增材制造中的合金成分高通量設計

來源：MGE Advances 材料基因工程前沿

增材制造正通過其創(chuàng)造復雜幾何形狀的潛能，革新航空航天、交通運輸和生物醫(yī)學等領(lǐng)域。然而，目前在增材制造中使用的金屬材料并不適用于高能束流加工，這表明其性能有待提高。增材制造材料的開發(fā)仍面臨挑戰(zhàn)，原因在于傳統(tǒng)的試錯方法效率低下。本綜述探討了增材制造中包括鋁合金、鈦合金、高溫合金和高熵合金在內(nèi)的材料的挑戰(zhàn)和當前狀態(tài)，并總結(jié)了合金開發(fā)中的高通量方法。此外，文章還嘗試闡述了高通量制備技術(shù)在改善主要增材制造合金的性能和優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)機制方面的優(yōu)勢。在結(jié)論部分，本文突出了高通量技術(shù)在推動增材制造材料開發(fā)中的核心作用，并展望了這些技術(shù)未來在引領(lǐng)更高效和創(chuàng)新性材料開發(fā)方法方面可能帶來的變革。

增材制造已從初步的快速原型制作工具演變?yōu)橐环N成熟的制造方法，能夠生產(chǎn)應用于航空航天、汽車及生物醫(yī)學領(lǐng)域的復雜組件。該技術(shù)利用激光、電弧或電子束等高能熱源，按層累積構(gòu)建三維實體，實現(xiàn)了卓越的設計自由度與微觀結(jié)構(gòu)控制精度。尤其是，激光粉末床熔化等前沿技術(shù)顯著提升了對金屬合金微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控的能力，使得這些合金呈現(xiàn)出明顯的層次結(jié)構(gòu)和有意設計的異質(zhì)性，有效地提升了材料的力學性能，如強度和延展性。

本文以鋁合金、高溫合金、鈦合金和高熵合金為例，深入探討了增材制造過程中固有的快速冷卻與高熱梯度對合金溶解度和微觀結(jié)構(gòu)演變的顯著影響。這些熱過程促使晶粒細化及非平衡相的形成，進而增強材料的力學性能，但同時也可能誘發(fā)增殘余應力及裂紋敏感性等問題。文章指出，精確控制成分和工藝參數(shù)對于優(yōu)化材料特性和降低高溫裂紋敏感性至關(guān)重要。

將高通量技術(shù)和材料基因組學引入到增材制造的實踐中，標志著材料開發(fā)方法的一次革命性創(chuàng)新。這些方法能夠快速篩選并詳細評估新合金，顯著降低了實驗的成本和時間。利用計算工具和大數(shù)據(jù)，這些高通量技術(shù)為定制增材制造工藝的材料開發(fā)提供了強有力的支持。

綜上所述，本文嘗試總結(jié)了增材制造技術(shù)的最新進展、在特定增材制造條件下材料設計面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，以及如何通過高通量技術(shù)和材料基因組學來應對這些挑戰(zhàn)。希望本文能為當前和未來增材制造用材料的設計與篩選工作提供一定的參考和啟示。

圖1 先進金屬材料與增材制造技術(shù)的關(guān)系，包括成分設計、打印過程、性能特性以及高通量制備方法

作者介紹

通訊作者
張百成，教授，博士生導師。主要致力于增材制造，3D打印，新材料開發(fā)。迄今，在國內(nèi)外重要科技期刊發(fā)表相關(guān)學術(shù)論文近50篇，引用4000余次，H因子29，3篇論文入選ESI高被引。授權(quán)國家專利10項，在國內(nèi)外重要學術(shù)會議作邀請報告10余次。擔任SCI期刊Materials Today Communications編委，Metal編委，International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials（IJMMM）青年編委，《粉末冶金技術(shù)》編委。粉末冶金產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟粉末注射成形專業(yè)委員會副秘書長；Elsevier，Springer，MDPI旗下30余種國際著名雜志仲裁審稿人。

第一作者
劉珉，北京科技大學新材料技術(shù)研究院博士生，研究方向為基于金屬增材制造的高通量成分開發(fā)。