深度：复合式增材制造技术研究现状及发展

来源：中国机械工程
作者：熊晓晨1，2，3 秦训鹏1，2，3 华 林1，2，3 胡泽启1，2，3 纪飞龙1，2，3（1.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，2.武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心， 3.武汉理工大学汽车工程学院）


摘要：形性问题制约金属增材制造技术的发展与应用，复合式增材制造在解决制件形性问题方面效果显著。高度概括了复合式增材制造技术分类方式与主体类别；简要总结了增减材复合制造在制件成形精度和表面质量控制方面的研究进展和技术发展状况；重点评述了增等材复合制造技术类别、成形原理、制造特征和关键问题，以及在制件显微组织、应力状态、宏观性能调控方面的研究现状和主体结论；系统介绍了超声、电磁、激光三类特种辅助能场对增材熔池流动、结晶、固态相变的作用机制，以及特种能场作用下，增材层显微组织状态、力学性能、成形精度的演化规律；展望了复合式增材制造技术未来的发展趋势。

金属增材制造(additive manufacturing，AM)通过对三维数字化模型进行分层切片、逐层叠加，能够实现复杂形状、曲面型腔、梯度功能零部件的近净成形，结合拓扑优化技术，具有无模制造高柔性、短流程、高效率、低成本的特点，目前在航空航天、国防军工、汽车制造等领域得到广泛应用。
金属增材制造过程为多物理场耦合的短时强非平衡冶金过程，增材层显微组织以尺寸粗大的柱状晶为主，成形制件内易形成气孔、夹渣、隔层、裂纹等冶金缺陷，严重影响其服役性能[1-5]。同时，增材制造过程中，基体强约束下微熔池快速凝固、非平衡固态相变、沉积层周期性急冷急热、外部强烈机械约束，使制件内存在复杂的凝缩应力、组织应力、热应力和机械应力，易造成变形与开裂，成形精度难以有效控制[3-6]。如何实现金属构件的高性能、高精度增材成形制造是长期以来业界重点研究和解决的问题。

将基于不同原理的制造方法与增材制造技术进行复合，形成兼具两者优势的“AM+”复合式增材制造技术，可以有效提高制件的成形精度和性能。复合式增材制造通过引入力、超声、电磁、激光等辅助能场，作用于增材制造过程和后处理阶段，实现对增材制件从显观组织、介/宏观缺陷到宏观形性的多尺度调控，获得性能优异、成形精度高的增材制件，是金属增材制造当前正快速发展的重要方向，也是当前最受学术界关注的先进制造技术之一，中国科学技术协会将“特种能场辅助制造的科学原理”列为2020年十大前沿科学问题之一。

1 复合式增材制造分类
按外加辅助制造方法加工原理分类，复合式增材制造技术可分为三大类：一是与切削加工材料“去除”原理相结合的增减材复合制造技术；二是与轧制、锻造、喷丸“等量”制造原理相结合的增等材复合制造技术；三是与超声、电磁、激光等特种能场相结合的特种能场辅助增材制造技术。三大类技术中，外加辅助制造与增材制造存在工序分离式、交叉协同式和同步跟随式三种复合形式。

2 增减材复合制造技术
2.1 研究现状
金属增材制造在零件成形精度和表面质量控制方面存在较大的局限性，难以实现零件的直接高精成形。而基于材料“去除”原理的切削加工在零件成形精度和表面质量控制方面表现优异，且稳定性好。因此，将增材制造与切削加工进行复合，形成增减材复合制造技术，既可以发挥增材制造易构形、易自动化控制、成形效率高、材料利用率高的优势，又可以利用切削加工成形精度高、表面质量好的特点，可实现金属零件高效、高精、高性能成形制造。
1994年，MERZ等[7]将熔融沉积成形与数控加工技术进行集成，首次实现了增材、减材制造技术复合，成功制造了用于智能制造系统的308不锈钢构件，制件成形精度和表面质量大幅度提高。随后国内外诸多研究机构将不同原理的增材制造技术与铣削加工技术进行复合，开展了从工艺设计、软件开发到设备研发等多方面的研究工作，成功开发了商品化的增减材复合式制造系统[8-14]。国外以德国德马吉开发的 LASERTEC65-3D复合加工中心(图1a)为代表，国内以北京机电院机床有限公司开发的XKR40-Hybrid增减材复合机床为代表(图1b)，采用增减材复合式制造系统成功试制了各类金属零部件(图2)，零件成形精度和表面质量均得到大幅提高。

