)部交叉優(yōu)先領(lǐng)域進(jìn)行布局，以進(jìn)一步提升中國(guó)增材制造技術(shù)的自主創(chuàng)新能力,。


１ 金屬增材制造技術(shù)概況
直接制造金屬零件以及金屬部件,，甚至是組裝好的功能性金屬制件產(chǎn)品，無(wú)疑是制造業(yè)對(duì)增材制造技術(shù)提出的終極目標(biāo),。早在２０世紀(jì)９０年代增材制造技術(shù)發(fā)展的初期（ 當(dāng)時(shí)稱之為“快速原型制造技術(shù)”或“快速成形技術(shù)”）,，研究人員便已經(jīng)嘗試基于各種快速原型制造方法所制備的非金屬原型， 通過(guò)后續(xù)工藝實(shí)現(xiàn)了金屬制件的制備,。與立體光造型,、疊層制造、熔融沉積成型,、三維打印等快速原型制造技術(shù)相比,，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，由于其使用粉末材料的特點(diǎn),，為制備金屬制件提供了一種最直接的可能,。

ＳＬＳ技術(shù)利用激光束掃描照射包覆有機(jī)粘接劑的金屬粉末，獲得具有金屬骨架的零件原型,，通過(guò)高溫?zé)�結(jié),、金屬浸潤(rùn)、熱等靜壓等后續(xù)處理,，燒蝕有機(jī)粘接劑并填充其他液態(tài)金屬材料,， 從而獲得致密的金屬零件。隨著大功率激光器在快速成形技術(shù)中的逐步應(yīng)用,，ＳＬＳ技術(shù)隨之發(fā)展成為選區(qū)激光熔化成形技術(shù),。ＳＬＭ技術(shù)利用高能量的激光束照射預(yù)先鋪覆好的金屬粉末 材料，將其直接熔化并固化,，成形獲得金屬制件,。在ＳＬＭ技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，基于激光熔覆技術(shù),，逐漸形成了金屬增材制造技術(shù)研究的另一重要分枝———激光快速成形技術(shù)或激光立體成形技術(shù),。

該技術(shù)起源于美國(guó)Ｓａｎｄｉａ國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的激光近凈成形技術(shù)，利用高能量激光束將與光束同軸噴射或側(cè)向噴射的金屬粉末直接熔化為液態(tài),， 通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制,，將熔化后的液態(tài)金屬按照預(yù)定的軌跡堆積凝固成形，獲得從尺寸和形狀上非常接近于最終零件的“近形”制件,，并經(jīng)過(guò)后續(xù)的小余量加工后以及必 要的后處理獲得最終的金屬制件,。

基于ＳＬＳ技術(shù)的ＳＬＭ技術(shù)和基于ＬＥＮＳ技術(shù)的ＬＲＦ技術(shù)作為金屬增材制造技術(shù)的兩個(gè)主要研究熱點(diǎn)，引領(lǐng)著當(dāng)前金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展,。由于具有極高的制造效率,、材料利用率以及良好的成形性能等優(yōu)勢(shì),，金屬增材制造技術(shù)從一開始便被應(yīng)用于航空航天等高端制造領(lǐng)域的高性能金屬材料和稀有金屬材料的零部件制造。經(jīng)過(guò)２０余年的發(fā)展,，中國(guó)國(guó)內(nèi)金屬增材制造技術(shù)在材料,、工藝、裝 備以及成形性能等各個(gè)方面均得到長(zhǎng)足的發(fā)展,，并且已經(jīng)在航空航天等高端制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了初步應(yīng) 用,。

２ 研究進(jìn)展
金屬增材制造技術(shù)對(duì)高性能金屬材料（包括稀有金屬材料）而言，是一種極為有利的加工制造技術(shù),。相較于材料去除（或變形）的傳統(tǒng)加工和常見的特種加工技術(shù),， 基于材料增加的金屬增材制造技術(shù)有著極高的材料利用率。當(dāng)前增材制造技術(shù)的金屬材料主要集中在航空航天用鈦合金,、高溫合金,、高強(qiáng)鋼以及鋁合金等材料體系。研究人員以上述金屬材料為研究對(duì)象,， 從制件組織結(jié)構(gòu),、制件性能、制件缺陷以及成形工藝等方面對(duì)金屬增材制造技術(shù)開展了廣泛的研究,。

