陳澤坤 蔣佳希 王宇嘉 曾永攀 高潔 李曉雁

(清華大學(xué)工程力學(xué)系,北京 100084)

引言

自青銅器時(shí)代以來,金屬材料在人類文明發(fā)展進(jìn)程中起到了至關(guān)重要的作用.隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步,對(duì)材料的綜合性能提出了更高的要求,所設(shè)計(jì)的材料結(jié)構(gòu)也逐漸朝輕量化、復(fù)雜化和低能耗方向發(fā)展.然而,在制備如超材料[1-2]等輕質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí),傳統(tǒng)金屬制造技術(shù)往往需要經(jīng)過繁瑣且復(fù)雜的加工步驟,且相關(guān)的減材制造過程不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且會(huì)造成大量的材料切削損耗,甚至無法滿足其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求.此外,在制備一些新型的高熔點(diǎn)合金[3-4]時(shí),對(duì)傳統(tǒng)金屬制造設(shè)備而言,保證成形合金的充分熔化以及成分均勻性也具有一定挑戰(zhàn).面對(duì)傳統(tǒng)金屬制造技術(shù)存在的諸多不足,金屬增材制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.

金屬增材制造(metal additive manufacturing)技術(shù),亦稱金屬3D 打印技術(shù),最早是由美國科學(xué)家Hull[5]于20 世紀(jì)末提出的.金屬增材制造技術(shù)是以高能電子束(如激光、電子束)為熱源,根據(jù)所設(shè)計(jì)的三維數(shù)據(jù)模型,實(shí)現(xiàn)逐層加工制造,以獲得目標(biāo)零件的一種近凈成形金屬制造技術(shù).金屬增材制造技術(shù)逐層制造的方式,擺脫了傳統(tǒng)制造過程的模具限制,可以有效解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備難題,縮短了加工周期,提高了制造柔性,降低了制造成本;此外,增材制造的加工方式,避免了零件先成形再切削加工的材料浪費(fèi),提高了材料利用率,節(jié)省了材料成本;而高的能量束對(duì)成形區(qū)域的局部加熱則使得制備高熔點(diǎn)合金成為可能.

經(jīng)過近30 年的發(fā)展,金屬增材制造技術(shù)日趨成熟,步入了穩(wěn)定發(fā)展階段.基于增材制造原理所發(fā)明的多種金屬增材制造工藝,如選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)(selective laser sintering)、選區(qū)激光熔化技術(shù)(selective laser melting,SLM)、激光金屬沉積技術(shù)(laser metal deposition,LMD)、選區(qū)電子束熔化技術(shù)(selective electron beam melting,SEBM)、絲材電弧增材制造技術(shù)(wire arc additive manufacturing)和黏合劑噴射技術(shù)(binder jetting)等,已經(jīng)成為現(xiàn)代制造技術(shù)的重要發(fā)展方向.金屬增材制造由于特殊的加熱冷卻過程,可以在金屬材料內(nèi)部形成與傳統(tǒng)金屬制造技術(shù)不同的細(xì)小微結(jié)構(gòu),使材料獲得較為優(yōu)異的力學(xué)[6-8]、電化學(xué)[9-11]性能.同時(shí),其逐層制造的加工過程,還為制備梯度結(jié)構(gòu)材料提供了新思路[12-14].目前,金屬增材制造技術(shù)因其獨(dú)特的成形方式以及優(yōu)異的制品性能,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天航空[15-16]、核能工業(yè)[15,17]、交通運(yùn)輸[18-19]以及生物醫(yī)療[20-21]等領(lǐng)域(如圖1 所示),成為了目前金屬材料制備技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一.

圖1 金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域Fig.1 Applications of metal additive manufacturing technology

眾所周知,材料的使役性能與材料內(nèi)部缺陷息息相關(guān),如果無法有效消除或抑制材料內(nèi)部缺陷,則會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的提前破壞而造成嚴(yán)重事故.金屬增材制造是一個(gè)固-液-氣三相耦合的復(fù)雜物理過程,在成形過程中往往容易因?yàn)槟淌湛s、熱應(yīng)力而形成孔洞、裂紋等缺陷.因此,了解金屬增材制造成形過程中缺陷的形成機(jī)理,并給出相關(guān)建議,對(duì)材料的制備具有重要意義.此外,材料的使役性能還與材料的組織形貌有關(guān),而組織形貌又與成形過程的工藝參數(shù)有重要聯(lián)系,如何在眾多工藝參數(shù)組合中選擇合適的工藝參數(shù),理清工藝參數(shù)對(duì)組織形貌的影響,是金屬增材制造技術(shù)研究領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容.

本文將對(duì)金屬增材制造技術(shù)進(jìn)行綜述.首先介紹典型的金屬增材制造技術(shù)原理,然后對(duì)金屬增材制造過程中的缺陷、工藝參數(shù)對(duì)組織形貌的影響、成形材料及其力學(xué)性能進(jìn)行綜述,最后對(duì)金屬增材制造研究中的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向進(jìn)行展望.

1 金屬增材制造技術(shù)原理

金屬增材制造技術(shù)的基本原理是將三維模型進(jìn)行切片分層處理,然后以金屬粉體或金屬絲材為成形原料,利用高能量束按照數(shù)據(jù)模型的成形路徑照射并熔化金屬材料,實(shí)現(xiàn)材料的逐層堆積制造.金屬增材制造技術(shù)按照不同的技術(shù)原理,可以有不同的分類方式: 按照金屬原料的輸送方式可以分為鋪粉法、同軸送粉法以及送絲法,而按照能量束類型則可以分為激光增材制造、電子束增材制造以及電弧增材制造.目前,選區(qū)激光熔化技術(shù)、激光金屬沉積技術(shù)以及選區(qū)電子束熔化技術(shù)是金屬增材制造技術(shù)研究中發(fā)展較為成熟的主流技術(shù),三者的技術(shù)對(duì)比如表1 所示.