(a)德马吉LASERTEC65-3D复合加工中心

(b)北京机电院XKR40-Hybrid增减材复合机床

图1 增减材复合加工机床

图2 德马吉LASERTEC65-3D加工的各类金属零件

增材、减材制造复合的形式有交叉协同式和工序分离式两种。对于交叉协同式，增材、减材交替进行，能有效减小成形过程中累积的误差，有利于提高零件的成形精度[11]，但热态下加工，刀具存在软化倾向，导致磨损加剧，寿命缩短。同时，对于成形精度要求较高的零件，热态下进行切削加工，动态热力耦合过程中，工件存在动态变形，需通过后续精加工才能保证零件最终成形精度。工序分离式则是在增材近净成形的毛坯上进行小余量的切削加工，以得到满足精度要求的制件。因沉积过程热积累较大，故冷却至稳态耗时长，整体成形效率较低。但冷态下切削加工，一次性成形精度较高。图3所示为等离子沉积与铣削复合成形的金属花瓶[14]，增材、减材协同交叉，成形制件表面粗造度可达2.32 μm，成形精度较高；图4所示为选择性激光熔化(SLM)与铣削复合成形的工业模具[13]，增材、减材协同交叉，成形模具几何尺寸精度和表面质量较好，相对密度高达99.2%；图5所示为电弧增材(WAAM)与铣削复合成形的工业模具[11]，增材、减材工序分离，先通过增材获得近净成形的毛胚，后经小余量的铣削加工达到零件最终成形精度，相比于传统数控加工，时间缩短42%，成本降低28%。

图3 等离子沉积与铣削复合成形的金属花瓶[14]

图4 SLM与铣削复合成形的工业模具[13]

图5 WAAM与铣削复合成形的工业模具[11]

2.2 关键问题
关于增减材复合制造技术发展与应用，需重点解决以下关键问题：①不同增材及铣削复合工艺下，增材层显观组织、宏观形性多尺度演化规律；②增材、减材复合过程中显观组织及宏观形性的协同调控；③增材、减材过程中，动态变形影响下制件成形精度和表面质量的控制；④不同切削介入时机、频率下制件的成形效率和成形精度的平衡；⑤无冷却液，高温、高残余应力制造过程中刀具的软化、黏连、磨损和延寿。

3 增等材复合制造技术
3.1 研究现状
增减材复合制造能够有效提高制件成形精度和表面质量，但对制件显观组织和宏观性能的调控效果并不显著。基于轧制、锻造、喷丸技术的增等材复合制造技术，在增材过程中或后处理阶段，通过引入机械力能场作用于增材层，植入一定深度的塑性变形，改善增材层晶粒形态、显微组织和应力状态，可以实现对制件宏观力学性能的有效控制。

与轧制结合的增等材复合制造是研究最广泛的复合式增材制造技术。轧制能产生大塑性变形，使增材层内部缺陷被焊合，获得组织致密、晶粒细化的增材组织，且增材层表面质量较高，后续加工余量较小。现阶段存在两种工艺方法：一是轧制与增材交叉协同的层间冷轧；二是轧制对增材同步跟随的随焊热轧。两种工艺方法当前均处于实验研究阶段，相关实验设备均由增材部分和具有特征功能的轧制部分组成，工作时需要大型压力设备(多为气压或液压设备)产生高达数十千牛的恒定轧制力[15]，促使增材层发生连续均匀的塑性变形。

文献[16-17]采用层间冷轧工艺(原理如图6所示)，分别对低碳钢、纯钽增材制件进行逐层轧制处理，通过层间冷轧在沉积层上形成了一层具有一定深度的塑性变形层，变形层在后续沉积层反复热循环作用下发生再结晶，沉积层晶粒发生细化，得到了随机织构的各向同性材料组织(图7)；文献[18]开发了一种新型异形轧辊(图8)，该轧辊对具有宽壁和交叉特征的增材层晶粒细化效果显著；文献[19-22]对Ti-6Al-4V钛合金开展了类似的研究，除了上述结论之外，还发现低塑性应变下β晶组织细化和织构产生的原因可能是，变形层在快速重复加热时随β晶的长大产生了退火孪晶，如图9所示。

图6 层间冷轧工艺原理图[16]

(b)层间冷轧工艺

图7 沉积态与层间冷轧工艺晶粒形态及取向[17]

(a)薄壁用轧辊 (b)宽壁和交叉特征用轧辊

图8 新型异形轧辊[18]

图9 Ti-6Al-4V β晶的长大产生退火孪晶界[19]

文献[23-25]采用层间冷轧工艺处理铝合金增材制件，发现层间冷轧工艺可使增材层内部微小气孔发生闭合，组织更加致密，强度大幅提高，而塑性却未受损。层间冷轧对增材层的强化机制，除了形变强化、细晶强化之外，合金元素还在塑性变形驱动下发生固溶强化。文献[26]也发现轧制塑性变形能促进合金元素固溶于增材基体，基体随时间发生自然时效使得强度和硬度大幅提高。除此之外，还发现侧向冷轧对铝合金增材层残余应力的控制效果较垂向冷轧更好，能够有效地控制残余变形。

ZHANG等[27-28]开发了一种基于新型微轧辊的同步跟随复合增材制造技术(HDMR)，微轧辊跟随熔池对增材层进行同步热轧(图10)，轧制介入的温度可通过调节轧辊对焊枪的跟随距离来改变，通过在奥氏体未再结晶温度区控轧提高了材料结晶度，获得了平均晶粒尺寸为7 μm的细晶组织，制件各力学指标大幅提高(图11)。

图10 HDMR原理图[27]

