【解析】金属材料在增材制造技术中的研究进展

对金属材料在增材制造技术研究中的发展史进行了概述，并分类描述了不同的成形机制。重点详细介绍了增材制造技术领域内各类金属材料的研究进展，种类涵盖到钛合金、镍合金、钢、铝合金和硬质合金等材料。最后提出行业应该更注重“政用产学研”五位一体化，以市场为导向，逐渐形成一系列金属材料的增材制造工艺方法及标准

增材制造技术， 顾名思义，是指运用离散－堆积的方法将材料一点一点地增加起来的加工技术，主要工艺流程如图１所示。

早期的增材制造技术主要为原型制造， 用于快速响应产品的外观设计，所用材料包括树脂和塑料。随着市场需求的不断提高，增材制造技术不能仅仅满足于外观要求，还必须 逐渐向制造功能件方向转变，由此关于金属材料的研究便不曾间断。 在２０世纪９０年代中期，美国联合技术研究中心（ＵＴＣ）与桑地亚国家实验室合作开发了激光工程化近成形制造技术，该技术使用了Ｎｄ∶ＹＡＧ固体激光器和同步粉末输送系统，用于金属零件的近形制造和局部修复。
与此同时，瑞典的Ａｒｃａｍ公司基于电子束熔炼快速制造技术发展出金属材料“自由成形技术”，可直接由金属粉末生成完全致密零件；国内西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东教授突破了快速原型制造的界限，发展出激光立体成形技术，获得了形状较为复杂的金属零部件。随后，美国Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ国家实验室开发了直接光学制造的金属零件快速成型；美国Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ和Ｃａｒｎｅｇｉｅ Ｍｅｌｌｏｎ Ｕｎｉ－ｖｅｒｉｓｉｔｙ合作开发了形状沉积制造技术；美国密西根大学研究开发了直接金属沉积技术；德国弗朗和夫研究所开发了控制金属堆积技术；英国Ｂｉｒｍｉｎｇ ｈａｍ大学的吴鑫华教授提出了受控激光制造技术等 。如今，在国内以金属激光熔覆、金属材料选区激光熔化或烧结）技术占据市场主导地位，ＳＬＳ技术路线如图２所示。虽然众多的研究院所和学者给金属材料增材制造技术分门别类地冠以了不同的名称，但其中的成形原理却不外乎几类。

增材制造技术的最大特点在于能够可受控地自由添加材料，要做到这一点需要先将所添材料变成流体状态。金属材料的熔化或气化都需要很高的能量，所以一般选择高能束粒子流作为热源，例如激光束或电子束等。根据受热程度的不同，金属材料可能发生全部熔化、部分熔化或者不熔化。对于纯金属而言，温度高于熔点，材料即可发生完全熔化；对于多组元单一高熔点合金而言，材料熔凝过程存在一个固液共存区间，温度需要略高于固相线温度，使材料发生非均匀熔化，随后通过液相浸润晶界和热量的扩散，剩余固相便发生重排熔解。

在ＳＬＭ、ＬＥＮＳ、ＬＳＦ和ＥＢＭ等成形工艺中常采用以上材料体系粉末。当材料是多组分的混合料时，由于各组分具有不同熔点，低熔点材料部分会优先熔化，成为粘结剂，而高熔点材料部分作为结构材料，保留其固相核心。通常高熔点材料是金属，低熔点材料是有机树脂或者金属，例如３Ｄｓｙｓｔｅｍ公司的ＲａｐｉｄＳｔｅｅｌ和ＣｏｐｐｅｒＰｏｌｙａｍｉｄｅ材料系列和ＥＯＳ公司的钢、镍与青铜混合粉体系等。这种被液相包裹、润湿从而粘结固相颗粒，实现致密化的过程称为液相烧结，常用工艺有金属材料ＳＬＳ。

此外，关于金属材料固相烧结或化学反应结合为机制的增材制造工艺研究也有所 报道，Ｋｒｕ ｔｈ给予了详细描述和分类 。之所以会有不同的成形机制和工艺主要在于材料种类的多样性。国内外研究人员仍在不断地开发出新的材料体系以满足于市场的需求，以下就逐一介绍增材制造技术中几类重要的金属材料。

１ 钛合金
钛合金具有比强度高、 耐蚀性好、高温力学性能优良等特点，被广泛应用于各行各业。但高昂的加工成本和较长的交货周期，限制了其应用范围。特别地，对于有定制化要求的航空航天和生物医用领域更是突显了传统加工方式的弊端。钛合金是增材制造技术中率先被广泛研究和应用的合 金材料。 Ｔｉ－６Ａｌ－ ４Ｖ（ＴＣ４）合金在航空工业中主要用于框架、梁、接头、叶片等部件上。该合金具有良好的热塑性和可焊性，非常适合于激光束或电子束快速成形工艺。美国ＡｅｒｏＭｅｔ公司是史上第一家运用激光快速成形技术实现钛合金构件装机应用的单位，但其ＴＣ４构件即使经过热等静压（ＨＩＰ）或开模铸造加工， 性能也达不到锻件标准，无法作为主承力构件。

