增材制造用金属材料的研究现状

张忠伦 宋旼 侯建业

（1中南大学，湖南 长沙 410083；2中建材科创新技术研究院，山东 枣庄 277116）

1 增材制造技术

增材制造（AM）技术是通过计算机建模，模拟所需部件的整体轮廓，采用专用软件对所模拟的部件轮廓进行切片分层模拟，并输出数字信号，由计算机控制打印机器对零件进行打印，得到最终产品。目前，使用金属作为原料的增材制造技术主要有激光选区熔化（SLM）、电子束选区熔化成形（EBM）、激光熔融沉积（LDMD）等。

1.1 主要技术

1.1.1 激光选区熔化技术

在金属增材制造中，SLM是应用最普遍的技术之一，由Fraunhofer研究所于1995年在德国提出，利用激光选区熔化打印金属材料，图1为其技术原理图[1]。SLM技术的激光器能量密度很高，能够直接用激光熔化粉体，不需要粘结剂，具有很高的成形性能。经过SLM技术制备的零件具备相当高的致密度，力学性能优异，非常适合实际工程应用[2]。

图1 SLM技术原理图Fig.1 Technical schematic diagram of SLM

1.1.2 电子束选区熔化技术

EBM是在真空环境下通过高能电子束熔化金属粉体打印的技术，通过EBM技术可以成形结构复杂、成分纯度高的金属零件，但是其成形尺寸受到了粉体环境与车床的限制。

设备示意图见图2。

图2 EBM设备示意图Fig.2 Equipment diagram of EBM

1.1.3 激光熔融沉积技术

LDMD技术也称为激光堆焊技术，早在二十世纪六十年代就被提出，通过使用高能激光在两个金属材料表层之间形成熔覆层，然后经快速固化得到性能良好的涂覆层。但是受到工艺与残余应力等影响，熔覆层常常存在缺陷，在成形精度、成本等方面仍有不足。

技术原理图见图3。

图3 LDMD技术原理图Fig.3 Technical schematic diagram of LDMD

1.2 设备及应用状况

目前，增材制造设备较有名的公司主要有Zcorporation、3D system等，其中，3D system的实力最强，代表了当前增材制造技术水平和未来发展趋势，能够为不同需求的客户提供打印系统。

在工业产品解决方案中，3D system的SLM技术目前有DMP Flex（见图4）、DMP Factory等系列，可为不同需求的客户提供专业化服务。GE航空集团采用激光选区熔化技术为LEAP喷气式发动机制造燃油喷嘴，目前已经接受了超过4000台LEAP喷气式发动机的订单，其中有相当多零部件需要通过3D打印制造（见图5）。

图4 DMP Flex 350金属打印机Fig.4 Metal printer DMP Flex 350

图5 通过激光选区熔化零件Fig.5 Selective laser melting parts

2 合金种类

2.1 钛合金

钛合金是增材制造技术广泛研究的金属材料之一，具有高强度和抗断裂性、优异的耐侵蚀性和抗疲劳性及生物相容性，被广泛用于航空航天和生物医学等领域[3]。在许多高新技术领域，由传统技术制备的钛合金部件已经被广泛应用，如美军战斗机。由于高端领域的技术要求提高，传统的制造设备及工艺已不能满足需要，限缩了其应用范围[4]，而AM可以从源头解决传统工艺的不利影响，成为制造钛合金零件的新型技术。

不少研究报道了钛合金可以应用不同的AM方法来处理，如粉末床熔化技术（PBF）和直接能量沉积技术（DED）等[5-9]。而第一批采用SLM技术工业化生产的Ti6Al4V（TC4）合金，目前对其研究主要集中在疲劳裂纹生成行为与微观组织之间的关系等方面。Leuders[10]研究发现，通过SLM制造的TC4合金内部的纳米级空隙是影响合金疲劳强度的主要原因，而其中影响最突出的是残余应力。张升等[11]通过激光交替扫描制备TC4合金研究发现，采用SLM技术的合金成形过程中的裂纹具有典型的穿晶断裂特征，且主要是冷裂纹，这是因为在SLM成形过程中零件所处的环境温度很高，导致内部存在一定的残余应力，而合金中的马氏体组织抗裂纹能力低，最终在残余应力的作用下产生裂纹，并逐渐扩散，直到分解成微小裂纹后才会停止扩散。钛合金的微观组织由于在AM加工过程中快速凝固而显示出柱状晶粒，这种微观结构通常出现在AM加工的零件中，且往往沿着制造方向在多层中生长，有研究表明，柱状晶粒的形态会导致AM加工零件的各向异性[12-13]。