图11 随焊热轧工艺下增材层各向力学性能[28]

与锻造技术结合的增等材复合制造将效率高、组织性能优异的锻造成形与高柔性的增材制造进行复合，发挥两者优势，可实现复杂结构和高性能制件的近净成形。当前存在两种复合类型，即与模锻成形整体锻造复合型和与机械锤击局部锻造复合型。
与模锻成形整体锻造结合的增等材复合制造多为工序分离式。MEINERS等[29]在预成形的锻件上通过粉末激光金属沉积(P-LMD)和电弧增材(WAAM)两种AM技术成功添加了新的结构特征(图12)，既保证了制造效率又提高了制造柔性，对比传统锻造，材料利用率提高了50%。

图12 预成形T形截面锻件通过P-LMD和WAAM增加特征加强筋[29]

BAMBACH等[30]在Ti-6Al-4V预成形的锻件上进行WAAM制造，对WAAM制件进行热锻成形，分别研究了两种复合制造工艺下显观组织、力学性能演化规律，结果表明增材区与锻造区界面冶金结合良好，键合区拉伸性能可达到锻造要求，延展性略低于锻件，但较铸件要高；MA等[31]对Ti-6Al-4V锻造和增材键合区显观组织和力学性能的研究发现，键合区因形成二次强化相而整体强度较基体要好，该结论与文献[30]结论一致。同时，还发现对WAAM制件进行热锻和后续热处理后，制件强度、延伸率等力学性能指标均出现了较大程度的提高，整体性能与锻件相当(图13)。

图13 WAAM制件热锻+热处理工艺与沉积态、传统锻件力学性能对比[30]

文献[32-33]研究了不同激光增材工艺和热锻成形工艺对不锈钢成形件显观组织和力学性能的影响，增材后进行高温热锻，制件孔隙率明显降低，致密度可达99%以上，晶粒尺寸大幅减小，晶粒细化程度超7倍(图14)，增材层力学性能显著提高。

(a)沉积态 (b)900 ℃变形量5% (c)1040 ℃变形量5% (d)900 ℃变形量30% (e)1040 ℃变形量30%

(f)沉积态 (g)900 ℃变形量5% (h)1040 ℃变形量5%(i)900 ℃变形量30% (j)1040 ℃变形量30%

图14 不同增材与热锻工艺下增材层晶粒形态变化[33]

与机械锤击局部锻造结合的增等材复合制造，当前研究报道较少，均采用交叉协同的方式与高效、低廉的电弧增材制造进行复合。锤击锤头尺寸较小，与工件的接触方式为点接触或微型球面接触，相比于轧制工艺的线接触或柱面接触，具有更高的自由度，加工时受工件形状的限制较小。另外，锤击对工件的作用为非连续性多次间断冲击，作用力为瞬间冲击力，作用时间极短，瞬间接触力较大，通过多道次小塑性变形积累，最终可使增材层产生较大的塑性变形，无需大型设备提供高达数十千牛的持续静压力，能够和承载能力有限的工业机器人结合获得更高的加工自由度，可满足复杂形状零件的加工，但现阶段锤击变形量难以实现精确控制，成形精度较轧制复合式增材制造要低。

HÖNNIGE等[15，34-35]采用六自由度ABB工业机器人运载高精度气动锤击设备构成其锤击组件，采用层间冷锤工艺在Ti-6Al-4V增材层表层植入微量塑性变形，伴随后续沉积层热循环获得了大于塑性变形深度的细晶区，力学性能有所提高(图15)；XIONG等[36]采用相似的方式，利用多自由度安川机器人手臂运载改良的电动锤击装置(图16)，通过对两机器人进行协同控制，控制锤头与焊枪的工作位姿，可实现微形锤头对焊枪的同步近距离跟随，在接近材料再结晶温度时进行随动低频锤击，使增材层表层发生一定程度的塑性变形，产生高密度位错，在增材层表层形成一定比例的亚结构，平均晶粒尺寸减小，增材层整体强度得到了较大程度的提高；FANG等[37]采用三自由度运载机构运载气动锤击装置(图17)，对2319铝合金增材层在焊后冷却至50 ℃时进行层间锤击，增材层晶粒细化明显，相较于沉积态，晶粒尺寸减小至其1/10(图18)，伴随着高密度的位错，增材层力学性能大幅度提高；权国政等[38]采用的锤击组件由大型龙门机器人(原理与文献[37]类似)运载气动锤击设备构成，该运载机器人体形大，承载能力强，稳定性好，但也存在着运动自由度较少，易与焊枪发生近距离干涉等问题。所采用的锤击设备为工程用气镐，成本低廉，冲击力大，但锤击运动难以准确控制，成形精度较低。该研究通过仿真与实验结合的方式发现，焊后锤击对消除焊接内应力效果显著。

图15 层间冷锤工艺与沉积态力学性能对比[34]

图16 机器人手臂运载电动锤击装置[36]

图17 三自由度机械锤击组件[37]

(a)沉积态

(b)层间冷锤工艺

图18 沉积态与层间冷锤工艺晶粒形态[37]