表1 金屬增材制造技術(shù)對(duì)比[22-28]Table 1 Comparison of three typical metal additive manufacturing technologies[22-28]

1.1 選區(qū)激光熔化技術(shù)

選區(qū)激光熔化技術(shù)是在惰性氣體環(huán)境下(通常要求氧含量低于200 ppm)采用高能量密度的激光束為能量源,使用切片軟件對(duì)三維模型進(jìn)行切片分層處理,然后由各分層截面獲得掃描路徑,控制振鏡系統(tǒng)偏轉(zhuǎn),讓激光束照射到由鋪粉錕在成形基板上預(yù)鋪設(shè)一定層厚的金屬粉末區(qū)域,使得局部區(qū)域的金屬粉末快速熔化形成熔池區(qū),當(dāng)激光束移動(dòng)至另一區(qū)域時(shí),原熔池區(qū)通過傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射的熱傳遞方式會(huì)迅速冷卻凝固,待每一層的成形區(qū)域已經(jīng)發(fā)生加熱熔化和冷卻凝固后,鋪粉缸會(huì)上移預(yù)設(shè)的特定高度,工作缸則會(huì)下降預(yù)設(shè)的高度,然后鋪粉錕將再次把鋪粉缸的金屬粉末均勻地預(yù)鋪設(shè)在工作缸的上表面,開始新一層的打印過程,如此循環(huán)往復(fù),直至完成金屬構(gòu)件的打印,如圖2(a)所示.

圖2 金屬增材制造技術(shù)原理示意圖Fig.2 Schematic illustrations of three typical metal additive manufacturing technologies

選區(qū)激光熔化技術(shù)的激光光斑往往只有幾十至上百微米,因此成形區(qū)域小,能量密度高,可完全熔化金屬粉末,實(shí)現(xiàn)高密度、高精度、高性能金屬構(gòu)件的制備,是近年來最具潛力的金屬增材制造技術(shù)之一.由于其成形區(qū)域與周圍區(qū)域的溫度梯度大,冷卻速率較快,通?？蛇_(dá)103～ 108K/s[24],因此快速凝固可形成細(xì)小的晶粒[29],使得所制備的合金材料具有較為優(yōu)異的力學(xué)性能.Sander 等[29]通過優(yōu)化SLM的工藝參數(shù),制備了平均晶粒尺寸小于200 nm 的Fe85Cr4Mo8V2C 高強(qiáng)工具鋼,進(jìn)一步的力學(xué)性能測(cè)試表明: 其硬度為900 HV,壓縮強(qiáng)度高達(dá)3800 MPa,同時(shí)保持15%的斷裂應(yīng)變.Lin 等[30]利用SLM 技術(shù),制備得到高相對(duì)密度(99.71%)的FeCoCrNi 高熵合金,通過微觀表征觀測(cè)到: 所制備的合金具有大量的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)以及細(xì)小的晶粒.該高熵合金的屈服強(qiáng)度(600 MPa) 遠(yuǎn)高于同成分鑄造合金屈服強(qiáng)度(140 MPa),定量分析揭示了強(qiáng)化主要來源于位錯(cuò)強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化[30].盡管選區(qū)激光熔化技術(shù)可以在實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件近凈成形的同時(shí),保持良好的材料性能,但因其光斑尺寸較小,鋪粉層厚較薄,成形速度較慢,所以難以制備大尺寸或者大批量構(gòu)件.因此,如何在保證成形構(gòu)件質(zhì)量的同時(shí),縮短打印時(shí)間,提高成形效率,對(duì)選區(qū)激光熔化技術(shù)的進(jìn)一步推廣具有重要意義.

1.2 激光金屬沉積技術(shù)

激光金屬沉積技術(shù),也被稱為定向能量沉積技術(shù)(directed energy deposition)、激光近凈成形技術(shù)(laser engineered net shaping)、激光熔覆技術(shù)(laser cladding) 和激光直接制造技術(shù)(directed laser fabrication)是一種在快速原型技術(shù)以及激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的金屬增材制造技術(shù)[31].激光金屬沉積技術(shù)與選區(qū)激光熔化技術(shù)類似,同樣是在惰性氣體的保護(hù)下,采用激光束作為能量源對(duì)金屬原料進(jìn)行加熱熔化,但不同的是,激光束在按照預(yù)先設(shè)定掃描路徑移動(dòng)的同時(shí),同軸送粉/絲設(shè)備會(huì)將粉體或絲材同步送入激光束在基體材料中所形成的熔池中,如圖2(b)所示,隨后冷卻凝固,與基體材料融合,逐層熔化堆積后實(shí)現(xiàn)金屬零件的制備.

激光金屬沉積技術(shù)因其成形速度快、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn),可被用于大型金屬構(gòu)件的制備.胡美娟等[31]采用該技術(shù),成功制備了尺寸為450 mm × 350 mm ×3000 mm 的大型鈦合金構(gòu)件,其質(zhì)量重達(dá)196 kg,同時(shí)具有良好的靜載力學(xué)性能和疲勞性能.此外,激光金屬沉積技術(shù)采用同軸送粉方式,通過改變送粉器中的材料成分,使得梯度材料的制備成為可能.Li 等[32]利用激光金屬沉積技術(shù)制備了Ti6Al4V 與316L 不銹鋼(SS316)疊合而成的梯度材料,其設(shè)計(jì)的合金組分呈梯度分布(Ti6Al4V→V→Cr→Fe→SS316),有效避免了在Ti6Al4V 和SS316 之間形成金屬間化合物.盡管激光金屬沉積技術(shù)的光斑尺寸較大、鋪粉層厚較厚、生產(chǎn)效率較高和可適用于大尺寸零件的制備,但其所制備零件的尺寸精度以及表面光潔度相比選區(qū)激光熔化技術(shù)較差,往往需要在成形后期進(jìn)行一定的表面處理.不同于選區(qū)激光熔化技術(shù),在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí),激光金屬沉積技術(shù)往往需要對(duì)懸空的桿件添加支撐,而支撐的去除容易影響打印結(jié)構(gòu)的尺寸精度,因此在設(shè)計(jì)打印金屬零件時(shí),需要考慮零件的擺放位置以盡量減少支撐部件.在采用激光金屬沉積技術(shù)制備功能梯度材料時(shí),則需要考慮梯度界面剛度不匹配以及開裂等問題[33].

