【解析】金屬材料在增材制造技術中的研究進展

對金屬材料在增材制造技術研究中的發(fā)展史進行了概述，并分類描述了不同的成形機制。重點詳細介紹了增材制造技術領域內各類金屬材料的研究進展，種類涵蓋到鈦合金、鎳合金、鋼、鋁合金和硬質合金等材料。最后提出行業(yè)應該更注重“政用產(chǎn)學研”五位一體化，以市場為導向，逐漸形成一系列金屬材料的增材制造工藝方法及標準

增材制造技術， 顧名思義，是指運用離散－堆積的方法將材料一點一點地增加起來的加工技術，主要工藝流程如圖１所示。

早期的增材制造技術主要為原型制造， 用于快速響應產(chǎn)品的外觀設計，所用材料包括樹脂和塑料。隨著市場需求的不斷提高，增材制造技術不能僅僅滿足于外觀要求，還必須 逐漸向制造功能件方向轉變，由此關于金屬材料的研究便不曾間斷。 在２０世紀９０年代中期，美國聯(lián)合技術研究中心（ＵＴＣ）與桑地亞國家實驗室合作開發(fā)了激光工程化近成形制造技術，該技術使用了Ｎｄ∶ＹＡＧ固體激光器和同步粉末輸送系統(tǒng)，用于金屬零件的近形制造和局部修復。
與此同時，瑞典的Ａｒｃａｍ公司基于電子束熔煉快速制造技術發(fā)展出金屬材料“自由成形技術”，可直接由金屬粉末生成完全致密零件；國內西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室的黃衛(wèi)東教授突破了快速原型制造的界限，發(fā)展出激光立體成形技術，獲得了形狀較為復雜的金屬零部件。隨后，美國Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ國家實驗室開發(fā)了直接光學制造的金屬零件快速成型；美國Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ和Ｃａｒｎｅｇｉｅ Ｍｅｌｌｏｎ Ｕｎｉ－ｖｅｒｉｓｉｔｙ合作開發(fā)了形狀沉積制造技術；美國密西根大學研究開發(fā)了直接金屬沉積技術；德國弗朗和夫研究所開發(fā)了控制金屬堆積技術；英國Ｂｉｒｍｉｎｇ ｈａｍ大學的吳鑫華教授提出了受控激光制造技術等 。如今，在國內以金屬激光熔覆、金屬材料選區(qū)激光熔化或燒結）技術占據(jù)市場主導地位，ＳＬＳ技術路線如圖２所示。雖然眾多的研究院所和學者給金屬材料增材制造技術分門別類地冠以了不同的名稱，但其中的成形原理卻不外乎幾類。

增材制造技術的最大特點在于能夠可受控地自由添加材料，要做到這一點需要先將所添材料變成流體狀態(tài)。金屬材料的熔化或氣化都需要很高的能量，所以一般選擇高能束粒子流作為熱源，例如激光束或電子束等。根據(jù)受熱程度的不同，金屬材料可能發(fā)生全部熔化、部分熔化或者不熔化。對于純金屬而言，溫度高于熔點，材料即可發(fā)生完全熔化；對于多組元單一高熔點合金而言，材料熔凝過程存在一個固液共存區(qū)間，溫度需要略高于固相線溫度，使材料發(fā)生非均勻熔化，隨后通過液相浸潤晶界和熱量的擴散，剩余固相便發(fā)生重排熔解。

在ＳＬＭ、ＬＥＮＳ、ＬＳＦ和ＥＢＭ等成形工藝中常采用以上材料體系粉末。當材料是多組分的混合料時，由于各組分具有不同熔點，低熔點材料部分會優(yōu)先熔化，成為粘結劑，而高熔點材料部分作為結構材料，保留其固相核心。通常高熔點材料是金屬，低熔點材料是有機樹脂或者金屬，例如３Ｄｓｙｓｔｅｍ公司的ＲａｐｉｄＳｔｅｅｌ和ＣｏｐｐｅｒＰｏｌｙａｍｉｄｅ材料系列和ＥＯＳ公司的鋼、鎳與青銅混合粉體系等。這種被液相包裹、潤濕從而粘結固相顆粒，實現(xiàn)致密化的過程稱為液相燒結，常用工藝有金屬材料ＳＬＳ。