2.1制件組織結(jié)構(gòu)
鈦合金材料是當(dāng)前金屬增材制造技術(shù)最主要的研究對(duì)象,。在對(duì)航空用ＴＣ４鈦合金激光成形的研究中,，陳靜等發(fā)現(xiàn)制件的組織結(jié)構(gòu)為粗大的柱狀 晶,，在粗大的β晶粒內(nèi)是細(xì)小的針狀馬氏體α′ ；薛蕾等在研究中發(fā)現(xiàn)制件的組織結(jié)構(gòu)為柱狀原始 β晶界內(nèi)編織細(xì)密的α＋β網(wǎng)籃組織 ,； 而張霜銀等的進(jìn)一步研究獲得了ＴＣ４鈦合金制件組織結(jié)構(gòu) 中柱狀晶向等軸晶（ＣＥＴ）轉(zhuǎn)變的時(shí)機(jī)及其Ｐ／Ｖ 值 ,。昝林等發(fā)現(xiàn)ＴＣ２１激光成形制件組織結(jié)構(gòu) 為粗大的沿沉積高度方向外延生長(zhǎng)的原始β柱狀晶，僅最后一層熔覆層頂部為較細(xì)小的β等軸晶,， 在宏觀上存在針狀馬氏體區(qū)和網(wǎng)籃組織區(qū) ,。王彬等發(fā)現(xiàn)Ｔｉ６０棒狀試樣的組織結(jié)構(gòu)是以棒材軸心呈微“ 八”字形對(duì)稱分布的定向生長(zhǎng)柱狀晶構(gòu)成，柱狀晶內(nèi)部為近乎無(wú)側(cè)向分枝的胞狀晶組織,。

賀瑞軍等在對(duì)Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｚｒ－Ｍｏ－Ｖ合金的成形研究中 發(fā)現(xiàn)制件具有均勻細(xì)小的α／β雙相片層組織,， 且片層取向隨機(jī)多樣，分布均勻,。趙張龍等采用ＳＬＭ＋等溫鍛造復(fù)合工藝制備的ＴＣ１７鈦合金制 件,，其組織結(jié)構(gòu)主要由粗大β柱狀晶粒組成，經(jīng)相變點(diǎn)上,、下等溫鍛造及熱處理后,，制件組織結(jié)構(gòu)主要由條狀和細(xì)小等軸α相組成， 僅經(jīng)相變點(diǎn)以下等溫鍛造及熱處理后,，制件組織主要由細(xì)小等軸α相 組成,，仍存在有少量的原始β晶粒邊界 ,。在鎳基高溫合金材料的激光成形中，馮莉萍等發(fā)現(xiàn)Ｒｅｎｅ９５高溫合金制件的組織結(jié)構(gòu)為定向凝固柱狀枝晶,，組織細(xì)密,，枝晶一次間距為５～３０ μ ｍ，二次臂很小或者完全退化,，其在ＦＧＨ９５合金制件中也獲得了相似結(jié)論,，其組織結(jié)構(gòu)由細(xì)小柱狀枝晶組織組成，枝晶一次間距約為１０μｍ,， 二次臂退化,。