1.3 選區(qū)電子束熔化技術(shù)

選區(qū)電子束熔化技術(shù)的原理與選區(qū)激光熔化技術(shù)類似,也是一種粉末床成形方法.但與選區(qū)激光熔化技術(shù)和激光金屬沉積技術(shù)不同的是,選區(qū)電子束熔化技術(shù)采用的能量源為電子束,而電子束在氣體氛圍中往往存在嚴(yán)重的散射問題,因此,選區(qū)電子束熔化技術(shù)通常在真空環(huán)境下制備金屬零件,如圖2(c)所示.真空環(huán)境下,選區(qū)電子束熔化技術(shù)避免了選區(qū)激光熔化技術(shù)和激光金屬沉積技術(shù)所存在的O,C,N 等元素對(duì)材料的污染問題[34],為活性稀有金屬構(gòu)件的制備提供了可能.此外,相比激光熱源,電能轉(zhuǎn)換為電子束的效率更高,材料對(duì)電子束的反射率低、吸收率高,能夠形成更高的熔池溫度,可成形一些高熔點(diǎn)金屬材料甚至是陶瓷材料[35].在采用選區(qū)電子束熔化技術(shù)制備金屬零件時(shí),往往容易出現(xiàn)金屬粉末在熔化成形前已偏離原來位置,甚至?xí)霈F(xiàn)成形基板上粉末床的全面潰散的現(xiàn)象,這是由于粉末顆粒的導(dǎo)電性較差,在電子束作用下粉末會(huì)帶上電荷,粉末與粉末之間以及粉末與入射電子束之間的電荷斥力所導(dǎo)致的,從而出現(xiàn)了選區(qū)電子束熔化技術(shù)成形過程中特有的“吹粉”現(xiàn)象[35].因此,在電子束熔化金屬粉體前,往往需要將預(yù)先鋪設(shè)好的粉末床預(yù)熱至較高溫度,以提高粉體導(dǎo)電率,減少電荷累積,同時(shí)增加粉末床的黏附性,以克服電荷斥力,避免產(chǎn)生“吹粉”現(xiàn)象[35].

選區(qū)電子束熔化技術(shù)對(duì)粉體和基板的預(yù)熱溫度(可達(dá)1250 °C[24])往往高于選區(qū)激光熔化技術(shù)和激光金屬沉積技術(shù)(200 °C 左右[27-28]),因而材料內(nèi)部的溫度梯度和冷卻速率較低,殘余應(yīng)力小,變形和開裂的傾向降低[24,36].Liu 等[37]對(duì)比了選區(qū)電子束熔化技術(shù)和選區(qū)激光熔化技術(shù)制備的Ti24Nb4Zr8Sn合金在微結(jié)構(gòu)、缺陷和力學(xué)性能之間的差異.研究表明: 選區(qū)激光熔化技術(shù)的冷卻速率快,形成了細(xì)小的β相,而選區(qū)電子束熔化技術(shù)的冷卻速率相對(duì)較慢,形成了α+β相,導(dǎo)致材料的壓縮強(qiáng)度降低[37].此外,選區(qū)激光熔化技術(shù)的光斑尺寸小,激光能量集中,容易發(fā)生Zn 的汽化,而選區(qū)激光熔化技術(shù)更高的冷卻速率則會(huì)使得氣泡更容易被凝固金屬捕捉,形成孔隙缺陷,因此選區(qū)激光熔化技術(shù)樣品的缺陷更多,疲勞性能更差[37].Lu 等[38]采用選區(qū)電子束熔化技術(shù),制備了高強(qiáng)高韌的Ni-Al-Cu 合金.通過微結(jié)構(gòu)表征和分析,Lu 等[38]指出Ni-Al-Cu 合金的優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度(≈ 1000 MPa)源于細(xì)小等軸晶與均勻分布析出相的綜合作用,而良好的拉伸延展性(≈ 35%)則是由于位錯(cuò)與位錯(cuò)以及位錯(cuò)與析出相之間的相互作用提高了材料的加工硬化能力.

2 金屬增材制造過程中的缺陷

目前人類已經(jīng)開發(fā)出5500 多種合金材料[42].然而,絕大部分合金材料暫時(shí)無法采用金屬增材制造技術(shù)來制備以滿足工程實(shí)際應(yīng)用.這是因?yàn)榻饘僭霾闹圃焓且粋€(gè)復(fù)雜的多尺度、多物理場(chǎng)耦合的過程[43](如圖3 所示).在急冷急熱的環(huán)境下,熔池及其周圍區(qū)域經(jīng)歷快速熔化、冷卻、凝固的過程,此時(shí),材料內(nèi)部容易產(chǎn)生熔合不良、氣孔、夾雜、微裂紋等微觀缺陷,甚至出現(xiàn)打印構(gòu)件的翹曲變形、開裂等宏觀缺陷,從而降低了打印構(gòu)件的力學(xué)性能,制約了金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展.因此,探索缺陷的形成原因,并尋找有效的缺陷控制方法,以減少和消除打印構(gòu)件內(nèi)部缺陷,能夠有效地促進(jìn)金屬增材制造技術(shù)的推廣,從而實(shí)現(xiàn)金屬增材制造產(chǎn)品的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn).

