南航頂刊：航空航天高性能金屬構件激光增材制造的3類典型材料及應用挑戰
時間：2024-05-30 08:42 來源：兩機動力先行 作者：admin 閱讀：次
航空航天是當今世界科技強國競相發展的重點方向之一，其發展離不開兼具輕量化、難加工、高性能等特征的金屬構件。激光增材制造為高性能金屬構件的設計與制造開辟了新的工藝途徑，可解決航空航天等領域發展過程中對材料、結構、工藝、性能及應用等提出的新挑戰。
南京航空航天大學材料科學與技術學院顧冬冬教授發表的《航空航天高性能金屬材料構件激光增材制造》長篇綜述論文，系統論述了航空航天領域3類典型應用材料和4類典型結構的激光增材制造及航空航天應用進展，并對激光增材制造技術在材料-結構-工藝-性能一體化方向進行了總結和展望。
本篇只介紹航空航天增材制造的3類典型應用材料（即鋁、鈦、鎳基合金及其金屬基復合材料），后續將介紹4類典型結構（大型金屬結構、復雜整體結構、輕量化點陣結構、多功能仿生結構等）。
激光增材制造鋁合金及鋁基復合材料
鋁合金及鋁基復合材料對于激光增材制造是典型的難加工材料，這是由其特殊的物理性質(低密度、低激光吸收率、高熱導率及易氧化等)決定的。從增材制造工藝角度看，鋁合金的密度較小，粉體流動性相對較差，在SLM成形粉床上鋪放的均勻性較差或在LMD過程中粉末輸運的連續性較差，故對激光增材制造裝備中鋪粉/送粉系統的精度及準確性要求較高。
相對于鈦基、鎳基等對SLM和LMD兩種工藝表現出的廣泛適用性，鋁基材料激光增材制造的研究工作及應用驗證較多集中在SLM工藝上。目前基于SLM成形的鋁合金及鋁基復合材料達10余種，且多為Al-Si系，此類合金因其鑄造鋁合金的材料本質，即便采用優化工藝制備，抗拉強度也很難突破400MPa，從而限制了其在具有較高服役性能要求的航空航天承力構件上的使用。
為獲得更高的力學性能，近年來Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn等體系也被用作SLM成形材料，但這類鋁合金中較高的合金元素含量和較寬的冷卻凝固溫度范圍，使得沉淀強化合金在激光增材制造過程中易形成裂紋甚至發生開裂；且相對于鋁元素，鎂和鋰等元素更易在高能激光的高溫作用下發生氣化蒸發，從而影響成形件的成分穩定性及力學性能。因此，對于激光增材制造高強鋁合金而言，成分、物性參數、相變的設計及調控尤為重要。近年來，人們設計了專門面向激光增材制造的稀土元素鈧改性增強的Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，經增材制造并輔以適當的熱處理工藝，其綜合力學性能可顯著提升（抗拉強度高于500MPa，延伸率超過10％）。
制備鋁基復合材料是鋁合金強韌化的重要途徑。鋁基復合材料兼具輕合金與陶瓷、纖維等增強體的優良特性，具有高的比強度、比模量及體積穩定性，并具有耐高溫、抗磨損及抗氧化等優異的性能以及材料可設計性。激光增材制造鋁基復合材料在選材上突出“多相材料可設計性”，在增材制造工藝上強調“高可控性”，在使用成效上則凸顯“高性能/多功能”，這也代表了增材制造技術的重要發展方向。納米陶瓷增強和原位陶瓷增強可有效改善陶瓷/金屬界面的潤濕性及結合性，抑制界面上的微觀孔隙及裂紋，提升激光成形件的力學性能。關注公眾號: 兩機動力先行，免費獲取海量兩機資料，聚焦兩機關鍵技術！
激光增材制造鈦合金及鈦基復合材料
鈦基材料因具有優異的比強度、耐蝕性和生物相容性而被廣泛應用于航空航天、生物醫療、食品化工等領域，是增材制造領域經常采用的材料。目前激光增材制造鈦基合金的挑戰在于:
1 )激光增材制造成形完全致密的復雜結構鈦基構件尚存在難度，成形過程中構件易產生氣孔、裂紋及表面球化等加工缺陷，這些加工缺陷往往會成為絕熱剪切帶和裂紋萌生源，降低成形件的力學性能和服役性能。
2 )激光增材制造過程中極大的冷卻速度和溫度梯度將誘發馬氏體相變，使構件內部產生較大的殘余應力；隨著加工層數增加，殘余應力逐漸增大，從而導致熱裂紋形成，并且成形件易發生翹曲，這種加工缺陷積累至一定程度時會導致成形件發生開裂，并嚴重降低零件的塑性和韌性。