研究人员报道了在使用AM处理的Ti6Al4V试样中获得针状马氏体α相[9]，这些相会降低Ti6Al4V试样的延展性，但能提高强度。延展性的提高一般是对试样进行后热处理，将α相分解为α和β相[14-15]。朱加雷等[16]通过使用SLM技术并采用不同激光功率制备TC4合金试样发现，不同的激光功率对合金内部的缺陷数量会产生影响，功率越大，针状α相组织分布越均匀，强度越好。最近的研究还表明，使用AM钛合金可以制造复杂的结构，例如多孔结构和晶格结构（见图6）。与块状钛相比，AM制造的钛合金多孔结构和晶格结构的机械性能显示了更高的能量吸收能力和耐冲击性[17-18]。由于美国食品和药物管理局（FDA）已批准AM制造的钛植入物，钛合金在AM的帮助下进行进一步的设计修改可为医疗植入物带来巨大发展。

图6 使用SLM技术制造的多孔与晶格结构Fig.6 Porous and lattice structures fabricated by SLM

2.2 铝合金

铝合金虽然使用量很大，在硬度导电性及热导率等方面也具有良好的性能，但是由于较差的激光吸收率和低的可焊性，易于AM技术制造的铝合金仍然受限。不过，其在AM技术制造方面仍具有很高的研究价值与潜力。目前，用于增材制造的常见铝合金是共晶Al-Si和Al-Si-Mg合金（如Al12Si和AlSi10Mg）。这些合金中都包含Si，而Si在合金制造过程中可以增加合金对激光的吸收率[15]。

史淑文等[19]采用SLM研究了Al12Si合金的力学性能，得出合金在激光能量密度为200J/mm3时拉伸强度、屈服强度及延伸率达到最大，且Si相析出和生长可以降低合金的硬度与强度，但对韧性和阻尼系数有一定的提高。Siddique等[20]通过AM技术对Al12Si合金的研究得出，对合金裂纹的生长和疲劳行为的有效控制方法是对基板进行预热处理。España等[21]通过DED制成的Al12Si材料具有良好的微观结构，在Al基体中嵌入了共晶Si，从而提高了热性能。Zhao等[22]研究了SLM制造技术对合金微观结构的影响，发现共晶相中的Si颗粒形貌及硬度与激光扫描速度有密切关系。

Read等[23]研究了SLM工艺对AlSi10Mg合金机械性能的影响，经SLM工艺优化后AlSi10Mg合金可以抵抗400MPa的拉伸强度，这是很少的采用较全面系统的试验设计方法进行SLM工艺优化的研究。另一项研究表明，通过AM加工形成的细晶粒微观结构与基于铸造的相同材料相比，通过激光PBF加工的AlSi10Mg具有出色的抗气蚀性能[24]。