2.1 熔合不良

熔合不良缺陷是指在金屬增材制造過程,熔覆區(qū)域存在未熔融粉末而形成搭接不良的現(xiàn)象.在以粉末為原材料的金屬增材制造過程中,激光/電子束能量呈高斯分布,中間能量高,兩邊能量低,在相鄰道次之間的熔融區(qū)域存在一定的重疊區(qū),如果該重疊區(qū)的深度小于鋪粉層厚,在相鄰道次之間就會(huì)存在部分粉末沒有熔化,從而形成熔合不良缺陷[44],如圖4(a)所示.熔合不良缺陷與工藝參數(shù)密切相關(guān),當(dāng)激光輸入能量低,鋪粉較厚,掃描間距較大,此時(shí)所形成的熔池深度淺,熔池寬度窄,從而導(dǎo)致了相鄰道次之間沒有足夠的重熔區(qū)而形成未熔融區(qū)域,即形成了無規(guī)則形狀的熔合不良缺陷[45].相反,如果輸入能量過高,重熔區(qū)的搭接率過大,盡管可以避免熔合不良缺陷的產(chǎn)生,但會(huì)導(dǎo)致成形構(gòu)件表面成圓弧狀,降低其尺寸精度[46].此外,在以絲材為原材料的金屬增材制造過程中,則可能由于絲材的翹曲[47]或沉積路徑過于復(fù)雜而導(dǎo)致絲材的不完全熔化[48],從而形成熔合不良缺陷.因此,在采用金屬增材制造技術(shù)制備金屬零件時(shí),不僅需要選擇成形性能好的原材料,而且要選擇適當(dāng)?shù)募す夤β?、鋪粉層厚、掃描間距和掃描策略等工藝參數(shù),以保證成形尺寸精度的同時(shí),實(shí)現(xiàn)相鄰道次之間粉體/絲材的完全熔化,進(jìn)而避免熔合不良缺陷的產(chǎn)生[49-51].

圖4 金屬增材制造中的缺陷Fig.4 Three typical defects in components fabricated by metal additive manufacturing

2.2 氣孔

氣孔缺陷是金屬增材制造中最常見的缺陷之一,通常是因?yàn)槿鄢貎?nèi)氣體的逸出速度小于熔池凝固速度,導(dǎo)致氣體來不及從熔池逸出而被凝固組織包裹所形成的一種缺陷.氣孔缺陷的尺寸通常小于100 μm,呈近似球形形狀[52],如圖4(b)所示.在以粉末為原材料的金屬增材制造過程中,形成氣孔缺陷的氣體來源主要有3 種: 第1 種是粉體本身存在夾雜氣體,這是由于成形粉體通常采用氣霧化等方式制備,制備過程處于惰性氣體(氬氣或氦氣等)氛圍,因此,所制備得到的粉體不可避免存在一定含量的空心粉,在隨后的成形過程中,粉體中的夾雜氣體會(huì)轉(zhuǎn)移到金屬構(gòu)件中從而形成氣孔[55];第2 種是在鋪粉或送粉過程中,由于粉體流動(dòng)性較差而吸附或由紊流而卷入保護(hù)氣體,當(dāng)這些氣體的上浮速度較小,來不及逸出則被留在凝固組織內(nèi)形成氣孔缺陷[56];第3 種則是由于輸入的激光能量密度過大,熔池內(nèi)金屬快速汽化,產(chǎn)生強(qiáng)烈的反沖壓推動(dòng)熔池液體向下流動(dòng),形成了又窄又深的匙孔,在匙孔內(nèi)部,激光束多次反射,激光吸收率提高,匙孔底部金屬發(fā)生汽化形成氣泡,之后匙孔坍塌,氣泡被困在熔池中,被隨后的凝固組織捕獲,從而形成氣孔缺陷[57-58].在以絲材為原材料的金屬增材制造過程中,氣孔缺陷主要來源于兩方面: 第一方面是原材料質(zhì)量導(dǎo)致的氣孔缺陷.如果絲材表面光潔度較差,容易出現(xiàn)一定的污染物,如水分、油污或其他碳?xì)浠衔锏?這些污染物由于高溫發(fā)生汽化后,因其在液態(tài)熔池的溶解度較大而被吸附到熔池中,待熔池溫度降低,發(fā)生液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變后,原先溶解的氣體由于溶解度的降低而析出,最終被凝固組織捕獲形成氣孔缺陷(例如氫在液態(tài)鋁合金中的溶解度為0.69 cm3/100 g,在固態(tài)鋁合金中的溶解度為0.036 cm3/100 g)[47-48].第二方面是工藝過程導(dǎo)致的氣孔缺陷.在制備金屬零件過程中,當(dāng)輸入能量過高,原材料將發(fā)生汽化,這些氣泡如果無法及時(shí)從熔池中逸出,將被隨后的凝固組織捕獲,從而形成氣孔缺陷[59],這一缺陷形成原理與粉體原材料類似.因此,選擇球形度高、流動(dòng)性好、孔隙率低的粉末或者表面光潔度高、無污染的絲材為原材料,并優(yōu)化工藝參數(shù),控制保護(hù)氣體量,減少汽化現(xiàn)象以及卷入熔池的氣體,可以達(dá)到降低構(gòu)件孔隙率的目的[56,60-61].

2.3 裂紋

裂紋是金屬增材制造構(gòu)件中典型的缺陷之一.裂紋的存在極大地降低了構(gòu)件的材料性能,甚至?xí)鸷暧^的開裂、分層等現(xiàn)象,導(dǎo)致制備過程的失敗.金屬增材制造是成形材料局部快速熔化和凝固的過程,熔池區(qū)的加熱速率和冷卻速率可高達(dá)108K/s[62],在熔池周圍會(huì)形成極高的溫度梯度(≈ 106K/m)[63],由于熔池區(qū)域與周圍區(qū)域的熱膨脹不同,且存在一定的約束,加上成形材料承受復(fù)雜的熱循環(huán)歷史,可能發(fā)生相變,從而導(dǎo)致了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生.當(dāng)殘余應(yīng)力超過成形材料的強(qiáng)度極限時(shí),材料內(nèi)部將會(huì)形成裂紋[56],如圖4(c)所示.此外,裂紋的形成還可能與凝固收縮有關(guān).成形材料在凝固過程中,溶質(zhì)會(huì)在固液界面附近富集,產(chǎn)生局部過冷,促進(jìn)柱狀晶的生長,在凝固的柱狀晶之間則會(huì)形成一定的液體通道,隨著溫度的降低,液相體積分?jǐn)?shù)減少,這些通道有可能由于凝固收縮而形成空腔或裂紋[42].為了減少成形構(gòu)件中的裂紋缺陷,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究.目前抑制裂紋的方法主要包括: (1)預(yù)熱基板,以降低溫度梯度,減小熱誘發(fā)的殘余應(yīng)力[64-66];(2)在滿足成形材料完全熔化條件下,優(yōu)化工藝參數(shù),以降低材料內(nèi)部殘余應(yīng)力[62,67];(3)調(diào)整合金成分,促進(jìn)等軸晶生長,改善材料特性,以減少成形構(gòu)件裂紋[42,68].