Fig.18 Grain morphologies of as-deposited and inter-layer cold hammering[37]
与喷丸结合的增等材复合制造通过在增材层表层植入微量塑性变形，实现增材层整体性能的提高，多为工序分离式复合，即以后处理的方式对增材制件进行强化处理。喷丸类型有机械喷丸(SP)、超声喷丸(USP)和激光喷丸(LSP)三类，前两者为机械接触式强化，通过高速实体丸粒冲击制件表面实现制件表面强化，后者LSP为非接触式强化，无实体丸粒产生，通过高能激光作用金属表面实现表面强化，可将LSP列为特种能场辅助增材制造。
ALMANGOUR等[39]在增材后处理阶段，通过机械喷丸对激光增材不锈钢制件进行处理，通过在制件表面植入塑性变形，促使残余奥氏体转化成马氏体，并诱导表层发生晶粒细化(图19)，制件表面粗糙度降低，硬度、屈服强度、耐磨性等力学性能指标得到较大程度提高；文献[40-41]采用三向超声喷丸对钛合金、铝合金增材焊缝进行强化处理，发现超声喷丸对焊缝表面微观形貌的影响较小，焊缝表面未发生明显的塑性变形，但表层晶粒却发生了较大程度的细化(图20)，增材层孔隙率降低，材料的强度也得到相应增加，各向异性减弱，如图21所示。

(a)沉积态图像质量映射(b)机械喷丸图像质量映射

(c)沉积态晶粒取向图 (d)机械喷丸晶粒取向图

图19 机械喷丸工艺与沉积态晶粒形态对比[39]

(a)沉积态 (b)三向超声喷丸

图20 沉积态与三向超声喷丸工艺晶粒形态[40]

图21 超声喷丸工艺和沉积态力学性能对比[40]

3.2 关键问题
关于增等材复合制造技术发展与应用，需重点解决以下关键问题：①外加力能场下，塑性变形程度、变形温度、变形速率、介入频率等与增材制造形成的复合工艺参数对增材层显观组织、宏观力学性能的多尺度演化规律；②外加力能场下，增材制件显观组织和宏观形性的主动控制；③外加力能场下，局部变形区与后续沉积层结合区界面的控制及强化；④外加力能场下，增材制造过程中动态变形的控制及修正；⑤外加力能场不同介入时机、频率下，制件成形效率与成形质量的平衡；⑥外部力能场辅助设备与增材设备干涉现象的控制；⑦外部力能场类型、力能参数、能耗、成本与零件成形精度、质量的平衡。

4 特种能场辅助增材制造技术
4.1 研究现状
前两类复合式增材制造技术所对应的外加辅助制造均为接触式制造方法，存在设备干涉及效率等问题。特种能场辅助增材制造技术通过超声、电磁、激光等非接触式特殊能量源及其特征效应，作用于增材制造全过程，改善增材层显观组织，提高制件宏观形性，是当前正迅速发展的先进制造技术。
超声、电磁类特种能场辅助增材制造分别通过高频超声波、电磁效应作用于增材熔池的形成和凝固过程，改变熔池形成到凝固过程中熔池流动、传热传质、结晶形核、固态相变规律，进而改善增材层晶粒形态、显微组织、应力状态和宏观形性，可归为同步跟随式复合增材制造技术。
文献[42-43]采用超声激振设备作用于增材基板(图22)，通过高频超声波在金属基板内的传播实现对增材熔池的实时作用，研究了超声振动对镍基合金激光增材组织和力学性能的影响，研究结果表明超声振动通过对增材熔池的空化和声流效应，可促进增材组织均匀化，减少第二相的析出，改变析出相形态，还可实现增材组织晶粒细化(图23)，进而改善增材制件的力学性能。文献[44]通过ABB机器人运载超声激振设备近距离跟随焊枪，实现高频超声振动对Ti-6Al-4V增材熔池的同步跟随作用，研究表明高强度超声波通过声空化、声流效应在金属凝固过程中可有效阻断柱状晶体外延生长，削弱织构强度，细化柱状晶显观组织，进而改善增材制件力学性能。文献[45-47]将自主设计的电磁线圈集成于焊枪，实现了对增材熔池的同步作用，研究了外加纵横向稳态磁场对WAAM制件显观组织和宏观形性的影响，结果表明：外加纵向稳态磁场通过在熔池中产生切向电磁力，推动熔池向边缘流动，能够减小熔积层高宽比，形成平缓的熔积层形貌，有利于多道搭接熔积提高制件成形精度和表面质量；外加横向磁场能够降低熔池凝固过程中枝晶前沿温度梯度和溶质浓度，增加枝晶前沿的成分过冷，使靠近熔池中心的枝晶前端生长加速并细化晶粒，改善增材制件显观组织和宏观力学性能。

图22 超声振动组件作用于基板[43]

图23 超声振动组件跟随焊枪作用于沉积层[44]