此外，關于金屬材料固相燒結或化學反應結合為機制的增材制造工藝研究也有所 報道，Ｋｒｕ ｔｈ給予了詳細描述和分類 。之所以會有不同的成形機制和工藝主要在于材料種類的多樣性。國內外研究人員仍在不斷地開發(fā)出新的材料體系以滿足于市場的需求，以下就逐一介紹增材制造技術中幾類重要的金屬材料。

１ 鈦合金
鈦合金具有比強度高、 耐蝕性好、高溫力學性能優(yōu)良等特點，被廣泛應用于各行各業(yè)。但高昂的加工成本和較長的交貨周期，限制了其應用范圍。特別地，對于有定制化要求的航空航天和生物醫(yī)用領域更是突顯了傳統(tǒng)加工方式的弊端。鈦合金是增材制造技術中率先被廣泛研究和應用的合 金材料。 Ｔｉ－６Ａｌ－ ４Ｖ（ＴＣ４）合金在航空工業(yè)中主要用于框架、梁、接頭、葉片等部件上。該合金具有良好的熱塑性和可焊性，非常適合于激光束或電子束快速成形工藝。美國ＡｅｒｏＭｅｔ公司是史上第一家運用激光快速成形技術實現(xiàn)鈦合金構件裝機應用的單位，但其ＴＣ４構件即使經(jīng)過熱等靜壓（ＨＩＰ）或開模鑄造加工， 性能也達不到鍛件標準，無法作為主承力構件。

在“十五”期間，北京航空航天大學王華明教授團隊突破激光熔化沉積關鍵技術，成功制造ＴＣ４鈦合金，其室溫及高溫拉伸、高溫蠕變、高溫持久、光滑疲勞、缺口疲勞等力學性能均顯著超過鍛件，該結構件已實現(xiàn)在飛機上的裝機應用。西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東教授對ＴＣ４激光立體成形件進行研究，無論是沉積態(tài)還是熱處理態(tài)的力學性能都優(yōu)于鍛造退火態(tài)標準和美國ＡｅｒｏＭｅｔ公司激光成形件。此外，北京航空制造工程研究所高能束流加工技術重點實驗室利用電子束熔融工藝快速制備了性能優(yōu)異的ＴＣ４鈦合金試樣。在國外，美國材料與試驗協(xié)會已出臺標準ＡＳＴＭ－Ｆ２９２４－ １４“ＳｔａｎｄａｒｄＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｔｉｔａｎｉｕｍ－６Ａｌｕｍｉ－ｎｕｍ－４Ｖａｎａｄｉｕｍ ｗｉｔｈ Ｐｏｗｄｅｒ Ｂｅｄ Ｆｕｓｉｏｎ”針對ＴＣ４鈦合金的鋪粉熔覆工藝，這也是增材制造行業(yè)為數(shù)不多的涉及到具體材料的標準�？梢哉f，運用增材制造方法制備ＴＣ４鈦合金的工藝技術相當成熟，已全面進入市場銷售和生產(chǎn)服務。隨后的研究會著重于ＴＣ４成分和工藝參數(shù)的進一步優(yōu) 化 。

Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｚｒ－１Ｍｏ－ １Ｖ（ＴＡ１５）合金屬于高Ａｌ當量的近α型鈦合金，具有良好的熱強性、可焊性和工藝塑性。和ＴＣ４一樣，作為飛機和發(fā)動機結構用重要鈦合金材料，也已實現(xiàn)在飛機上的裝機應用。激光快速成形ＴＡ１５鈦合金的各項性能（包括銑削、鏜削、鉆削和攻絲等切削工藝性能）與鍛件 無顯著差異。退火熱處理后的ＴＡ１５合金厚壁件的拉伸力學性能優(yōu)于鍛造退火態(tài)的標準。Ｔｉ－６Ａｌ－３．５Ｍｏ－１．８Ｚｒ－ ０．３Ｓｉ（ＴＣ１１）合金主要用于飛機葉片，屬于α＋β兩相合金，合金中加入少量Ｓｉ增強抗蠕變性能。