3 工藝參數(shù)對(duì)組織形貌的影響

金屬增材制造工藝參數(shù)繁多,如激光功率、掃描速度、掃描策略、掃描間距、鋪粉層厚、成形方向等,這些工藝參數(shù)會(huì)影響生產(chǎn)零件的組織形貌,進(jìn)而導(dǎo)致材料的性能千差萬別[69-70].在金屬增材制造過程中,研發(fā)人員需要在一定范圍內(nèi)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行選擇和優(yōu)化,通常通過“試錯(cuò)法”來確定和優(yōu)化工藝參數(shù),這勢(shì)必造成時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本的浪費(fèi).因此,探究工藝參數(shù)對(duì)材料組織形貌的影響,將為新材料的研發(fā)和工藝參數(shù)的優(yōu)化提供重要的指導(dǎo).

3.1 激光功率

激光功率是金屬增材制造中最重要的工藝參數(shù)之一,不僅影響材料的缺陷形成,而且直接決定材料的組織形貌.Zhou 等[71]采用選區(qū)激光熔化技術(shù)研究了激光功率在250～ 400 W 范圍的FeCoCrNi 高熵合金的組織結(jié)構(gòu).研究結(jié)果表明: 隨著激光功率的增大,其晶粒尺寸也會(huì)逐漸增大.Parimi 等[72]采用激光金屬沉積技術(shù)研究了不同激光功率下In718 的組織形貌,如圖5(a)所示,In718 的組織形貌在低功率下主要呈現(xiàn)均勻的細(xì)晶粒與柱狀晶的混合,晶粒取向隨機(jī)分布;而高功率下,其組織形貌則呈現(xiàn)粗大的柱狀晶組織,并存在一定的織構(gòu).高激光功率下發(fā)生晶粒粗大現(xiàn)象的主要原因有兩個(gè): (1)高的激光功率將導(dǎo)致熔池附近區(qū)域的冷卻速率降低;(2)隨著成形零件厚度的增加,基板的散熱效應(yīng)降低,使得上層熔池溫度更高.這兩個(gè)主要原因共同促進(jìn)已經(jīng)形核的晶粒發(fā)生外延生長,從而形成粗大的柱狀晶組織,并呈現(xiàn)出特定的織構(gòu).這將導(dǎo)致成形材料的各向異性,降低材料的使役性能.因此,在避免因激光功率過低而導(dǎo)致未融合缺陷的前提下,盡量減小激光功率,有助于抑制粗大柱狀晶的形成,以提高材料的性能.

3.2 掃描速度

掃描速度在金屬增材制造過程中的可調(diào)節(jié)范圍較大,對(duì)組織形貌影響顯著,是工藝優(yōu)化的重要參數(shù)之一.掃描速度過慢,導(dǎo)致輸入的能量密度過高,往往會(huì)引起如前文提及的氣孔缺陷;而當(dāng)掃描速度過快,則會(huì)導(dǎo)致輸入的能量密度過低,從而誘發(fā)局部的不完全熔化現(xiàn)象.在不產(chǎn)生缺陷范圍內(nèi),掃描速度會(huì)影響晶粒尺寸的大小,進(jìn)而會(huì)影響成形構(gòu)件的力學(xué)性能.因此,選擇合適的掃描速度,以獲得優(yōu)異性能的構(gòu)件,是增材制造金屬研究人員的重要研究方向之一.Esmaeilizadeh 等[53]采用選區(qū)激光熔化技術(shù)研究了激光掃描速度對(duì)哈氏合金X(Hastelloy X)組織形貌的影響,研究結(jié)果表明: 掃描速度在850～1300 mm/s 范圍內(nèi),哈氏合金X 無明顯缺陷產(chǎn)生.Esmaeilizadeh 等[53]進(jìn)一步利用電子背散射衍射技術(shù)表征了掃描速度為850 mm/s,1150 mm/s 和1300 mm/s 的哈氏合金X 組織形貌,發(fā)現(xiàn)隨著掃描速度的增加,沿法線方向平面和沿打印方向平面的晶粒尺寸將會(huì)逐漸減小,如圖5(b) 所示.Li 等[73]和Wang 和Chou[74]分別在Ti45Al2Cr5Nb 和Ti6Al4V 合金中發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象.這是因?yàn)閽呙杷俣仍黾?相當(dāng)于激光能量作用于粉末材料的平均時(shí)間縮短,激光能量輸入減小,熔池區(qū)域尺寸隨之減小,晶?？缮L的空間范圍相應(yīng)縮小[53],考慮到較小的熔池可以與周圍區(qū)域進(jìn)行更快的熱傳遞,其冷卻速率也隨之提高,從而有利于晶?？焖傩魏?最終導(dǎo)致平均晶粒尺寸更小.

圖5 工藝參數(shù)對(duì)組織形貌的影響Fig.5 Influences of processing parameters on microstructures

3.3 掃描策略

在金屬增材制造過程中,掃描策略是指調(diào)整打印層與層之間的角度,以及改變單層內(nèi)的掃描方式,包括單向掃描策略、雙向掃描策略、島嶼掃描策略、螺旋掃描策略等[75].掃描策略會(huì)影響材料成形過程中的局部溫度梯度和冷卻速率,進(jìn)而影響晶粒的生長和打印構(gòu)件的組織形貌,是金屬增材制造重要的工藝參數(shù)之一.Liu 等[76]采用選區(qū)激光熔化技術(shù)研究了層與層之間旋轉(zhuǎn)角度對(duì)低活化鐵素體-馬氏體(chinese low-activation ferritic/martensitic steel,CLF-1)鋼的組織形貌影響,如圖5(c)所示.研究發(fā)現(xiàn): 層間旋轉(zhuǎn)角度為0°的X 掃描策略(scan strategy X,見圖5(c))所產(chǎn)生的組織呈現(xiàn)有規(guī)律的條帶狀分布,掃描軌跡中心處由于冷卻速率較慢,晶粒生長速度快,主要呈現(xiàn)為粗大的晶粒形貌,而掃描軌跡邊緣的冷卻速率較快,晶粒生長速度慢,傾向于形成細(xì)小的等軸晶;而層間旋轉(zhuǎn)角度為45°的XY45 掃描策略(scan strategy XY45,見圖5(c))所產(chǎn)生的組織則呈現(xiàn)為棋盤狀特征[76].Thijs 等[77]研究了選區(qū)激光熔化技術(shù)中掃描策略對(duì)Ti6Al4V 的組織形貌的影響.研究結(jié)果表明: 晶粒的長大方向與掃描策略有關(guān),采用單向掃描策略時(shí),晶粒沿熔池方向生長,容易形成柱狀晶,而采用雙向掃描且層間旋轉(zhuǎn)90°的掃描策略時(shí),則更傾向于形成等軸晶[77].盡管掃描策略類型較多,但考慮到實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的簡(jiǎn)便,通常采用層內(nèi)雙向掃描并結(jié)合層與層之間旋轉(zhuǎn)特定角度的掃描策略.