激光类特种能场辅助增材制造有激光冲击辅助、选择性激光烧蚀辅助、选择性激光重熔辅助三种方法。
激光冲击辅助增材制造在增材后处理阶段，通过高功率密度、短脉冲的激光作用于制件表面涂覆的能量吸收涂层，诱导制件表面产生高幅冲击波以对表层进行高能冲击，在制件表层植入一定深度的塑性变形，改善表层晶粒形态、显微组织和应力状态，进而改善制件整体宏观力学性能，为工序分离式复合制造。激光冲击对增材层的作用原理与喷丸类似，也被称为激光喷丸。
KALENTICS等[48]研究了新型3D激光冲击方法(激光冲击面与激光熔化面不同)对选择性激光熔化(SLM)316L不锈钢制件疲劳性能的影响，结果表明3D激光冲击通过在制件表层植入残余压应力，能够提高制件表面显微硬度，降低制件内部孔隙率(图24)，阻碍疲劳裂纹萌生与扩展，大幅度延长了制件的疲劳寿命。HACKEL 等[49]通过类似的研究发现激光冲击较机械喷丸在制件表层产生的应力层更深，对增材制件扭曲变形有一定的校正作用。

(a)SLM (b)2D-LSP (c)3D-LSP

图24 SLM、2D-LSP和3D-LSP内部气孔形态[48]

选择性激光烧蚀辅助增材制造通过高能激光对材料的蒸发作用，对增材层进行表面减材加工，提高增材层表面质量，作用效果与切削加工类似。选择性激光重熔辅助增材制造利用低能激光对增材层的重熔作用，降低增材层残余孔隙率、表面粗造度，提高增材层致密度和表面质量。两者作用原理类似，既可作用于逐层增材之间，也可作用于增材后处理阶段，为兼具交叉协同和工序分离两种特征的复合式增材制造技术。

YASA等[50-51]分别研究了选择性激光烧蚀和选择性激光重熔对SLM增材制造的影响，结果表明，选择性激光烧蚀对制件表面粗糙度的改善效果不及后者，但效率较高，可伴随解决SLM增材层边缘阶梯效应，同时，选择性激光烧蚀还具有对零件微细特征的加工能力，能够加工尺寸范围在50～100 μm的微特征，而选择性激光重熔对增材层残余孔隙率、致密度、残余应力有明显的改善作用，但效率较低，时间成本较高。

4.2 关键问题
关于特种能场辅助增材制造技术发展与应用，需重点解决以下关键问题：①超声、电磁类作用于增材熔池的形成和凝固过程中的特种能场，对显观组织、宏观形性多尺度作用机制和演化规律；②激光类作用于沉积层的特种能场下，激光功率、扫描速率、光斑尺寸等与增材制造形成的复合工艺参数对增材层显观组织、宏观力学性能的多尺度演化规律；③特种能场下，增材层显观组织和宏观形性的定向控制；④特种能场下，增材制造过程中动态变形的控制及修正；⑤激光类辅助能场不同介入时机、频率下，制件成形效率与成形质量的平衡；⑥超声、电磁类特种能场如何有效施加。

5 复合式增材制造技术发展趋势
(1)向多制造技术复合式增材制造发展。减材制造在制件成形精度和表面质量控制方面表现优异，等材制造在制件显观组织和宏观性能控制方面效果显著，特种能场可改善增材层显观组织和宏观形性，具有非接触式制造特点。增材制造与单一减材、等材、特种能场辅助制造进行复合，难以实现制件形性一体化有效调控。将增材、等材、减材以及特种能场辅助制造多制造技术进行复合，形成新型复合式增材制造技术，保留增材制造快速、柔性的制造特征，减材制造高精成形的制造特征，等材制造组织性能优异的制造特征，以及特种能场非接触式制造特征，将成为复合式增材制造技术的未来发展的趋势。

(2)向在线检测、闭环控制发展。增材制造形性问题严重，复合式增材制造对制件的形性调控为动态调控过程，为保证制件形性调控的质量和精度，复合式增材制造系统需引入先进的检测、测量及控制技术，实时监测、反馈制造过程，并对制造过程进行闭环控制，动态调整工艺参数，实现增材制造形性的有效控制。

(3)向一体化、智能化产品设计制造发展。当前复合式增材制造技术还处于实验室研究阶段，除增减材复合制造外，未见商品化的复合式增材制造装备，未来随着基础研究及支撑技术不断发展，高度集成的商业设备将逐渐被推出，结合先进材料技术、CAD/CAPP/CAM技术、智能控制技术以及大数据、云计算技术，将形成从材料、功能、结构、工艺设计到加工制造的一体化、智能化产品设计制造流程。

(4)向大型构件的低成本、高效率、高质量制造发展。增材制造具有快速、柔性、绿色的先进制造特点，增材制造与多制造技术结合形成的复合式增材制造，能够较好地解决增材制件形性难控的问题。随着复合式增材制造技术迭代发展，将形成一种同时具有快速、柔性、绿色、低成本、高质量等制造优点的新型先进制造技术，在国家重大战略需求的航空、核电、石化等领域超大型构件的制造中具有巨大的潜力。