由于局部凝固條件的不同，枝晶干區(qū)域的γ ′相為球形,、枝晶間區(qū)域的γ′相為立方體形態(tài),，尺度均小于０．１μｍ 。林鑫在３１６Ｌ不銹鋼制件中發(fā)現(xiàn)其組織呈現(xiàn)全γ奧氏體結(jié)構(gòu),，γ奧氏體從基體外延生長(zhǎng)成柱狀枝晶,，并顯示較強(qiáng)的晶體取向性，其＜１００＞晶向基本平行沉積方向,，僅在頂部出現(xiàn)一薄層轉(zhuǎn)向枝 晶,。賈文鵬等通過(guò)建立的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)了３１６Ｌ不銹鋼激光快速成形制件的組織結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng) 柱狀晶,，并且獲得了不發(fā)生ＣＥＴ轉(zhuǎn)變的控制條 件 ,。董翠等制備的３００Ｍ超高強(qiáng)度鋼制件其組 織結(jié)構(gòu)則具有細(xì)小均勻的快速凝固胞狀樹枝晶， 其顯微組織為馬氏體與貝氏體混合組織 ,。王小軍等在對(duì)Ａｌ－ １２Ｓｉ合金激光成形的研究中發(fā)現(xiàn),，在相鄰激光相互作用形成德爾熱影響區(qū)內(nèi)有粗大的針狀初生Ｓｉ形成， 其余部分由納米級(jí)球狀Ｓｉ顆粒鑲嵌在Ａｌ基體中組成 ,。

2.2 制件性能
比對(duì)基于傳統(tǒng)制造方法的制造規(guī)范和制造標(biāo)準(zhǔn),，激光增材制造制件性能的達(dá)到程度決定著該項(xiàng)技術(shù)在工程實(shí)際中的應(yīng)用程度。李懷學(xué)等發(fā)現(xiàn)ＴＣ４鈦合金制件室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到１  １００ＭＰａ,，達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn),，硬度在３ ３００～３  ５００ＭＰａ之間，各向硬度差異不顯著 ,。高士友等發(fā)現(xiàn),，ＴＣ４鈦合金 制件盡管其組織結(jié)構(gòu)類似于鑄造，但其抗拉強(qiáng)度達(dá) 到了鍛造制件的水平 ,。陳靜等制備的ＴＣ４鈦 合金制件的室溫及３００℃拉伸強(qiáng)度及塑性指標(biāo)均 達(dá)到或超過(guò)鍛造件水平,。

張方等發(fā)現(xiàn)Ｔｉ６０合金制件的硬度要高于鍛件指標(biāo)，室溫和６００℃高溫拉伸強(qiáng)度均高于鍛件,， 室溫塑性略低于鍛件,，而高溫塑性與鍛件相當(dāng),，其 進(jìn)一步的研究表明Ｔｉ６０合金制件在進(jìn)行雙重退火熱處理后，其室溫和高溫（６００℃）下的拉伸強(qiáng)度略有下降,，但塑性顯著增高,，綜合力學(xué)性能得到提 高 。陳靜等發(fā)現(xiàn)Ｔｉ６０制件的組織結(jié)構(gòu)以及粉 末材料的制備方法會(huì)使鈦合金制件的高溫持久性能發(fā)生大幅度變化,。較高的功率密度所形成的魏氏組織相較較低功率密度形成的網(wǎng)籃組織其高溫持久性顯著降低,，采用氣霧化法制備的粉末在制件中形成的氣孔會(huì)導(dǎo)致其高溫持久性能降幅達(dá) ３００％ 。于翔天等制備的ＴｉＢ＋ＴｉＣ增強(qiáng)ＴＡ１５ 復(fù)合材料制件,，當(dāng)ＴｉＢ＋ＴｉＣ增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)約為 ９％時(shí),，制件抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高了１２％， 分別達(dá)到１  ０４０ＭＰａ及９３５ＭＰａ ,。馮莉萍等發(fā)現(xiàn)ＦＧＨ９５合金的成形制件的拉伸強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到粉末冶金的９７．９％,， 塑性超過(guò)粉末冶金制件 。