4 成形材料及其力學(xué)性能

金屬增材制造技術(shù)拓展了金屬材料的制備方法.目前,金屬增材制造技術(shù)不僅可以用于制備鈦合金、鋁合金、鎳基合金和鐵基鋼材等傳統(tǒng)工業(yè)合金,而且被研究者們應(yīng)用于制備高熵合金、非晶合金等新型合金.金屬增材制造技術(shù)由于其特殊的循環(huán)加熱-冷卻過程,構(gòu)件內(nèi)部往往會(huì)形成細(xì)小的微結(jié)構(gòu),從而具有比同類鍛造或鑄造材料較為優(yōu)異的力學(xué)性能,如圖6 所示.此外,金屬增材制造技術(shù)具有靈活的加工過程以及寬泛的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍,可以根據(jù)零件的實(shí)際需求,通過改變材料組分或調(diào)整工藝參數(shù)以獲得所需的材料性能來滿足各類應(yīng)用需求.為了充分發(fā)揮金屬增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì),需要對(duì)成形材料及其力學(xué)性能進(jìn)行深入研究.

圖6 金屬增材制造合金的極限拉伸強(qiáng)度與延展性的Ashby 圖Fig.6 Ultimate tensile stress vs.elongation of various alloys produced by metal additive manufacturing

4.1 傳統(tǒng)合金

金屬材料是工業(yè)發(fā)展的重要基石,目前采用金屬增材制造技術(shù)成功制備且研究較為深入的傳統(tǒng)合金類型主要包括鈦合金[78-80]、鋁合金[81-83]、鎳基合金[84-86]和鐵基合金[87-89]等,通過選擇合理的工藝參數(shù),可以獲得致密度在99%以上的金屬構(gòu)件[90-91],其綜合力學(xué)性能往往優(yōu)于鑄造件,并且可與鍛造件相媲美,甚至超過鍛造件[38,92].在眾多常用的工業(yè)合金中,鐵基合金無疑是工業(yè)生產(chǎn)中最常用到的金屬材料(占比約為80%)[93],因此采用金屬增材制造技術(shù)制備性能優(yōu)異的鐵基合金吸引了較為廣泛的研究興趣.近期的綜述論文[94]指出,相比于傳統(tǒng)制造技術(shù)制備的316L 不銹鋼(屈服強(qiáng)度為230～ 290 MPa,拉伸強(qiáng)度為580～ 590 MPa),采用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備的316L 不銹鋼具有更優(yōu)異的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度(分別可以達(dá)到350～ 660 MPa 和480～ 800 MPa),其強(qiáng)度的提高與局部激光熔化后高冷卻速率導(dǎo)致的微結(jié)構(gòu)細(xì)化有關(guān)[95].Wang 等[92]通過優(yōu)化打印參數(shù),制備出含高位錯(cuò)密度的316L 不銹鋼,拉伸測(cè)試表明,其拉伸強(qiáng)度可達(dá)640～ 700 MPa,且均勻延伸率可達(dá)36%～ 59%,實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和高延伸率的匹配.這種優(yōu)異的力學(xué)性能源于高密度位錯(cuò)在材料內(nèi)部形成了亞微米的位錯(cuò)胞,不僅阻礙了位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng),而且提高了變形過程中材料的加工硬化能力.最近,Kurnsteiner 等[96]研究發(fā)現(xiàn),使用激光金屬沉積技術(shù)制備Fe19Ni5Ti 合金過程中,在打印的層與層之間增加90 s 左右的間歇時(shí)間,打印層的溫度會(huì)降低至馬氏體溫度以下(如圖7(a)所示),從而形成微米級(jí)的馬氏體和納米級(jí)的鎳-鈦納米沉淀相(如圖7(b)所示),顯著提高了Fe19Ni5Ti 的硬度.進(jìn)一步的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明,增加間歇時(shí)間的Fe19Ni5Ti 合金的拉伸強(qiáng)度可達(dá)1300 MPa,同時(shí)保持10% 的延伸率,其力學(xué)性能顯著優(yōu)于無間歇的Fe19Ni5Ti 合金[96](如圖7(c)所示).這一研究提出的沉淀強(qiáng)化和局部微結(jié)構(gòu)控制方法為金屬增材制造技術(shù)制備性能優(yōu)異的金屬材料提供了新思路,具有潛在的應(yīng)用前景.

