南航顧冬冬頂刊丨航空航天高性能金屬構(gòu)件激光增材制造的3類典型材料及應(yīng)用挑戰(zhàn)

來源：AM-union

航空航天是當(dāng)今世界科技強國競相發(fā)展的重點方向之一,，其發(fā)展離不開兼具輕量化,、難加工,、高性能等特征的金屬構(gòu)件,。激光增材制造為高性能金屬構(gòu)件的設(shè)計與制造開辟了新的工藝途徑,，可解決航空航天等領(lǐng)域發(fā)展過程中對材料,、結(jié)構(gòu)、工藝,、性能及應(yīng)用等提出的新挑戰(zhàn),。

南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院顧冬冬教授發(fā)表的《航空航天高性能金屬材料構(gòu)件激光增材制造》長篇綜述論文，系統(tǒng)論述了航空航天領(lǐng)域3類典型應(yīng)用材料和4類典型結(jié)構(gòu)的激光增材制造及航空航天應(yīng)用進(jìn)展,，并對激光增材制造技術(shù)在材料-結(jié)構(gòu)-工藝-性能一體化方向進(jìn)行了總結(jié)和展望,。

本篇介紹航空航天增材制造的3類典型應(yīng)用材料（即鋁、鈦,、鎳基合金及其金屬基復(fù)合材料）,，后續(xù)將介紹4類典型結(jié)構(gòu)（大型金屬結(jié)構(gòu)、復(fù)雜整體結(jié)構(gòu),、輕量化點陣結(jié)構(gòu),、多功能仿生結(jié)構(gòu)等）。

激光增材制造鋁合金及鋁基復(fù)合材料
鋁合金及鋁基復(fù)合材料對于激光增材制造是典型的難加工材料,，這是由其特殊的物理性質(zhì)(低密度,、低激光吸收率、高熱導(dǎo)率及易氧化等)決定的,。從增材制造工藝角度看,，鋁合金的密度較小，粉體流動性相對較差,，在SLM成形粉床上鋪放的均勻性較差或在LMD過程中粉末輸運的連續(xù)性較差,，故對激光增材制造裝備中鋪粉/送粉系統(tǒng)的精度及準(zhǔn)確性要求較高。

相對于鈦基,、鎳基等對SLM和LMD兩種工藝表現(xiàn)出的廣泛適用性,，鋁基材料激光增材制造的研究工作及應(yīng)用驗證較多集中在SLM工藝上。目前基于SLM成形的鋁合金及鋁基復(fù)合材料達(dá)10余種,，且多為Al-Si系,，此類合金因其鑄造鋁合金的材料本質(zhì)，即便采用優(yōu)化工藝制備,，抗拉強度也很難突破400MPa,，從而限制了其在具有較高服役性能要求的航空航天承力構(gòu)件上的使用,。

△激光增材制造鋁合金及其復(fù)合材料的力學(xué)性能

為獲得更高的力學(xué)性能，近年來Al-Cu,、Al-Mg和Al-Zn等體系也被用作SLM成形材料,，但這類鋁合金中較高的合金元素含量和較寬的冷卻凝固溫度范圍，使得沉淀強化合金在激光增材制造過程中易形成裂紋甚至發(fā)生開裂,；且相對于鋁元素,，鎂和鋰等元素更易在高能激光的高溫作用下發(fā)生氣化蒸發(fā)，從而影響成形件的成分穩(wěn)定性及力學(xué)性能,。因此,，對于激光增材制造高強鋁合金而言，成分,、物性參數(shù),、相變的設(shè)計及調(diào)控尤為重要。近年來,，人們設(shè)計了專門面向激光增材制造的稀土元素鈧改性增強的Al-Mg-Sc-Zr合金粉末,，經(jīng)增材制造并輔以適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕�其綜合力學(xué)性能可顯著提升（抗拉強度高于500MPa,，延伸率超過10％）,。

制備鋁基復(fù)合材料是鋁合金強韌化的重要途徑。鋁基復(fù)合材料兼具輕合金與陶瓷,、纖維等增強體的優(yōu)良特性,，具有高的比強度、比模量及體積穩(wěn)定性,，并具有耐高溫,、抗磨損及抗氧化等優(yōu)異的性能以及材料可設(shè)計性。激光增材制造鋁基復(fù)合材料在選材上突出“多相材料可設(shè)計性”,，在增材制造工藝上強調(diào)“高可控性”,，在使用成效上則凸顯“高性能/多功能”，這也代表了增材制造技術(shù)的重要發(fā)展方向,。納米陶瓷增強和原位陶瓷增強可有效改善陶瓷/金屬界面的潤濕性及結(jié)合性,，抑制界面上的微觀孔隙及裂紋，提升激光成形件的力學(xué)性能,。

激光增材制造鈦合金及鈦基復(fù)合材料
鈦基材料因具有優(yōu)異的比強度,、耐蝕性和生物相容性而被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療,、食品化工等領(lǐng)域,，是增材制造領(lǐng)域經(jīng)常采用的材料。目前激光增材制造鈦基合金的挑戰(zhàn)在于:

1 )激光增材制造成形完全致密的復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦基構(gòu)件尚存在難度,，成形過程中構(gòu)件易產(chǎn)生氣孔,、裂紋及表面球化等加工缺陷,，這些加工缺陷往往會成為絕熱剪切帶和裂紋萌生源，降低成形件的力學(xué)性能和服役性能,。