２０１０年，貴州黎陽航天動力有限公司與北航一同開展了“大型鈦合金整體葉盤激光快速成形技術研究”項目，完成了《ＴＣ１ １鈦合金整體葉盤激光快速成形制件及零件技術條件》和實體零件的制造，力學性能達到鍛件技術標準。Ｔｉ－４Ａｌ－１．５Ｍｎ（ＴＣ２）合金屬于中強鈦合金，具有良好的可焊性，主要用作連接管路。該合金變形能力較差，壓力加工成形較困難。增材制造技術無疑給該合金的制造增添了一縷曙光。激光熔化沉積退火態(tài)ＴＣ２鈦合金的室溫拉伸性能優(yōu)異，但其塑性存在明顯各向異性。后處理過程中，退火溫度升高增加試樣件強度，但不損失其韌性；當退火溫度為９５５℃時， 經(jīng)空冷獲得的試樣件缺口沖擊韌度值最高，達到８８８ｋＪ／ｍ２。

Ｔｉ－６Ａｌ－２．５Ｍｏ－２Ｃｒ－０．５Ｆｅ－０．３Ｓｉ（ＴＣ６）是一種密度低、強度高、耐腐蝕的兩相鈦合金。其材料成本昂貴，且難以進行鍛造加工成形。經(jīng)普通退火處理的ＴＣ６鈦合金半成品能夠滿足飛機結構件３００℃以下的使用溫度要求。利用激光立體成形工藝制備ＴＣ６鈦合金，沉積態(tài)和退火態(tài)構件均能達到鍛件標準。 Ｔｉ－５．５Ａｌ－４Ｓｎ－２Ｚｒ－１Ｍｏ－０．３Ｓｉ－１Ｎｄ（Ｔｉ６０）和Ｔｉ－６Ａｌ－ ２．８Ｓｎ－４Ｚｒ－０．５Ｍｏ－０．４Ｓｉ－ ０．１Ｙ（Ｔｉ６００）合金是６００℃高溫鈦合金主要研究對象，分別由中國科學院金屬所和西北有色金屬研究院研制。

前者工作溫度可達６００℃，用于航空發(fā)動機高壓段的壓氣機盤、鼓筒和葉片等零件，隨后在此基礎上又研制出Ｔｉ－５．８Ａｌ－４．０Ｓｎ－３．５Ｚｒ－０．４Ｍｏ－０．４Ｓｉ－０．４Ｎｂ－０．４Ｔａ（Ｔｉ６０Ａ）鈦合金；后者可在６００～６５０℃長期使用，蠕變性能非常優(yōu)異，適用于高溫下持久承力部件。Ｔｉ６０合金激光立體成形紅光組織呈現(xiàn)等軸晶結構，為魏氏組織，需要雙重退火處理才能得到較好的力學性能；而激光熔化沉積Ｔｉ６ ０和Ｔｉ６０Ａ則表現(xiàn)出柱狀晶結構，但仍需經(jīng)雙重退火處理。此外，西北有色金屬研究院采用電子束成形Ｔｉ６ ００合金，不同的ＥＢＭ工藝會導致成形件斷裂機制的不同 。

轉向生物醫(yī)用領域，一些常用材料已經(jīng)被認證，如Ａｒ－ ｃａｍ公司的ＣＰ２和Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ。此外，Ｍ．Ｓｐ ｉｅｒｓ等用ＳＬＭ工藝成形Ｔｉ－１３Ｎｂ－ １３Ｚｒ合金支架，研究了多孔幾何形狀對其力學性能的影響；Ｊ．Ｈ ｅｒｎａｎｄｅｚ等用ＥＢＭ法制備出β相Ｔｉ－２４Ｎｂ－４Ｚｒ－７．９Ｓｎ合金，分析了其微觀結構和硬度；另有研究針對Ｔｉ－６Ａｌ－７Ｎｂ鈦合金的激光成形，探討了各因素對構件性能和應用的影響。在保證性能的前提下，如何使材料和人體有著生物相容性是各研究者接下來需要面臨的挑戰(zhàn)。

２ 鎳合金
鎳通過添加適宜的元素可提高抗氧化性、抗蝕性和耐高溫性，所以鎳合金廣泛用于工業(yè)和軍事領域的高溫耐蝕零部件。近年來，隨著發(fā)動機技術的不斷發(fā)展，對高溫合金的承溫能力、強韌性、疲勞性能等多方面提出了更高的要求，這種情況下鎳基合金的快速成形研究變得活躍。如何控制冶金缺陷和熔凝組織，使構件達到優(yōu)異性能是研究中的一項關鍵技術。

Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８（對應中國牌號ＧＨ４１６９）合金中含有鈮和鉬等元素，在７００℃具有高強度、良好的韌性和耐腐蝕性，常用于汽輪機和液體燃料火箭中的零部件。此類合金還具有良好的可焊性，無焊后開裂傾向，所以特別適合用激光成形技術制造。國內外眾多科研團隊著力于Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８的成形研究，它是所有鎳基合金中研究最為廣泛的，在增材制造行業(yè)市場中，已被當作典型材料用于加工服務。Ｉｎｃｏｎｅｌ ６２５和Ｉｎｃｏｎｅｌ ７３８是該系列中另外兩種被重點研究和應用的材料。

例如，Ｌ．Ｓｅｘｔｏｎ采用Ｉｎｃｏｎｅｌ ６２５合金進行激光熔覆修復葉片，獲得較好的微觀組織、較高的硬度和較低的孔隙率；孫鴻卿等在定向凝固鎳基高溫合金上激光熔覆Ｉｎｃｏｎｅｌ  ７３８，從裂紋敏感性的角度著手進行研究 。此外，Ｉｎｃｏｎｅｌ ６００、Ｉｎ－ ｃｏｎｅｌ ６９０和Ｉｎｃｏｎｅｌ  ７１３等材料也被用于激光熔覆技術成形研究中。 Ｒｅｎ ｅ系列是通用電氣公司自主研發(fā)用于旗下產(chǎn)品高溫部件的鎳基合金材料。

２１世紀初，Ｒｅｎｅ ９５合金激光快速成形件的力學性能強度指標就已經(jīng)接近粉末冶金Ｃ級標準，塑 性指標超過粉末冶金Ａ級標準。之后，日本大阪大學的Ｙｏ－ｓｈｉｈｉｒｏ Ｆｕｊ ｉｔａ等在單晶基材ＣＭＳＸ－４上熔覆Ｒｅｎｅ １４２高溫合金 ；Ｔ ｅｘａｓ大學的Ｌ．Ｅ．Ｍｕｒｒ等詳細研究了電子束熔化沉積Ｒｅｎｅ  １４２合金的微觀結構 。另外，據(jù)報道通用電氣公司很早就介入了金屬材料增材制造技術，早期主要由其航空部進行研發(fā)和運用，現(xiàn)正逐漸轉到其他部門，針對自身研發(fā)出的Ｒｅｎ ｅ合金肯定也做了不少相關研究工作。

在國產(chǎn)高溫合金牌號中，ＦＧＨ ９５是２０世紀８０年代初第一種定型研制的高溫合金粉末，成分類似Ｒｅｎｅ ９５，其激光立體成形件的室溫力學性能已十分接近粉末冶金的技術標準。另外，鑄態(tài)Ｋ４１８和定向凝固ＤＺ４０８合金成分材料被報道用于激光成形和修復研究，選擇合適工藝參數(shù)后，均能獲得較好力學性能。

３ 鋼
鋼是合金材料中最大的一個分支。鋼的成分、形態(tài)和制備工藝的多樣性造就了其在傳統(tǒng)制造業(yè)中非凡的地位。在增材制造技術發(fā)展史上，鋼也是被廣泛用于成形研究的重要材料，可細分為３大類：不銹鋼、高強鋼和模具鋼。 ３０４和３ １６奧氏體不銹鋼粉末（及其低碳鋼種）是最先研發(fā)用于激光成形研究的不銹鋼材料，如今已成為增材制造市場上典型的加工材料。

之后，３２１奧氏體不銹鋼也將被推向市場。在馬氏體不銹鋼方面，有研究報道激光熔覆４２０不銹鋼件的耐蝕性比常規(guī)鍛造４２０不銹鋼件提高３０％，而現(xiàn)在市場上以２Ｃｒ１３和１７－４ＰＨ兩種材料為主，德國的ＥＯＳ公司還特別研制了ＭＳ１、ＧＰ１和ＰＨ１三種牌號合金用以增材制造技術專用Ａｅｒｍｅｔ  １００鋼屬于二次硬化型超高強度鋼，該類合金廣泛用于航空航天領域，但其熔煉與成形工藝復雜，現(xiàn)已發(fā)展出激光快速成形技術；３００ Ｍ、３０ＣｒＭｎＳｉＡ和 ４０ＣｒＭｎＳｉＭｏＶＡ等高強鋼的研究也在逐步開展。 模具一般為單件、小批量生產(chǎn)，其外形相對復雜，內部需隨形冷卻通道，特別適合用增材制造技術加工。