圖7 Fe19Ni5Ti 合金的制備、表征與力學(xué)性能測(cè)試[96]Fig.7 Preparation,characterization and tensile testing of Fe19Ni5Ti alloy[96]

4.2 高熵合金

高熵合金是由Yeh 等[97]和Contor 等[98]分別獨(dú)立提出的一種新型合金設(shè)計(jì)理念.不同于傳統(tǒng)合金,高熵合金是由4 種或更多金屬元素按照等原子比或近等原子比進(jìn)行混合,形成的單相固溶體合金.高熵合金具有多主元特性,因此也被稱為多主元合金.由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)組成,高熵合金具有嚴(yán)重的晶格畸變效應(yīng)、高熵效應(yīng)、遲滯擴(kuò)散效應(yīng)以及雞尾酒效應(yīng)[99],因此表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能(如高強(qiáng)度[100-101]、高硬度[102]、良好的耐磨性[103]、抗輻照性能[104]等).高熵合金是目前最具應(yīng)用潛力的一種新型金屬材料[99].目前,如何將金屬增材制造技術(shù)與高熵合金設(shè)計(jì)理念相結(jié)合制備性能優(yōu)異的高熵合金(如圖8 所示),已經(jīng)成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一.Dobbelstein等[106]采用激光金屬沉積技術(shù),通過改變成形粉體中Z r 和N b 粉體的組分含量,制備了組分從Ti25Zr50Nb0Ta25到Ti25Zr0Nb50Ta25連續(xù)變化的難熔高熵合金.在Zr 組分低于25% 的區(qū)域內(nèi)(即富Nb 貧Zr 區(qū)),其組織結(jié)構(gòu)為單一的體心立方相,材料硬度低于240 HV.隨著Zr 組分含量的提高,在富Zr 基底中析出的富Ta 第二相,能夠起到釘扎晶界的作用,導(dǎo)致晶粒細(xì)化,結(jié)合固溶強(qiáng)化效應(yīng)(相比其他幾種原子,Zr 原子的晶格常數(shù)最大),材料硬度得到顯著的提高(超過400 HV).Li 等[107]采用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備了重量含量12% TiN 納米顆粒的CoCrFeNiMn 高熵合金,發(fā)現(xiàn)TiN 顆粒均勻分布在CoCrFeNiMn 基體中,并且可以起到弱化織構(gòu)、細(xì)化晶粒的作用,由于TiN 的彌散強(qiáng)化以及晶粒細(xì)化導(dǎo)致的晶界強(qiáng)化,其拉伸強(qiáng)度可達(dá)1100 MPa,遠(yuǎn)高于無TiN 納米顆粒的同成分材料.在合金材料中添加納米顆粒,除了可以提高材料性能外,還能夠增加成形過程中晶粒形核位點(diǎn),有助于形成細(xì)小的等軸晶,抑制打印過程中的裂紋萌生[42].Chen 等[108]總結(jié)了AlxCoCrFeNi,CoCrFeMnNi,TaZrNbTa 等多種高熵合金體系在金屬增材制造過程中的微結(jié)構(gòu)演化,并對(duì)比了采用金屬增材制造技術(shù)和傳統(tǒng)鑄造方式制備得到的高熵合金的力學(xué)性能,表明金屬增材制造過程中的快速凝固有助于細(xì)小微結(jié)構(gòu)的形成,從而使得材料具有更高的屈服強(qiáng)度和更好的延展性,并且通過熱等靜壓法等后處理工藝可以消除構(gòu)件缺陷和殘余應(yīng)力,進(jìn)一步提升高熵合金的性能.

圖8 金屬增材制造技術(shù)與高熵合金設(shè)計(jì)理念相結(jié)合[105]Fig.8 Integration of metal additive manufacturing technology and high-entropy-alloy design strategy[105]

4.3 非晶合金

非晶合金是一種長程無序、短程有序的玻璃態(tài)金屬材料,通常也被稱為金屬玻璃(metallic glasses).非晶合金由于其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)特征,展示了優(yōu)異的力學(xué)性能[109]、光學(xué)性能[110]和磁性性能[111],是材料研究的重要領(lǐng)域之一.然而,由于非晶合金的制備要求其熔體的冷卻速率極快(105～ 106K/s),這對(duì)于傳統(tǒng)的鑄造工藝存在極大挑戰(zhàn),從而限制了大尺寸非晶合金的制備[112].此外,非晶合金不存在傳統(tǒng)晶體材料的位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷,其變形能力較低,可加工性較差[112],因此難以滿足復(fù)雜幾何形狀的工業(yè)設(shè)計(jì)需求.金屬增材制造技術(shù)由于其固有的高冷卻速率與設(shè)計(jì)靈活性,為大尺寸非晶合金的制備提供了一種新的途徑.Lu 等[113]采用激光金屬沉積技術(shù),通過控制激光功率與掃描速度的比值,成功制備了枝晶體積分?jǐn)?shù)隨厚度梯度變化的Zr 基非晶合金(如圖9(a)所示).力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明,與鑄造的同成分非晶合金和激光金屬沉積技術(shù)制備的無梯度非晶合金相比,梯度非晶合金不僅有超高的屈服強(qiáng)度(＞ 1.3 GPa),而且具有良好的拉伸延展性(≈ 13%)[113],如圖9(b)所示.Lu 等[113]指出梯度非晶合金優(yōu)異的力學(xué)性能主要源于相鄰梯度層之間的相互作用和非均質(zhì)結(jié)構(gòu)的異步變形模式的協(xié)同強(qiáng)化.這種梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和其中的強(qiáng)韌化機(jī)理,為解決非晶合金塑性低的難題提供了一個(gè)新思路.針對(duì)非晶合金中由于熱應(yīng)力引起的微裂紋問題,Li 等[114]提出了,在采用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備脆性Fe 基非晶合金過程中,引入了低屈服強(qiáng)度、高斷裂韌性的Cu 和Cu-Ni 合金的策略.研究結(jié)果表明: 在制備過程中,引入的第二相中形成了高密度位錯(cuò),這些高密度位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)降低了樣品內(nèi)部的殘余應(yīng)力,起到了抑制裂紋萌生的作用,進(jìn)而顯著提高了Fe 基非晶合金的斷裂韌性(2.2 MPa·m1/2提高至47 MPa·m1/2)[114].

圖9 Zr 基非晶合金的制備及其力學(xué)性能[113]Fig.9 Preparation and tensile testing of Zr-based metallic glass[113]

5 挑戰(zhàn)與展望

金屬增材制造技術(shù)因其獨(dú)特的制造原理,不僅能夠制備幾何復(fù)雜的構(gòu)件,而且成形過程中所形成的細(xì)小微結(jié)構(gòu)有助于材料力學(xué)性能的提升.因此,金屬增材制造技術(shù)已經(jīng)成為汽車制造、航天航空等領(lǐng)域最具潛力的先進(jìn)制造技術(shù)之一.隨著金屬增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展,其精度和速度將會(huì)不斷提升,金屬增材制造技術(shù)必將為未來制造業(yè)的發(fā)展帶來巨大的變革.目前金屬增材制造在以下幾個(gè)方面亟待開展深入系統(tǒng)的研究.