目前还缺乏有关打印参数、粉体性能对合金打印件性能的影响机理的研究，尤其是有关打印件致密化的作用机制与铝合金粉体之间的联系仍缺乏更深入探索，这方面的工作急需展开。

2.3 不锈钢

不锈钢因其优良的抗化学腐蚀、耐高温和力学性能，是最早应用于AM的材料。奥氏体、马氏体等都已通过AM进行了加工。与常规生产的钢相比，增材制造的钢表现出不同的微观结构和析出相，这也可能是导致其机械性能变化的原因[25]。通常对AM加工钢进行热处理，以获得所需性能。有研究表明，通过激光PBF技术处理的SS316L具有完全的奥氏体和柱状晶粒，尺寸约1μm[26-27]，相较于传统工艺制造的SS316L精细得多。还有研究表明，奥氏体和铁素体相均来源于经DED处理的SS316L。在DED处理中，凝固过程中微偏析导致Cr和Mo富集，这两者都是铁素体相稳定剂[28-29]。虽然在PBF SS316L中也发现了Cr和Mo的富集，但铁素体相稳定剂的量不足以稳定铁素体相区。此外，在马氏体不锈钢方面，激光熔覆420不锈钢件的耐腐蚀比常规锻造420不锈钢件提高了30%，目前市场上以2Cr13和17-4PH两种材料为主，德国EOS公司还特别研制了MS1和PH1等牌号合金供增材制造技术专用。Yan等[25]报道了由PBF制成的奥氏体SS材料可提高强度而不影响延展性。使用新的增材制造机器，可以通过调整加工参数来监视和控制冷却速率，以获得不同钢材的定制机械性能。

2.4 其他合金

高温合金指可以持续承受一定应力并在600℃以上的环境下长时间稳定工作的一类金属材料，一般按照合金基体种类可以分为铁基、镍基、钴基三类[30]。高温合金在航天发动机等重要领域应用广泛，合金用量比例非常高，最高可达60%。由于航空发动机等领域对材料的要求越来越高，传统的铸锭冶金工艺已不能满足[31]，而增材制造技术因其技术优势，在高温合金成形中成为解决技术瓶颈的新方法。张颖等[32]通过对Inconel 718合金采用SLM工艺研究发现，合金的微观组织经历了粗大柱状晶、聚集的枝晶、细长且均匀分布的柱状枝晶等组织变化，而这些组织变化与其在加工中的激光能量密度增大有关。Zhang等[33]研究发现，通过SLM成形制造的钴合金烤瓷牙较传统铸造工艺具备更强的硬度，其钴铬离子含量释放很低，完全符合ISO安全标准。

镁合金作为最轻的结构合金，因其特殊的高强度和阻尼性能，非常有潜力在诸多应用领域替代钢和铝合金，如在航空领域，部件轻量化可降低燃料使用量，以及优秀的生物相容性较传统合金更有应用前景[34-35]。Wei等[36]研究发现，AZ91D合金在能量密度为83-167J/mm3之间能够获得无明显宏观裂纹的高密度粉末，样品均出现分层特征，相邻轨道和层堆叠在一起，显微硬度均显示方向独立性，室温环境下的显微硬度和抗拉强度优于压铸样品，细化和固溶强化是AZ91D的主要强化机制。Ng等[37]在高纯氩气环境下使用Nd:YAG激光熔化镁粉的研究中发现，激光能量密度对样品的硬度影响较大，并成反比关系，因此就如何降低氧化和热影响区对合金的影响，提高制件质量，需要进一步优化工艺参数。

3 未来挑战与趋势

在过去三十年中，金属增材制造已经改变了制造业。由于AM具有定制每种产品的独特能力，因此AM在概念模型和小批量生产中非常受欢迎，例如与患者匹配的医疗植入物或与太空旅行相关的部件就需要这种能力，但其可能不适合功能部件的大批量制造。但近年来，小批量大型金属零件的增材制造也有大量需求，且某些PBF系统是专门为满足此类需求而设计的。在关键挑战中，原材料可能是第一个要考虑的。在线缺陷检测是AM的另一个重要领域，可以最大程度地减少质量差的零件。金属AM零件的非破坏性测试方法对于制造关键零件变得越来越重要。尺寸公差和各向同性一直是增材制造加工零件面临的挑战，这些在未来几年仍会是活跃的研究主题。

在发展方向上，未来十年，不同结构多材料增材制造将是令人兴奋的话题。对AM操作的现场在线监测会更加复杂，以最大程度地减少操作员的干预。金属AM的加工参数会极大地影响零件的微观结构和机械性能，因此，了解加工参数对于金属增材制造的影响至关重要。尽管AM技术多年来已经成熟，但进一步改善工艺性能以提高零件质量和可靠性仍然面临挑战。可以预见的是，金属增材制造未来会在多个领域得到更多的应用。