在“十五”期间，北京航空航天大学王华明教授团队突破激光熔化沉积关键技术，成功制造ＴＣ４钛合金，其室温及高温拉伸、高温蠕变、高温持久、光滑疲劳、缺口疲劳等力学性能均显著超过锻件，该结构件已实现在飞机上的装机应用。西北工业大学黄卫东教授对ＴＣ４激光立体成形件进行研究，无论是沉积态还是热处理态的力学性能都优于锻造退火态标准和美国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术重点实验室利用电子束熔融工艺快速制备了性能优异的ＴＣ４钛合金试样。在国外，美国材料与试验协会已出台标准ＡＳＴＭ－Ｆ２９２４－ １４“ＳｔａｎｄａｒｄＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｔｉｔａｎｉｕｍ－６Ａｌｕｍｉ－ｎｕｍ－４Ｖａｎａｄｉｕｍ ｗｉｔｈ Ｐｏｗｄｅｒ Ｂｅｄ Ｆｕｓｉｏｎ”针对ＴＣ４钛合金的铺粉熔覆工艺，这也是增材制造行业为数不多的涉及到具体材料的标准。可以说，运用增材制造方法制备ＴＣ４钛合金的工艺技术相当成熟，已全面进入市场销售和生产服务。随后的研究会着重于ＴＣ４成分和工艺参数的进一步优 化 。

Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｚｒ－１Ｍｏ－ １Ｖ（ＴＡ１５）合金属于高Ａｌ当量的近α型钛合金，具有良好的热强性、可焊性和工艺塑性。和ＴＣ４一样，作为飞机和发动机结构用重要钛合金材料，也已实现在飞机上的装机应用。激光快速成形ＴＡ１５钛合金的各项性能（包括铣削、镗削、钻削和攻丝等切削工艺性能）与锻件 无显著差异。退火热处理后的ＴＡ１５合金厚壁件的拉伸力学性能优于锻造退火态的标准。Ｔｉ－６Ａｌ－３．５Ｍｏ－１．８Ｚｒ－ ０．３Ｓｉ（ＴＣ１１）合金主要用于飞机叶片，属于α＋β两相合金，合金中加入少量Ｓｉ增强抗蠕变性能。

２０１０年，贵州黎阳航天动力有限公司与北航一同开展了“大型钛合金整体叶盘激光快速成形技术研究”项目，完成了《ＴＣ１ １钛合金整体叶盘激光快速成形制件及零件技术条件》和实体零件的制造，力学性能达到锻件技术标准。Ｔｉ－４Ａｌ－１．５Ｍｎ（ＴＣ２）合金属于中强钛合金，具有良好的可焊性，主要用作连接管路。该合金变形能力较差，压力加工成形较困难。增材制造技术无疑给该合金的制造增添了一缕曙光。激光熔化沉积退火态ＴＣ２钛合金的室温拉伸性能优异，但其塑性存在明显各向异性。后处理过程中，退火温度升高增加试样件强度，但不损失其韧性；当退火温度为９５５℃时， 经空冷获得的试样件缺口冲击韧度值最高，达到８８８ｋＪ／ｍ２。

Ｔｉ－６Ａｌ－２．５Ｍｏ－２Ｃｒ－０．５Ｆｅ－０．３Ｓｉ（ＴＣ６）是一种密度低、强度高、耐腐蚀的两相钛合金。其材料成本昂贵，且难以进行锻造加工成形。经普通退火处理的ＴＣ６钛合金半成品能够满足飞机结构件３００℃以下的使用温度要求。利用激光立体成形工艺制备ＴＣ６钛合金，沉积态和退火态构件均能达到锻件标准。 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℃高温钛合金主要研究对象，分别由中国科学院金属所和西北有色金属研究院研制。

前者工作温度可达６００℃，用于航空发动机高压段的压气机盘、鼓筒和叶片等零件，随后在此基础上又研制出Ｔｉ－５．８Ａｌ－４．０Ｓｎ－３．５Ｚｒ－０．４Ｍｏ－０．４Ｓｉ－０．４Ｎｂ－０．４Ｔａ（Ｔｉ６０Ａ）钛合金；后者可在６００～６５０℃长期使用，蠕变性能非常优异，适用于高温下持久承力部件。Ｔｉ６０合金激光立体成形红光组织呈现等轴晶结构，为魏氏组织，需要双重退火处理才能得到较好的力学性能；而激光熔化沉积Ｔｉ６ ０和Ｔｉ６０Ａ则表现出柱状晶结构，但仍需经双重退火处理。此外，西北有色金属研究院采用电子束成形Ｔｉ６ ００合金，不同的ＥＢＭ工艺会导致成形件断裂机制的不同 。