金具濤等發(fā)現(xiàn)激光成形Ｒｅｎｅ９５ 合金的室溫抗拉強(qiáng)度為１  ２４７ＭＰａ,，較粉末冶金Ｃ級(jí)水平略低,，而沿沉積高度方向的延伸率為 １６．２％， 高于粉末冶金Ａ級(jí)水平 ,。楊海歐等研究表明,，對(duì)Ｒｅｎｅ９５高溫合金激光快速成形制件進(jìn) 行固溶＋時(shí)效熱處理后，其強(qiáng)度指標(biāo)接近粉末冶金Ｃ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),， 塑性指標(biāo)超過(guò)粉末冶金Ａ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),。試樣平均硬度達(dá)到ＨＶ４９６．３ 。趙曉明等對(duì)Ｒｅ－ｎｅ８８ＤＴ高溫合金制件進(jìn)行時(shí)效熱處理后,，發(fā)現(xiàn)其抗拉強(qiáng)度提高了４００ＭＰａ ,，屈服強(qiáng)度接近同種材料的粉末鍛造水平。袁源等制備的鐵基固溶體α增韌Ｆｅ９Ｃｒ９Ｓｉ２三元金屬硅化物合金制件,，其韌性明顯改善，在干 滑動(dòng)摩擦條件下,，具有較低的摩擦系數(shù),。董翠等制備的３００Ｍ超高強(qiáng)度鋼制件室溫拉伸性能接 近同質(zhì)材料的鍛件水平 。

2.3制件微觀缺陷
對(duì)金屬增材制造制件性能的研究發(fā)現(xiàn),，制件性能盡管在個(gè)別指標(biāo)能夠達(dá)到同質(zhì)材料的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,， 但總體上還是存在著一定的差距，其主要原因在于增材制造技術(shù)成形機(jī)理的固有特性———“瞬態(tài)熔凝過(guò)程”所導(dǎo)致的制件內(nèi)部的微觀缺陷,，如裂紋,、空洞等，其產(chǎn)生的原因包括工藝參數(shù)配置不當(dāng),、內(nèi)應(yīng)力以及熔合不良等,。 張鳳英等對(duì)鈦合金制件圍觀缺陷的產(chǎn)生進(jìn)行了深入的研究,， 發(fā)現(xiàn)由于鈦合金本身所特有的優(yōu)良的塑性性能， 其制件往往很少出現(xiàn)裂紋,，但在制件內(nèi)部大多存在微氣孔以及熔合不良等缺陷,。

此外，成形件內(nèi)部的氣孔形貌呈球形,，在成形件內(nèi)部的分布具有隨機(jī)性,，氣孔是否形成取決于粉末材料的松裝密度等特性， 氧含量對(duì)氣孔的形成沒(méi)有影響,。熔合不良缺陷形貌一般呈不規(guī)則狀,，主要分布在各熔覆層的層間和道間，其是否產(chǎn)生取決于成形特征參量是否匹配,，其中最顯著的影響因素是能量密度,、 多道間搭接率以及Ｚ軸單層行程。陳靜等的研究表明：３１６Ｌ不銹鋼激光快速成形容易產(chǎn)生開裂,，裂紋多發(fā)生在樹枝晶的晶界,，呈現(xiàn)出典型的沿晶開裂特征。熔覆層中的裂紋是凝固裂紋,，屬于熱裂紋范疇,。

裂紋產(chǎn)生的主要原因是熔覆層組織在凝固溫度區(qū)間晶界處的殘余液相受到熔覆層中的拉應(yīng)力作用所導(dǎo)致的液膜分離的結(jié) 果 。盧朋輝在對(duì)Ｋ４１８高溫合金的開裂研究中也發(fā)現(xiàn)了制件內(nèi)裂紋為與液膜有關(guān)的結(jié)晶裂紋裂紋沿枝晶晶界擴(kuò)展 ,。趙曉明對(duì)Ｒｅｎｅ８８ＤＴ激光快速成形裂紋的研究中發(fā)現(xiàn)裂紋為液化裂紋,，與鈦 合金相似，也具有典型的沿晶開裂特征 ,。賀瑞軍等在對(duì)Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｚｒ－Ｍｏ－Ｖ合金在高周疲勞失效中的變形行為的研究中發(fā)現(xiàn)鈦合金制件的疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展中的變形行為都與其位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和滑移行為密切相關(guān),。疲勞裂紋擴(kuò)展中的滑移主要沿兩個(gè)滑移面進(jìn)行，裂紋擴(kuò)展亞表面存在大量二次裂 紋,。