参考文献：
[1] 卢秉恒.增材制造技术——现状与未来[J]. 中国机械工程， 2020， 31(1)：19-23.
LU Bingheng. Additive Manufacturing Technology—Current Situation and Future[J]. China Mechanical Engineering， 2020， 31(1)：19-23.
[2] LU Bingheng， LI Dichen， TIAN Xiaoyong. Development Trends in Additive Manufacturing and 3D Printing[J]. Engineering， 2015， 1(1)：85-89.
[3] 顾冬冬， 戴冬华， 夏木建， 等. 金属构件选区激光熔化增材制造控形与控性的跨尺度物理学机制[J]. 南京航空航天大学学报， 2017， 49(5)：59-66.
GU Dongdong， DAI Donghua， XIA Mujian， et al. Cross-scale Physical Mechanism of Structure and Performance Control Selective Laser Melting Additive Manufacturing of Metal Components[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2017， 49(5)：59-66.
[4] 王华明， 张述泉， 王向明. 大型钛合金结构件激光直接制造的进展与挑战[J]. 中国激光， 2009(12)：118-123.
WANG Huaming， ZHANG Suquan， WANG Xiangming. Advances and Challenges in Laser Direct Manufacturing of Large Titanium Alloy Structural Parts[J]. Chinese Journal of Lasers， 2009(12)：118-123.
[5] 王华明， 张述泉， 王韬， 等. 激光增材制造高性能大型钛合金构件凝固晶粒形态及显微组织控制研究进展[J]. 西华大学学报(自然科学版)， 2018， 37(4)：9-14.
WANG Huaming， ZHANG Suquan， WANG Tao， et al. Research Progress on Solidification Grain Morphology and Microstructure Control of High Performance Large Titanium Alloy Components Fabricated by Laser Additive Manufacturing[J]. Journal of Xihua University(Natural Science Edition)， 2018， 37(4)：9-14.
[6] TIAN Xiaoyong. Research on the Additive Manufacturing Process Based on High-speed Metal Particles Cold-state Impact[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2016， 52(3)：205-212.
[7] MERZ R， PRINZ F B， RAMASWAMI K， et al. Shape Deposition Manufacturing[C]∥Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. Austi， 1994：1-8.
[8] WEISS L E， NEPLOTNIK G， PRINZ F B， et al. Shape Deposition Manufacturing of Wearable Computers[C]∥ Solid Freeform Fabrication Symposium. Austin， 1996：31-38.
[9] SONG Y A， PARK S， CHAE S W. 3D Welding and Milling：Part Ⅱ—Optimization of the 3D Welding Process Using an Experimental Design Approach[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2005， 45(9)：1063-1069.
[10] SONG Y A， PARK S， CHOI D， et al. 3D Welding and Milling：Part I—a Direct Approach for Freeform Fabrication of Metallic Prototypes[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2005， 45(9)：1057-1062.
[11] KARUNAKARAN K P， SURYAKUMAR S， PUSHPA V， et al. Low Cost Integration of Additive and Subtractive Processes for Hybrid Layered Manufacturing[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing， 2010， 26(5)：490-499.
[12] JENG J Y， LIN M C. Mold Fabrication and Modifacation Using Hybrid Processes of Selective Laser Cladding and Milling[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2001，110(1)：98-103.
[13] DU W， BAI Q， ZHANG B. A Novel Method for Additive/Subtractive Hybrid Manufacturing of Metallic Parts[J]. Procedia Manufacturing， 2016， 5：1018-1030.
[14] XIONG X， ZHANG H， WANG G. Metal Direct Prototyping by Using Hybrid Plasma Deposition and Milling[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2009， 209(1)：124-130.
[15] HÖNNIGE J R， COLEGROVE P A， WILLIAMS S W. Wire+Arc Additively Manufactured Ti-6Al-4V with Machine Hammer Peening[J]. Procedia Engineering， 2017， 216：8-17.
[16] COLEGROVE P A， COULES H E， FAIRMAN J， et al. Microstructure and Residual Stress Improvement in Wire and Arc Additively Manufactured Parts through High-pressure Rolling[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2013， 213(10)：1782-1791.
[17] MARINELLI G， MARTINA F， GANGULY S， et al. Grain Refinement in an Unalloyed Tantalum Structure by Combining Wire+Arc Additive Manufacturing and Vertical Cold Rolling[J]. Additive Manufacturing. 2020， 32：101009.
[18] MCANDREW A R， ALVAREZ ROSALES M， COLEGROVE P A， et al. Interpass Rolling of Ti-6Al-4V Wire+Arc Additively Manufactured Features for Microstructural Refinement[J]. Additive Manufacturing， 2018， 21：340-349.
[19] DONOGHUE J， DAVIS A E， DANIEL C S， et al. On the Observation of Annealing Twins during Simulating β-grain Refinement in Ti-6Al-4V High Deposition Rate AM with In-process Deformation[J]. Acta Materialia， 2020， 186：229-241.
[20] DAVIS A E， KENNEDY J R， DING J， et al. The Effect of Processing Parameters on Rapid-heating β Recrystallization in Inter-pass Deformed Ti-6Al-4V Wire-arc Additive Manufacturing[J]. Materials Characterization， 2020， 163：110298.