转向生物医用领域，一些常用材料已经被认证，如Ａｒ－ ｃａｍ公司的ＣＰ２和Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ。此外，Ｍ．Ｓｐ ｉｅｒｓ等用ＳＬＭ工艺成形Ｔｉ－１３Ｎｂ－ １３Ｚｒ合金支架，研究了多孔几何形状对其力学性能的影响；Ｊ．Ｈ ｅｒｎａｎｄｅｚ等用ＥＢＭ法制备出β相Ｔｉ－２４Ｎｂ－４Ｚｒ－７．９Ｓｎ合金，分析了其微观结构和硬度；另有研究针对Ｔｉ－６Ａｌ－７Ｎｂ钛合金的激光成形，探讨了各因素对构件性能和应用的影响。在保证性能的前提下，如何使材料和人体有着生物相容性是各研究者接下来需要面临的挑战。

２ 镍合金
镍通过添加适宜的元素可提高抗氧化性、抗蚀性和耐高温性，所以镍合金广泛用于工业和军事领域的高温耐蚀零部件。近年来，随着发动机技术的不断发展，对高温合金的承温能力、强韧性、疲劳性能等多方面提出了更高的要求，这种情况下镍基合金的快速成形研究变得活跃。如何控制冶金缺陷和熔凝组织，使构件达到优异性能是研究中的一项关键技术。

Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８（对应中国牌号ＧＨ４１６９）合金中含有铌和钼等元素，在７００℃具有高强度、良好的韧性和耐腐蚀性，常用于汽轮机和液体燃料火箭中的零部件。此类合金还具有良好的可焊性，无焊后开裂倾向，所以特别适合用激光成形技术制造。国内外众多科研团队着力于Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８的成形研究，它是所有镍基合金中研究最为广泛的，在增材制造行业市场中，已被当作典型材料用于加工服务。Ｉｎｃｏｎｅｌ ６２５和Ｉｎｃｏｎｅｌ ７３８是该系列中另外两种被重点研究和应用的材料。

例如，Ｌ．Ｓｅｘｔｏｎ采用Ｉｎｃｏｎｅｌ ６２５合金进行激光熔覆修复叶片，获得较好的微观组织、较高的硬度和较低的孔隙率；孙鸿卿等在定向凝固镍基高温合金上激光熔覆Ｉｎｃｏｎｅｌ  ７３８，从裂纹敏感性的角度着手进行研究 。此外，Ｉｎｃｏｎｅｌ ６００、Ｉｎ－ ｃｏｎｅｌ ６９０和Ｉｎｃｏｎｅｌ  ７１３等材料也被用于激光熔覆技术成形研究中。 Ｒｅｎ ｅ系列是通用电气公司自主研发用于旗下产品高温部件的镍基合金材料。

２１世纪初，Ｒｅｎｅ ９５合金激光快速成形件的力学性能强度指标就已经接近粉末冶金Ｃ级标准，塑 性指标超过粉末冶金Ａ级标准。之后，日本大阪大学的Ｙｏ－ｓｈｉｈｉｒｏ Ｆｕｊ ｉｔａ等在单晶基材ＣＭＳＸ－４上熔覆Ｒｅｎｅ １４２高温合金 ；Ｔ ｅｘａｓ大学的Ｌ．Ｅ．Ｍｕｒｒ等详细研究了电子束熔化沉积Ｒｅｎｅ  １４２合金的微观结构 。另外，据报道通用电气公司很早就介入了金属材料增材制造技术，早期主要由其航空部进行研发和运用，现正逐渐转到其他部门，针对自身研发出的Ｒｅｎ ｅ合金肯定也做了不少相关研究工作。

在国产高温合金牌号中，ＦＧＨ ９５是２０世纪８０年代初第一种定型研制的高温合金粉末，成分类似Ｒｅｎｅ ９５，其激光立体成形件的室温力学性能已十分接近粉末冶金的技术标准。另外，铸态Ｋ４１８和定向凝固ＤＺ４０８合金成分材料被报道用于激光成形和修复研究，选择合适工艺参数后，均能获得较好力学性能。

３ 钢
钢是合金材料中最大的一个分支。钢的成分、形态和制备工艺的多样性造就了其在传统制造业中非凡的地位。在增材制造技术发展史上，钢也是被广泛用于成形研究的重要材料，可细分为３大类：不锈钢、高强钢和模具钢。 ３０４和３ １６奥氏体不锈钢粉末（及其低碳钢种）是最先研发用于激光成形研究的不锈钢材料，如今已成为增材制造市场上典型的加工材料。