2.4成形工藝
在特定的成形材料的前提下,，工藝研究是金屬增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容，也是制件內(nèi)缺陷消除,、 制件性能提高的必由之路,。研究人員在金屬增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)工藝研究中投入了大量的工作，從基礎(chǔ)工藝參數(shù),、成形氣氛,、材料預(yù)處理、制件熱處理等方面開展了廣泛的研究,，甚至考慮采用其他的 能量來(lái)源代替激光光源,。環(huán)境中的氧含量對(duì)成形工藝包括激光沉積工藝、成形質(zhì)量,、粉末利用率,、熔覆層是否開裂等具有顯著影響,。陳靜等認(rèn)為氧含量嚴(yán)格控制在０．０２％以下時(shí)，可獲得表面平整光潔,、無(wú)裂紋等缺陷的 ＴＣ４薄壁試樣 ,。

劉奮成等對(duì)比了氬氣和空氣環(huán)境中Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８鎳基高溫合金的成形， 發(fā)現(xiàn)在兩種氣氛環(huán)境下制件組織結(jié)構(gòu)基本相同,，均為沿成形方向連續(xù)生長(zhǎng)的粗大柱狀枝晶,，組織細(xì)密，均勻,；空氣環(huán)境中制件拉伸強(qiáng)度略高于氬氣環(huán)境中制件的拉伸強(qiáng)度,，但是前者的塑性略低，疲勞性能比后者約低３０％,， 其原因是制件中較多的氧化物夾雜和顯微氣孔等缺陷,。譚華等則研究了以單元素混合粉末代替預(yù)合金粉末為原料制備Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ制件，可在較大程度上控制氧含量,，僅約０．１％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）,，且其室溫拉伸性能提高較多，超過(guò)鍛件標(biāo)準(zhǔn) 要求 ,。

陳靜等在對(duì)Ｔｉ６０合金的成形研究中發(fā) 現(xiàn),，采用氣霧化法制備的粉末非常容易在制件中形 成氣孔，其高溫持久性能降幅達(dá)３００％ ,。謝德巧等則在熔池中引入脈沖電流,，利用脈沖電流在熔池中產(chǎn)生的磁致壓縮力用以擠壓熔池中形成的氣泡， 以期減少制件中孔隙的數(shù)量以及尺寸,。激光增材制造的瞬態(tài)熔凝過(guò)程所產(chǎn)生的極高的溫度梯度,，極易在制件內(nèi)部形成封閉的內(nèi)應(yīng)力。楊健等在對(duì)３１６Ｌ不銹鋼激光快速成形制件的殘余應(yīng)力的研究中發(fā)現(xiàn),，制件內(nèi)部的殘余應(yīng)力以拉應(yīng)力作用為主,，垂直于掃描方向的殘余應(yīng)力相較于平行方向要小一些，隨著制件高度增加,，拉應(yīng)力逐漸 減小,，有改變?yōu)閴簯?yīng)力的趨勢(shì) 。

為了降低或消除內(nèi)應(yīng)力對(duì)制件性能所產(chǎn)生的影響,，王凱等采取了采用基板預(yù)熱的方法以控制薄壁制件內(nèi)應(yīng)力以及 內(nèi)應(yīng)力引起的變形 。張霜銀等對(duì)ＴＣ４成形制 件和經(jīng)熱處理后的殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究,，發(fā)現(xiàn)靠近 基材處的殘余應(yīng)力為較大的壓應(yīng)力,， 隨著制件高度的增加， 到頂部轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小的拉應(yīng)力,。去應(yīng)力退火熱處理后,，制件的殘余應(yīng)力分別降低５９．８％和７２．３％,，固溶時(shí)效處理后殘余應(yīng)力分別降低６４．７％ 和６７．８％。鈦合金制件的殘余應(yīng)力總體屬于低應(yīng)力水平,，制件經(jīng)熱處理后殘余應(yīng)力分布趨于平緩,，可有效地消除和調(diào)整激光成形過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng) 力 。