[21] DAVIS A E， HÖNNIGE J R， MARTINA F， et al. Quantification of Strain Fields and Grain Refinement in Ti-6Al-4V Inter-pass Rolled Wire-arc AM by EBSD Misorientation Analysis[J]. Materials Characterization， 2020， 170：110673.
[22] DONOGHUE J， ANTONYSAMY A A， MARTINA F， et al. The Effectiveness of Combining Rolling Deformation with Wire-arc Additive Manufacture on β-grain Refinement and Texture Modification in Ti-6Al-4V[J]. Materials Characterization， 2016， 114：103-114.
[23] GU J， WANG X， BAI J， et al. Deformation Microstructures and Strengthening Mechanisms for the Wire+arc Additively Manufactured Al-Mg4.5Mn Alloy with Inter-layer Rolling[J]. Materials Science and Engineering：A， 2018， 712：292-301.
[24] GU J， DING J， WILLIAMS S W， et al. The Effect of Inter-layer Cold Working and Post-deposition Heat Treatment on Porosity in Additively Manufactured Aluminum Alloys[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2016， 230：26-34.
[25] GU J， DING J， WILLIAMS S W， et al. The Strengthening Effect of Inter-layer Cold Working and Post-deposition Heat Treatment on the Additively Manufactured Al-6.3Cu Alloy[J]. Materials Science and Engineering：A， 2016， 651：18-26.
[26] HÖNNIGE J R， COLEGROVE P A， GANGULY S， et al. Control of Residual Stress and Distortion in Aluminium Wire+arc Additive Manufacture with Rolling[J]. Additive Manufacturing， 2018， 22：775-783.
[27] ZHANG H， WANG X， WANG G， et al. Hybrid Direct Manufacturing Method of Metallic Parts Using Deposition and Micro Continuous Rolling[J]. Rapid Prototyping Journal， 2013， 19(6)：387-394.
[28] FU Youheng， ZHANG Haiou， WANG Guilan， et al. Investigation of Mechanical Properties for Hybrid Deposition and Micro-rolling of Bainite Steel[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2017， 250：220-227.
[29] MEINERS F， IHNE J， JüRGENS P， et al. New Hybrid Manufacturing Routes Combining Forging and Additive Manufacturing to Efficiently Produce High Performance Components from Ti-6Al-4V[J]. Procedia Manufacturing， 2020， 47：261-267.
[30] BAMBACH M， SIZOVA I， SYDOW B， et al. Hybrid Manufacturing of Components from Ti-6Al-4V by Metal Forming and Wire-arc Additive Manufacturing[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2020， 282：116689.
[31] MA J， ZHANG Y， LI J， et al. Microstructure and Mechanical Properties of Forging-additive Hybrid Manufactured Ti-6Al-4V Alloys[J]. Materials Science and Engineering：A， 2021， 811：140984.
[32] HOPPER C， PRUNCU C I， HOOPER P A， et al. The Effects of Hot Forging on the Preform Additive Manufactured 316 Stainless Steel Parts[J]. Micron， 2021， 143：103026.
[33] PRUNCU C I， HOPPER C， HOOPER P A， et al. Study of the Effects of Hot Forging on the Additively Manufactured Stainless Steel Preforms[J]. Journal of Manufacturing Processes， 2020， 57：668-676.
[34] NETO L， WILIAMS S T， DING J L， et al. Mechanical Properties Enhancement of Additive Manufactured Ti-6Al-4V by Machine Hammer Peening[C]∥Proceedings of the 1st International Conference on Advanced Surface Enhancement. Surface Enhancement. Singapore， 2020：121-132.
[35] HÖNNIGE J R， DAVIS A E， HO A， et al. The Effectiveness of Grain Refinement by Machine Hammer Peening in High Deposition Rate Wire-Arc AM Ti-6Al-4V[J]. Metallurgical and Materials Transactions A， 2020， 51(7)：3692-3703.
[36] XIONG X， QIN X， JI F， et al. Microstructure and Mechanical Properties of Wire+Arc Additively Manufactured Mild Steel by Welding with Trailing Hammer Peening[J]. Steel Research International， 2021， 92(11)：2100238.
[37] FANG X， ZHANG L， CHEN G， et al. Microstructure Evolution of Wire-arc Additively Manufactured 2319 Aluminum Alloy with Interlayer Hammering[J]. Materials Science and Engineering：A， 2021， 800：140168.
[38] 权国政， 赵江， 卢顺， 等. 单道熔丝积材残余应力分布及锤击消除研究[J]. 塑性工程学报， 2020， 27(11)：121-130.
QUAN Guozheng， ZHAO Jiang， LU Shun， et al. Residual Stress Distribution and Hamming Removal of Single Fuse Accumulation Material[J]. Journal of Plasticity Engineering， 2020， 27(11)：121-130.
[39] ALMANGOUR B， YANG J M. Improving the Surface Quality and Mechanical Properties by Shot-peening of 17-4 Stainless Steel Fabricated by Additive Manufacturing[J]. Materials & Design， 2016， 110：914-924.
[40] GOU J， WANG Z， HU S， et al. Effects of Ultrasonic Peening Treatment in Three Directions on Grain Refinement and Anisotropy of Cold Metal Transfer Additive Manufactured Ti-6Al-4V Thin Wall Structure[J]. Journal of Manufacturing Processes， 2020， 54：148-157.