之后，３２１奥氏体不锈钢也将被推向市场。在马氏体不锈钢方面，有研究报道激光熔覆４２０不锈钢件的耐蚀性比常规锻造４２０不锈钢件提高３０％，而现在市场上以２Ｃｒ１３和１７－４ＰＨ两种材料为主，德国的ＥＯＳ公司还特别研制了ＭＳ１、ＧＰ１和ＰＨ１三种牌号合金用以增材制造技术专用Ａｅｒｍｅｔ  １００钢属于二次硬化型超高强度钢，该类合金广泛用于航空航天领域，但其熔炼与成形工艺复杂，现已发展出激光快速成形技术；３００ Ｍ、３０ＣｒＭｎＳｉＡ和 ４０ＣｒＭｎＳｉＭｏＶＡ等高强钢的研究也在逐步开展。 模具一般为单件、小批量生产，其外形相对复杂，内部需随形冷却通道，特别适合用增材制造技术加工。

Ｈ１３热作模具钢具有高硬度和较好的抗软化性能，激光熔覆成形件的力学性能优于同等硬度的锻造Ｈ１３钢；英国利兹联大学Ｍ．Ｂａｄｒｏｓｓａｍａｙ等用Ｓ ＬＭ工艺顺利成形Ｍ２模具钢和３１６Ｌ不锈钢，对比分析了粉末熔化过程中的影响因素。此外，Ｐ２０、１８Ｎｉ３００和Ｉｎｖａｒ  ３６等材料也已用于增材制造行业内。

４ 其他
铝合金的熔点较低，快速熔凝过程中温度梯度相对较小，成形件不易变形开裂，普遍适用于ＬＣ、ＳＬＳ和ＳＬＭ等工艺。黄卫东教授团队使用ＡｌＳ ｉ１２合金粉末激光成形修复ＺＬ１０４合金和７０５０铝合金，修复部位的力学性能甚至超过基体合金；Ｌｏｒｅ Ｔｈｉｊｓ等采用ＳＬＭ工艺进行ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金 粉末成形研究，获得较好组织结构的铝合金部件；另有 ＡｌＳｉ７Ｍｇ、ＡｌＳｉ９Ｃｕ３、ＡｌＭｇ ４．５Ｍｎ４和６０６１等铝合金材料也已被研究和应用。

硬质合金是以难熔金属碳化物为基，钴或镍等作粘结金属，用粉末冶金方法制得的合金材料。硬质合金一般很难用传统加工手段获得。现今，用激光熔覆技术已成形多种硬质合金，如ＷＣ／Ｃｏ、ＴｉＣ／Ｃｏ、（ＷＣ－ＳｉＣ）／Ｃｏ、（ＷＣ－ＴｉＮ－ＳｉＣ）／Ｃｏ等。 钴铬合金是钴基合金中的一种，具有优良的耐腐蚀和力学性能。根据添加合金元素的不同又分为ＣｏＣ ｒＷ和ＣｏＣｒＭｏ合金两大类，广泛用于工业领域和医学领域。市场上个性化定制的烤瓷牙都是用该合金材料激光成形制得，已逐步占据市场主导地位。 除上述合金材料外，增材制造技术还涉及了Ｃｕ－Ｓｎ、Ｗ－Ｎｉ、Ｎｉ－Ａｌ和Ｎｂ－Ｔｉ－ Ｓｉ等金属间化合物材料和一些梯度材料的成形研究。


金属材料支撑着整个制造业，开发金属材料的增材制造技术是当今世界的一大重要课题。虽然已有很多研究人员在此方面做了工作，但无论从数量上还是质量上都还远远不够，产业化的则更是少之又少。 从科研角度来说，单单研究试样材料的性能就要涉及粉末冶金、成形过程和热处理３个工序。金属材料本身的价值不菲，研究的成本着实很高，周期又十分长，要想完成体系的研究工作仅靠科研院所内的课题组在几年内完成是不可能的。

再加上外观形状设计的问题，金属材料的增材制造技术研究工作可谓是一项浩大的“工程” 。在推广至产业化的道路上，已有例如ＴＣ４等材料成为先驱者，但应用限制还是很明显。现如今，使用金属材料增材制造技术最多的两个行业是航空航天领域和医疗领域。前者是国家牵头的军工单位为主，资本雄厚，无后顾之忧；后者则是有名的暴利行业。说到底，这项技术发展至今还是不够接地气。在仅有的几种材料中，粉末研发和工艺控制这两大关键技术也没有发展到最成熟。

今后的发展应该更注重“政用产学研”五位一体化，以市场为导向，先形成一系列金属材料的增材制造工艺方法及标准。在此基础上，逐步解决关键问题，降低成本，使金属材料增材制造技术如同车床技术一般运用到各行各业中，成为一项“亲民”的技术。

编辑：南极熊
作者：胡 捷，廖文俊，丁柳柳，胡 阳 （上海电气集团股份有限公司中央研究院）