戚永愛則利用噴丸強(qiáng)化的輔助方法對(duì)成形過(guò)程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,， 制件內(nèi)沿著掃描方向殘余應(yīng)力消除達(dá)到９３．６４％,；垂直于掃描方向的殘余應(yīng)力受超聲沖擊作用由拉應(yīng)力變?yōu)閴?應(yīng)力。對(duì)制件進(jìn)行后續(xù)熱處理是當(dāng)前金屬增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提高的主要工藝手段,。陳靜等研究發(fā)現(xiàn),，對(duì)Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金制件進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理后所獲得的網(wǎng)籃組織綜合性能最好，不論是強(qiáng)度指標(biāo)還是塑性指標(biāo)都高于鍛件標(biāo) 準(zhǔn) ,。張霜銀等對(duì)ＴＣ４鈦合金成形制件進(jìn)行去 應(yīng)力退火和固溶時(shí)效處理,， 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)退火處理后性能改善不明顯,，塑性有所提高,，而經(jīng)固溶時(shí)效熱處理后塑性有明顯提高，且強(qiáng)度降低不大,，具有 良好的綜合力學(xué)性能,。

王俊偉等對(duì)ＴＣ１７的同 類研究表明，成形制件在組織結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出與 ＴＣ４相同的變化 ,。張小紅等研究了對(duì)ＴＡ１５鈦合金制件的退火,、 固溶時(shí)效以及雙固溶時(shí)效處理。結(jié)果表明經(jīng)退火處理后塑性得到了提高,，具有良好的綜合拉伸性能,，達(dá)到了鍛件退火態(tài)的拉伸性能標(biāo) 準(zhǔn)；經(jīng)固溶時(shí)效處理后,，制件強(qiáng)度顯著提高 ,。林鑫等對(duì)Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ合金制件進(jìn)行退火處理后，制件組織結(jié)構(gòu)原有的等軸α＋層狀α＋β雙態(tài)組織經(jīng)熱影響區(qū)連續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫��?nèi)分布魏氏α＋β的外延生長(zhǎng)的粗大柱狀晶組織,，修復(fù)區(qū)中α板條有粗化趨勢(shì),，綜合力學(xué)性能得到一定改善，塑性有所提高,，其靜載拉伸性能達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn),， 再輔以噴丸處理，制件的低周疲勞性能達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)要求 ,。趙曉明等研究了時(shí)效時(shí)間對(duì)激光快速成形后時(shí)效硬化鎳基高溫合金Ｒｅｎｅ８８ＤＴ中沉淀相組織演化和力學(xué)性能的影響,。

發(fā)現(xiàn)隨時(shí)效時(shí)間的增加 制件組織中沉淀相顆粒粗化明顯，成形件經(jīng) １  １６０℃、２ｈ,、２００ＭＰａ熱等靜壓的高壓,、高溫固溶處理后，裂紋得到明顯的愈合修復(fù),，在原裂紋附近析出ＭＣ型碳化物,。將熱等靜壓處理后的成形件 進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理后，拉伸強(qiáng)度和塑性均明顯提高,，綜合力學(xué)性能接近粉末冶金Ｒｅｎｅ８８ＤＴ的標(biāo)準(zhǔn) ,。趙衛(wèi)衛(wèi)等對(duì)Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８制件進(jìn)行直接時(shí)效處理后發(fā)現(xiàn)硬度和拉伸強(qiáng)度均明顯提高，合金性能得到進(jìn)一步改善,， 室溫,、高溫拉伸強(qiáng)度和塑性都達(dá)到了高強(qiáng)鍛件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Ｑ／３Ｂ５４８－１９９６（高強(qiáng)）  。從能量源角度出發(fā),，鎖紅波等利用電子束代替激光實(shí)現(xiàn)了Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ鈦合金制件的制備,，制件經(jīng)退火處理后拉伸性能可滿足ＡＭＳ４９９９標(biāo)準(zhǔn)的要 求，但與鍛件標(biāo)準(zhǔn)ＨＢ５４３２相比仍有差距 ,。