Ｈ１３熱作模具鋼具有高硬度和較好的抗軟化性能，激光熔覆成形件的力學性能優(yōu)于同等硬度的鍛造Ｈ１３鋼；英國利茲聯(lián)大學Ｍ．Ｂａｄｒｏｓｓａｍａｙ等用Ｓ ＬＭ工藝順利成形Ｍ２模具鋼和３１６Ｌ不銹鋼，對比分析了粉末熔化過程中的影響因素。此外，Ｐ２０、１８Ｎｉ３００和Ｉｎｖａｒ  ３６等材料也已用于增材制造行業(yè)內。

４ 其他
鋁合金的熔點較低，快速熔凝過程中溫度梯度相對較小，成形件不易變形開裂，普遍適用于ＬＣ、ＳＬＳ和ＳＬＭ等工藝。黃衛(wèi)東教授團隊使用ＡｌＳ ｉ１２合金粉末激光成形修復ＺＬ１０４合金和７０５０鋁合金，修復部位的力學性能甚至超過基體合金；Ｌｏｒｅ Ｔｈｉｊｓ等采用ＳＬＭ工藝進行ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金 粉末成形研究，獲得較好組織結構的鋁合金部件；另有 ＡｌＳｉ７Ｍｇ、ＡｌＳｉ９Ｃｕ３、ＡｌＭｇ ４．５Ｍｎ４和６０６１等鋁合金材料也已被研究和應用。

硬質合金是以難熔金屬碳化物為基，鈷或鎳等作粘結金屬，用粉末冶金方法制得的合金材料。硬質合金一般很難用傳統(tǒng)加工手段獲得。現(xiàn)今，用激光熔覆技術已成形多種硬質合金，如ＷＣ／Ｃｏ、ＴｉＣ／Ｃｏ、（ＷＣ－ＳｉＣ）／Ｃｏ、（ＷＣ－ＴｉＮ－ＳｉＣ）／Ｃｏ等。 鈷鉻合金是鈷基合金中的一種，具有優(yōu)良的耐腐蝕和力學性能。根據(jù)添加合金元素的不同又分為ＣｏＣ ｒＷ和ＣｏＣｒＭｏ合金兩大類，廣泛用于工業(yè)領域和醫(yī)學領域。市場上個性化定制的烤瓷牙都是用該合金材料激光成形制得，已逐步占據(jù)市場主導地位。 除上述合金材料外，增材制造技術還涉及了Ｃｕ－Ｓｎ、Ｗ－Ｎｉ、Ｎｉ－Ａｌ和Ｎｂ－Ｔｉ－ Ｓｉ等金屬間化合物材料和一些梯度材料的成形研究。


金屬材料支撐著整個制造業(yè)，開發(fā)金屬材料的增材制造技術是當今世界的一大重要課題。雖然已有很多研究人員在此方面做了工作，但無論從數(shù)量上還是質量上都還遠遠不夠，產(chǎn)業(yè)化的則更是少之又少。 從科研角度來說，單單研究試樣材料的性能就要涉及粉末冶金、成形過程和熱處理３個工序。金屬材料本身的價值不菲，研究的成本著實很高，周期又十分長，要想完成體系的研究工作僅靠科研院所內的課題組在幾年內完成是不可能的。

再加上外觀形狀設計的問題，金屬材料的增材制造技術研究工作可謂是一項浩大的“工程” 。在推廣至產(chǎn)業(yè)化的道路上，已有例如ＴＣ４等材料成為先驅者，但應用限制還是很明顯�，F(xiàn)如今，使用金屬材料增材制造技術最多的兩個行業(yè)是航空航天領域和醫(yī)療領域。前者是國家牽頭的軍工單位為主，資本雄厚，無后顧之憂；后者則是有名的暴利行業(yè)。說到底，這項技術發(fā)展至今還是不夠接地氣。在僅有的幾種材料中，粉末研發(fā)和工藝控制這兩大關鍵技術也沒有發(fā)展到最成熟。

今后的發(fā)展應該更注重“政用產(chǎn)學研”五位一體化，以市場為導向，先形成一系列金屬材料的增材制造工藝方法及標準。在此基礎上，逐步解決關鍵問題，降低成本，使金屬材料增材制造技術如同車床技術一般運用到各行各業(yè)中，成為一項“親民”的技術。

編輯：南極熊
作者：胡 捷，廖文俊，丁柳柳，胡 陽 （上海電氣集團股份有限公司中央研究院）