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

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：沙特烏姆·庫拉大學(xué),、美國阿克倫大學(xué),、紐約州立大學(xué)及英國曼徹斯特大學(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法用于此類應(yīng)用。本文深入概述了通過所選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。

圖2通過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）孔隙度的來源和類型,。

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。
未來研究方向可以采用先進(jìn)的優(yōu)化算法來預(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)來有效提高表面屬性,。在制造過程中，可采用實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋機(jī)制來實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制,。開發(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的精度來處理復(fù)雜的特征，并利用DED的高沉積率來處理較大的部分,。未來的研究重點(diǎn)可以放在開發(fā)這些混合工藝上,，拓寬AM工藝的能力�,？傊�,，通過結(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：

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