2.5梯度材料
為實(shí)現(xiàn)某種或某幾種功能或性能,，而不僅僅局限在單一材料體系，增材制造技術(shù)為設(shè)計(jì)方法的變革提供了一條嶄新的途徑,，基于增材制造技術(shù)的梯度功能材料就是最為典型的應(yīng)用,。楊海歐等制備了從１００％３１６Ｌ到１００％Ｒｅｎｅ８８ＤＴ成分連續(xù)漸變的梯度材料制件。制件組織致密,，在過(guò)渡層內(nèi),，隨著Ｒｅｎｅ８８ＤＴ合金所含比例的逐漸提高，硬度和一次枝晶間距持續(xù)增大,，硬度值從底部１００％３１６Ｌ的１８６ＨＶ連續(xù)漸變到頂端１００％Ｒｅｎｅ８８ＤＴ的４５８ＨＶ,。平均一次枝晶間距由底部的１２．４１μｍ 逐漸增大到頂部的１６．９９μｍ 。劉建濤等制備了從Ｔｉ到Ｔｉ２ＡｌＮｂ成分連續(xù)漸變,、外形規(guī)則,、高度為１７ｍｍ的梯度材料制件。

隨著Ａｌ和Ｎｂ成 分的提高,，Ｔｉ－Ｔｉ＿２ＡｌＮｂ功能梯度材料實(shí)現(xiàn)了由α型鈦合金經(jīng)過(guò)α＋β型及β型鈦合金向Ｔｉ＿２ＡｌＮｂ 基合金的轉(zhuǎn)變 。解航等成功制備了ＣｏＣｒＭｏ體 積分?jǐn)?shù)１０％的無(wú)裂紋Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ－ＣｏＣｒＭｏ梯度材料 制件,，用于人工關(guān)節(jié)的制備 ,。許小靜等進(jìn)行了Ｔｉ－ ８０％Ｎｉ（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）合金的工藝研究,，制件組織結(jié)構(gòu)由η－ＴｉＮｉ＿３板條和ＴｉＮｉ（Ｂ２）＋η共晶構(gòu)成,，隨著激光掃描速率的增大,，η板條逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣前鍡l＋（ＴｉＮｉ（Ｂ２）＋η） 共晶,，隨著激光功率的增大，塊狀組織越細(xì),，形成（ＴｉＮｉ（Ｂ２）＋η ）離異共晶組織＋板塊間（ＴｉＮｉ（Ｂ２）＋η ）共晶組織 ,。

３ 發(fā)展前景
金屬增材制造技術(shù)作為一種全新理念的制造技術(shù),，自其出現(xiàn)之日起，便被工程材料領(lǐng)域的研究者們視為一種新的方法和手段,，實(shí)現(xiàn)或者替代既有加工制造方法和材料制備方法,。眾多的研究表明，當(dāng)前絕大多數(shù)關(guān)于增材制造技術(shù)的研究,，其最終目標(biāo)依舊是基于某一材料體系的零件,、部件或功能組 合制件的制備,。無(wú)論是材料制備還是加工制造,，無(wú)論是對(duì)制件組織結(jié)構(gòu),、制件性能的研究還是對(duì)制件微觀缺陷,、成形工藝等的研究，其參考的標(biāo)準(zhǔn)依舊是既有加工制造和材料的指標(biāo)體系,，從某種意義上講， 當(dāng)前增材制造技術(shù)的相關(guān)研究主要聚焦于對(duì)既有加工制造方法和材料制備方法的替代或者提升,。

隨著對(duì)增材制造技術(shù)研究的深入和理解認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步拓展,，人們逐步意識(shí)到增材制造技術(shù)的內(nèi)涵似乎已經(jīng)不僅僅局限于工程和材料學(xué)科，其所蘊(yùn)含的潛能正在逐步向外輻射,，日益影響著其他學(xué)科的發(fā)展，甚至是社會(huì)生產(chǎn)模式,、思維模式的變革，以 至于終將影響社會(huì)形態(tài)的發(fā)展,。