(1)擴(kuò)充可打印的合金體系.合金是現(xiàn)代工業(yè)以及生產(chǎn)生活中最重要的材料,盡管人類目前已經(jīng)開發(fā)出數(shù)千種合金材料,然而可應(yīng)用于金屬增材制造技術(shù)的可打印合金體系卻十分有限,主要包括鈦合金(Ti6Al4V)、鋁合金(AlSi10Mg)、鎳基高溫合金(In718)、不銹鋼(316L)等,而大部分合金體系或因制備的構(gòu)件中存在明顯缺陷(如孔洞、裂紋),或因制備過程中存在起翹、分層等問題而導(dǎo)致材料制備的失敗.因此,解決上述難題以擴(kuò)充可打印合金體系,將大大拓展金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用前景.

(2)量化缺陷與殘余應(yīng)力對(duì)材料性能的影響.對(duì)于金屬增材制造構(gòu)件,難免由于工藝參數(shù)的選擇不當(dāng)而在構(gòu)件內(nèi)部形成熔合不良、氣孔以及微裂紋等缺陷,這些缺陷會(huì)降低材料性能.此外,循環(huán)加熱冷卻的熱歷史過程會(huì)在材料內(nèi)部形成殘余應(yīng)力,可能導(dǎo)致材料的變形,影響構(gòu)件成形尺寸精度和力學(xué)性能.但是,目前構(gòu)件中的缺陷與殘余應(yīng)力對(duì)其使役性能的影響尚無量化標(biāo)準(zhǔn),難以判斷構(gòu)件是否滿足使役要求,這與缺陷特征的復(fù)雜性(包括缺陷的幾何形狀、無規(guī)則的空間分布等),以及殘余應(yīng)力分布的復(fù)雜性(包括殘余應(yīng)力大小、空間分布等)等原因有關(guān).目前只能通過唯象方法定性描述缺陷、殘余應(yīng)力對(duì)材料性能的影響.因此,建立耦合缺陷特征和殘余應(yīng)力的理論模型,量化缺陷、殘余應(yīng)力與材料使役性能(拉伸性能、疲勞性能、抗沖擊性能等)之間的聯(lián)系,對(duì)預(yù)測(cè)成形構(gòu)件的使用壽命,評(píng)估其是否滿足使役要求具有重要指導(dǎo)意義.

(3)發(fā)展可預(yù)測(cè)組織形貌的模擬方法.前文綜述可知,金屬增材制造技術(shù)的工藝參數(shù)繁多,不同的工藝參數(shù)對(duì)材料的組織形貌影響顯著,進(jìn)而會(huì)影響其力學(xué)性能和使役性能.目前通常根據(jù)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)以及“試錯(cuò)法”來尋找合理的可成形工藝參數(shù),如需進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù),獲得性能更為優(yōu)異的構(gòu)件,往往需要更高的“試錯(cuò)”成本,不僅造成人力物力的浪費(fèi),而且未必能夠得償所愿.因此,發(fā)展可以預(yù)測(cè)組織形貌的模擬方法(如元胞自動(dòng)機(jī)方法、相場(chǎng)法等),有助于降低實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間成本,從而加快適用于增材制造的新型合金材料的研發(fā).

(4)建立金屬增材制造數(shù)據(jù)庫與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn).實(shí)現(xiàn)“材料-參數(shù)-結(jié)構(gòu)-性能”一體化設(shè)計(jì),最大程度減小工藝研發(fā)時(shí)間,是金屬增材制造技術(shù)人員所追求的目標(biāo).盡管目前對(duì)金屬增材制造的研究越來越多,但對(duì)其工藝參數(shù)選擇、材料性能的評(píng)價(jià)體系卻無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),容易造成對(duì)同一材料無意義的重復(fù)研究工作.因此,建立金屬增材制造數(shù)據(jù)庫與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),從目標(biāo)結(jié)構(gòu)與性能出發(fā),直接由數(shù)據(jù)庫獲得所需材料、工藝參數(shù),并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制造,可大大節(jié)約研發(fā)成本,縮短研發(fā)周期,從而有利于金屬增材制造技術(shù)的推廣.

6 結(jié)束語

經(jīng)過近30 年來的發(fā)展,金屬增材制造技術(shù)已經(jīng)從最初的設(shè)計(jì)理念走向了如今的工業(yè)制造.在發(fā)展過程中所衍生出的選區(qū)激光熔化技術(shù)、激光金屬沉積技術(shù)和選區(qū)電子束熔化技術(shù),已經(jīng)逐步應(yīng)用于航天航空、交通運(yùn)輸、生物醫(yī)療等領(lǐng)域.金屬增材制造技術(shù)的逐層加工制造方法,使其具備生產(chǎn)任意復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)件的能力,同時(shí)避免了切削加工所引起的材料浪費(fèi),在提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí),降低了制造周期和生產(chǎn)成本,展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景,是現(xiàn)代制造工業(yè)的重要分支和發(fā)展方向.隨著金屬增材制造研究的不斷深入和技術(shù)的快速發(fā)展,研究人員將進(jìn)一步揭示材料缺陷形成原理,闡明工藝參數(shù)對(duì)組織形貌的影響,在成形材料方面也將不斷推陳出新,從傳統(tǒng)合金材料逐漸轉(zhuǎn)向高熵合金、非晶合金等新型材料.這些研究成果將會(huì)為今后的工業(yè)制造和材料研發(fā)提供新途徑和新思路.目前,在金屬增材制造的研究領(lǐng)域中存在一些亟待解決的問題或挑戰(zhàn): 包括如何找到有效的方法擴(kuò)充可打印的合金體系、量化缺陷與殘余應(yīng)力對(duì)材料性能的影響、發(fā)展穩(wěn)定可靠的組織形貌模擬方法以及建立金屬增材制造數(shù)據(jù)庫和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等.