[41] TIAN Y， SHEN J， HU S， et al. Effects of Ultrasonic Peening Treatment Layer by Layer on Microstructure of Components Fabricated by Wire and Arc Additive Manufacturing[J]. Materials Letters， 2021， 284：128917.
[42] ZHANG D， LI Y， WANG H， et al. Ultrasonic Vibration-assisted Laser Directed Energy Deposition In-situ Synthesis of NiTi Alloys：Effects on Microstructure and Mechanical Properties[J]. Journal of Manufacturing Processes， 2020， 60：328-339.
[43] WANG H， HU Y， NING F， et al. Ultrasonic Vibration-assisted Laser Engineered Net Shaping of Inconel 718 Parts：Effects of Ultrasonic Frequency on Microstructural and Mechanical Properties[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2020， 276：116395.
[44] YUAN D， SHAO S， GUO C， et al. Grain Refining of Ti-6Al-4V Alloy Fabricated by Laser and Wire Additive Manufacturing Assisted with Ultrasonic Vibration[J]. Ultrason Sonochem， 2021， 73：105472.
[45] BAI Xingwang， ZHANG Haiou， WANG Guilan. Electromagnetically Confined Weld-based Additive Manufacturing[J]. Procedia CIRP， 2013， 6：515-520.
[46] BAI Xingwang， ZHANG Haiou， ZHOU Xiangman， et al. Electromagneto-fluid Coupling Simulation of Arc Rapid Prototyping Process with External High-frequency Magnetic Field[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2016， 52：60-66.
[47] ZHOU Xiangman， TIAN Qihua， DU Yixian， et al. Simulation of Heat and Mass Transfer in Arc Welding based Additive Forming Process with External Transverse Magnetic Field[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2018， 54(12)：193-206.
[48] KALENTICS N， DE SEIJAS M O V， GRIFFITHS S， et al. 3D Laser Shock Peening—a New Method for Improving Fatigue Properties of Selective Laser Melted Parts[J]. Additive Manufacturing， 2020， 33：101112.
[49] HACKEL L， RANKIN J R， RUBENCHIK A， et al. Laser Peening：a Tool for Additive Manufacturing Post-processing[J]. Additive Manufacturing， 2018， 24：67-75.
[50] YASA E， KRUTH J P. Application of Laser Re-melting on Selective Laser Melting Parts[J]. Advances in Production Engineering &， 2011， 6(4)：259-270.
[51] YASA E， KRUTH J P， DECKERS J. Manufacturing by Combining Selective Laser Melting and Selective Laser Erosion/Laser re-melting[J]. CIRP Annals， 2011， 60(1)：263-266.
Research Status and Development of Hybrid Additive Manufacturing Technology
XIONG Xiaochen 1，2，3 QIN Xunpeng 1，2，3 HUA Lin 1，2，3 HU Zeqi 1，2，3 JI Feilong 1，2，3
1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components，Wuhan University of Technology，Wuhan，430070 2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology，Wuhan University of Technology，Wuhan，430070 3.School of Automotive Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan，430070
Abstract： The poor forming accuracy and performance restricted the development and applications of metallic additive manufacturing technology. Hybrid additive manufacturing had a significant effectiveness on solving the problem. The classification and main categories of hybrid additive manufacturing technology were highly generalized herein. The research progresses and technical developments of additive and subtractive hybrid manufacturing in the control of the part forming accuracy and surface quality were briefly summarized. The technology categories， forming principles， manufacturing characteristics and key problems of additive and equivalent hybrid manufacturing were emphatically commented， as well as the research status and main conclusions of additive and equivalent hybrid manufacturing on the control of microstructure， stress state and macro-performance of the parts. The acting mechanism of three special auxiliary energy fields， namely ultrasonic， electromagnetic and laser， on the flow， crystallization and solid-state phase transition of additive molten pool， and the evolution law of microstructure state， mechanical properties and forming accuracy of additive layer under the action of special energy fields were systematically introduced. Finally， the development trends of hybrid additive manufacturing technology were prospected in the future.
Key words： forming accuracy and performance control； additive and subtractive hybrid manufacturing； additive and equivalent hybrid manufacturing； special energy field assisted additive manufacturing
(编辑 袁兴玲)
作者简介：熊晓晨，男，1989年生，博士研究生。研究方向为增材制造与再制造。E-mail：290360@whut.edu.cn。秦训鹏(通信作者)，男，1962年生，教授、博士研究生导师。研究方向为汽车生态设计与循环利用技术、汽车智能制造技术、汽车轻量化设计制造技术。发表论文100余篇。E-mail：qxp915@hotmail.com。