北京航空航天大學(xué)王華明教授提出了金屬增材制造技術(shù)實(shí)際上是一個(gè)以高性能材料制備,、內(nèi)部質(zhì)量控制為核心的“控形／控性”一體化制造技術(shù)，其面臨的關(guān)鍵問(wèn)題是突破“內(nèi)應(yīng)力”控制及“變形開 裂”預(yù)防,、“內(nèi)部質(zhì)量控制”及檢測(cè)評(píng)價(jià)等,。


西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授認(rèn)為金屬增材制造技術(shù)發(fā)展目標(biāo)應(yīng)該是形成增材制造技術(shù)的設(shè)計(jì),、工藝,、材料,、 裝備和質(zhì)量等方面完整的學(xué)科與技術(shù)體系 。


華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)教授提出“制造改變?cè)O(shè)計(jì)”必將成為可能,，增材制造技術(shù)將必然帶來(lái)對(duì)ＣＡＤ模型 的新的設(shè)計(jì)要求， 帶來(lái)設(shè)計(jì)方面革命性的變化,。


華中科技大學(xué)史玉升教授提出了現(xiàn)代增材制造技術(shù)超越傳統(tǒng)單材均質(zhì)加工技術(shù)的３個(gè)突破,，即材料復(fù)雜性,、層次復(fù)雜性和功能復(fù)雜性，對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法提出了新的挑戰(zhàn),，即現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法必須引入新一代的復(fù)雜形狀建模、 復(fù)雜材料建模和復(fù)雜層次建模技術(shù),， 在更高層次上將上述復(fù)雜性統(tǒng)一起來(lái),。

西安交通大學(xué)盧秉恒院士不僅在技術(shù)層面提出了增材制造科學(xué)與技術(shù)所面臨的具體科學(xué)問(wèn)題,，包括在制造技術(shù)層面的材料與工藝與制造功能和質(zhì)量的關(guān)系、在設(shè)計(jì)層面的以材料和工藝為支持的功能驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法以及在系統(tǒng)層面的制造能力與設(shè)計(jì)智慧構(gòu)建的集散制造模式等,，更在戰(zhàn)略層面上揭示了增材制造技術(shù)將會(huì)對(duì)社會(huì)形態(tài)發(fā)展帶來(lái)的影響的內(nèi)涵，充分展現(xiàn)了增材制造技術(shù)在新的社會(huì)發(fā) 展時(shí)期所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn) ,。

金屬增材制造技術(shù)因其逐點(diǎn)堆積的過(guò)程,，可以通過(guò)對(duì)“點(diǎn)”的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬件的“控形控性”的要求,。在合適的工藝基礎(chǔ)上,，金屬增材制造技術(shù)可完成鈦合金、高溫合金,、不銹鋼等零件的高品質(zhì),、快速制造,。提出了增材制造技術(shù)的新構(gòu)想：
一方面，基于既有制造／材料標(biāo)準(zhǔn)體系,，以產(chǎn)品性能指標(biāo)（或稱產(chǎn)品質(zhì)量）為目標(biāo),，通過(guò)對(duì)制造過(guò)程的工藝配置,，控制成形過(guò)程中制件的組織結(jié)構(gòu),，建立制件性能指標(biāo)—制件組織結(jié)構(gòu)—制造工藝參數(shù)的“ 關(guān)系數(shù)據(jù)鏈”，實(shí)現(xiàn)“基于性能驅(qū)動(dòng)的增材制造閉環(huán)控制” ,；


另一方面,，基于增材制造技術(shù)現(xiàn)狀，從觀念上正確認(rèn)識(shí)增材制造技術(shù)的規(guī)律性,，接受并認(rèn)可增材制造技術(shù)的固有屬性，綜合考慮產(chǎn)品功能／性能,、效率和成本的關(guān)系,，建立增材制造技術(shù)產(chǎn)品獨(dú)立的評(píng)價(jià)體系。


編輯：南極熊
作者：趙劍峰 馬智勇 謝德巧 韓雪謙 肖 猛 （南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,，增材制造（３Ｄ打�,。┭芯克�,，

综述