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，种类涵盖到钦合金、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。

 

    0引言

 

    增材制造技术，顾名思义，是指运用离散-f住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。
 

 

            图1 增材制造的工艺流程
 

Fig.1 Technical scheme of additive manufacturing

 

    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，关国联合技术研究中心(UTC)与桑地亚国家实验室(Sandia National Laboratories)合作开发了激光工程化近成形制造技术((Laser engineered net sha-ping， LENS)，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(E-lectric beam melting， EBM)发展出金属材料“自由成形技术”(Free form fabrication， FFF)，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(Laser solid forming， I_SF)，获得了形状较为复杂的金属零部件。随后，关国工二、Alamo、国家实验室开发了直接光学制造(Directed light fabrication， DI_F)的金属零件快速成型;关国Stanford University和Carnegie Mellon Uni-verisity合作开发了形状沉积制造技术(Shape  depositionmanufacturing， SDM) ;关国密西根大学研究开发了直接金属沉积技术(Direct metal depositon， DMD);德国弗朗和夫研究所(Fraunhofer)开发了控制金属堆积技术(Controlledmetal depositon， CMD);英国Birmingham大学的吴鑫华教授提出了受控激光制造技术(Direct laser fabrication)等。如今，在国内以金属激光熔覆(Laser cladding，LC)、金属材料选区激光熔化(Selective laser melting， SLM)或烧结(Se-lective laser sintering， SLS)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。
 

 

          图2 SLS技术路线
 

Fig.2 Technical route of SLS technique

  

    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，随后通过液相浸润屏，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3D system公司的RapidSteel和(opperPolyamide材料系列和E()S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，Kruth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钦合金

    

    钦合金具有比强度高、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。钦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。关国AeroMet公司是史上第一家运用激光快速成形技术实现钦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钦合金，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关国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钦合金试样。在国外，关国材料与试验协会已出台标准ASTM-F2924-14 " Standard Specification for Additive Manufacturing Titanium-6 Alumi-num-4 Vanadium with Powder Bed Fusion'，针对TC4钦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钦合金的工艺技术相当成熟，已全而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-6A1-2Zr-1Mo-1V(TA15)合金属于高Al当量的近。型钦合金，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钦合金材料，也已实现在飞机上的装机应用。激光快速成形TA15钦合金的各项性能(包括铣削、镬削、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’2。

    

    Tr6Al-3. 5Mo-1. 8Zr-0. 3Si(TCll)合金主要用于飞机叶片，属于。+R两相合金，合金中加入少量sa增强抗蠕变性能。201。年，贵州黎阳航天动力有限公司与北航一同开展了“大型钦合金整体叶盘激光快速成形技术研究”项口，完成了《TC11钦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. 5 Mn( TC2)合金属于中强钦合金，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TC：2钦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888 kJ/m2。

    

    Ti-6Al-2. 5 Mo-2Cr-0. 5 Fe-0. 3Si( TC6 )是一种密度低、强度高、耐腐蚀的两相钦合金。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钦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钦合金，沉积态和退火态构件均能达到锻件标准。

    

    Ti5. 5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0. 3Si-1Nd(Ti60)和Ti-6 Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0， lY(Ti600)合金是600 0C高温钦合金主要研究对象，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 0C，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. 8A1-4. OSn-3. 5Zr-0. 4Mo-0. 4Si-0. 4N1r0. 4Ta(Ti60A)钦合金;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屏，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Ti60和Ti60A则表现出柱状屏，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Ti600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Ti6A14V。此外，M. Spiers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. Hernandez等用EBM法制备出R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钦合金的激光成形，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而临的挑战。

 

    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、疲劳性能等多方而提出了更高的要求，这种J清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)合金中含有妮和钥等元素，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 69。和Inconel 713等材料也被用于激光熔覆技术成形研究中。

    

    Rene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 Fujita等在单晶基材CMSX-4上熔覆Rene 142高温合金;Texa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Rene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316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。在马氏体不锈钢方而，有研究报道激光熔覆42。不锈钢件的耐蚀性比常规锻造42。不锈钢件提高3000，而现在市场上以2Cr13和17-4PH两种材料为主，德国的E()S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;300M、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SLM工艺顺利成形M2模具钢和316I不锈钢，对比分析了粉末熔化过程中的影响因素。此外，P20，18Ni30。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AlSi12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AISilOMg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， AlMg4. 5Mn4和606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，钻或镍等作粘结金属，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。

    

    钻铬合金是钻基合金中的一种，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CoCrW和CoCrM。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。

 

    5、结语

    

    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而做了工作，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。