2 )激光增材制造過程中極大的冷卻速度和溫度梯度將誘發(fā)馬氏體相變，使構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力,；隨著加工層數(shù)增加,，殘余應(yīng)力逐漸增大，從而導(dǎo)致熱裂紋形成,，并且成形件易發(fā)生翹曲,，這種加工缺陷積累至一定程度時會導(dǎo)致成形件發(fā)生開裂，并嚴(yán)重降低零件的塑性和韌性,。

3 )在激光加工過程中,，熱流主要沿著平行于增材制造的方向傳導(dǎo)，易形成粗大的柱狀晶組織,，從而導(dǎo)致構(gòu)件的顯微組織和力學(xué)性能具有很強的各向異性,。

△激光增材制造鈦及鈦合金的力學(xué)性能

鈦基材料對SLM和LMD兩類激光增材制造工藝均表現(xiàn)出了較強的適用性。目前用于激光增材制造的鈦合金主要集中在工業(yè)純鈦(CP-Ti)及TC4等傳統(tǒng)鈦基材料上,。激光增材制造構(gòu)件的顯微組織調(diào)控是其力學(xué)性能提升的基礎(chǔ),，組織演變又受控于工藝，故高性能構(gòu)件激光增材制造需要建立材料-組織-工藝-性能的一體化調(diào)控理論及方法,。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟,，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)用,！

由于激光增材制造過程中熔池的冷卻速度較快,，且沿著增材制造方向具有較大的溫度梯度，故而鈦合金的凝固組織往往呈柱狀晶結(jié)構(gòu),，導(dǎo)致了成形件力學(xué)性能的各向異性,。為改善鈦合金激光增材制造過程中產(chǎn)生的各向異性，提高力學(xué)性能,，可從材料設(shè)計（如合金化）和工藝優(yōu)化（如施加復(fù)合能場）兩方面加以改進(jìn),。

除了合金化的思路來研發(fā)激光增材制造新型鈦合金外，制備陶瓷增強鈦基復(fù)合材料也是提升鈦基構(gòu)件力學(xué)性能的重要手段,。鈦具有很強的化學(xué)活性,，激光增材制造過程中鈦組元易與其他組元發(fā)生原位化學(xué)反應(yīng)，顯著增大了激光成形材料物相和組織的調(diào)控難度,，故對于鈦基復(fù)合材料陶瓷增強相的選擇上需慎重,。

激光增材制造鎳基高溫合金及其復(fù)合材料
鎳基高溫合金自身含有較多的合金元素，其在激光增材制造過程中普遍存在裂紋敏感性強,、元素偏析嚴(yán)重,、顯微組織各向異性顯著,、力學(xué)性能可控性差等問題。一方面,，鎳基合金中親氧能力較強的鉻,、鋁元素易在高溫作用下與成形氣氛中的氧元素發(fā)生作用，形成微細(xì)氧化物夾渣,，然其與基體界面間的潤濕性較差,，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生并降低力學(xué)性能；另一方面,，碳,、鈮、鉬等元素易在晶界聚集,，顯著增加低熔點共晶相的含量,，加劇了熱影響區(qū)熱裂紋的形成。此外,，各類晶界析出物會消耗鎳基體中的強化相形成元素,，顯著降低激光增材制造鎳基構(gòu)件的力學(xué)性能。

當(dāng)前,，鎳基高溫合金激光增材制造主要集中在Inconel系列合金上,，其中沉淀強化型Inconel718和固溶強化型Inconel625的可焊接性強，亦適用于基于粉末熔化/凝固冶金過程的激光增材制造工藝,。激光增材制造鎳基高溫合金的顯微組織調(diào)控主要是通過優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)而改變?nèi)鄢氐臏囟忍荻�,、凝固速度和冷卻速率來實現(xiàn)的，然后結(jié)合后續(xù)的熱處理工藝來實現(xiàn)晶粒形狀,、尺寸以及析出相形態(tài),、含量及分布的調(diào)控。此外,，采用優(yōu)化的激光掃描策略也可改變晶粒的生長織構(gòu),，獲得高強韌鎳基合金材料。

△激光增材制造鎳基高溫合金及其復(fù)合材料的力學(xué)性能

熱處理可實現(xiàn)激光增材制造鎳基高溫合金的強化,，但會在一定程度上犧牲材料的韌性,；同時，后處理需要合理調(diào)控加熱溫度,、保溫時間,、冷卻介質(zhì)及熱等靜壓的壓力等參數(shù)，成本較高,，工藝較復(fù)雜,，缺陷形成概率也較大。基于高溫高壓處理的熱等靜壓(HIP)技術(shù)可以消除激光增材制造鎳基高溫合金構(gòu)件中的殘余孔隙,，抑制裂紋萌生及擴展,，進(jìn)而提高成形件的力學(xué)性能。

制備陶瓷增強鎳基復(fù)合材料是鎳基高溫合金力學(xué)性能提升的另一個重要途徑,，可使復(fù)合材料在韌性不降低的前提下具有更高的比強度,、比剛度及耐熱性。

總結(jié)
總的來說,，以鋁,、鈦合金為代表的輕質(zhì)高強合金，以及以Ni基高溫合金為代表的承載耐熱合金,，是各國新材料研發(fā)計劃中重點發(fā)展的材料之一，也是激光增材制造中重要的應(yīng)用材料,。關(guān)于增材制造材料研發(fā)的特點可以歸納為三點：
研制新型高性能材料是激光增材制造構(gòu)件力學(xué)性能及應(yīng)用水平提升的基礎(chǔ)保障,。
納米復(fù)合、原位增強及梯度界面設(shè)計是提升傳統(tǒng)金屬激光增材制造強韌化的有效途徑,。
激光增材制造工藝調(diào)控及技術(shù)創(chuàng)新是金屬構(gòu)件顯微組織改善及性能提升的根本手段,。