3 )在激光加工過程中，熱流主要沿著平行于增材制造的方向傳導，易形成粗大的柱狀晶組織，從而導致構件的顯微組織和力學性能具有很強的各向異性。
鈦基材料對SLM和LMD兩類激光增材制造工藝均表現出了較強的適用性。目前用于激光增材制造的鈦合金主要集中在工業純鈦(CP-Ti)及TC4等傳統鈦基材料上。激光增材制造構件的顯微組織調控是其力學性能提升的基礎，組織演變又受控于工藝，故高性能構件激光增材制造需要建立材料-組織-工藝-性能的一體化調控理論及方法。關注公眾號: 增材制造碩博聯盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應用！
由于激光增材制造過程中熔池的冷卻速度較快，且沿著增材制造方向具有較大的溫度梯度，故而鈦合金的凝固組織往往呈柱狀晶結構，導致了成形件力學性能的各向異性。為改善鈦合金激光增材制造過程中產生的各向異性，提高力學性能，可從材料設計（如合金化）和工藝優化（如施加復合能場）兩方面加以改進。
除了合金化的思路來研發激光增材制造新型鈦合金外，制備陶瓷增強鈦基復合材料也是提升鈦基構件力學性能的重要手段。鈦具有很強的化學活性，激光增材制造過程中鈦組元易與其他組元發生原位化學反應，顯著增大了激光成形材料物相和組織的調控難度，故對于鈦基復合材料陶瓷增強相的選擇上需慎重。
激光增材制造鎳基高溫合金及其復合材料
鎳基高溫合金自身含有較多的合金元素，其在激光增材制造過程中普遍存在裂紋敏感性強、元素偏析嚴重、顯微組織各向異性顯著、力學性能可控性差等問題。一方面，鎳基合金中親氧能力較強的鉻、鋁元素易在高溫作用下與成形氣氛中的氧元素發生作用，形成微細氧化物夾渣，然其與基體界面間的潤濕性較差，從而導致裂紋產生并降低力學性能；另一方面，碳、鈮、鉬等元素易在晶界聚集，顯著增加低熔點共晶相的含量，加劇了熱影響區熱裂紋的形成。此外，各類晶界析出物會消耗鎳基體中的強化相形成元素，顯著降低激光增材制造鎳基構件的力學性能。
當前，鎳基高溫合金激光增材制造主要集中在Inconel系列合金上，其中沉淀強化型Inconel718和固溶強化型Inconel625的可焊接性強，亦適用于基于粉末熔化/凝固冶金過程的激光增材制造工藝。激光增材制造鎳基高溫合金的顯微組織調控主要是通過優化工藝參數進而改變熔池的溫度梯度、凝固速度和冷卻速率來實現的，然后結合后續的熱處理工藝來實現晶粒形狀、尺寸以及析出相形態、含量及分布的調控。此外，采用優化的激光掃描策略也可改變晶粒的生長織構，獲得高強韌鎳基合金材料。
熱處理可實現激光增材制造鎳基高溫合金的強化，但會在一定程度上犧牲材料的韌性；同時，后處理需要合理調控加熱溫度、保溫時間、冷卻介質及熱等靜壓的壓力等參數，成本較高，工藝較復雜，缺陷形成概率也較大。基于高溫高壓處理的熱等靜壓(HIP)技術可以消除激光增材制造鎳基高溫合金構件中的殘余孔隙，抑制裂紋萌生及擴展，進而提高成形件的力學性能。
制備陶瓷增強鎳基復合材料是鎳基高溫合金力學性能提升的另一個重要途徑，可使復合材料在韌性不降低的前提下具有更高的比強度、比剛度及耐熱性。
總結
總的來說，以鋁、鈦合金為代表的輕質高強合金，以及以Ni基高溫合金為代表的承載耐熱合金，是各國新材料研發計劃中重點發展的材料之一，也是激光增材制造中重要的應用材料。關于增材制造材料研發的特點可以歸納為三點：
研制新型高性能材料是激光增材制造構件力學性能及應用水平提升的基礎保障。
納米復合、原位增強及梯度界面設計是提升傳統金屬激光增材制造強韌化的有效途徑。
激光增材制造工藝調控及技術創新是金屬構件顯微組織改善及性能提升的根本手段。
南京航空航天大學材料科學與技術學院顧冬冬教授發表的《航空航天高性能金屬材料構件激光增材制造》長篇綜述論文，系統論述了航空航天領域3類典型應用材料和4類典型結構的激光增材制造及航空航天應用進展，并對激光增材制造技術在材料-結構-工藝-性能一體化方向進行了總結和展望。
本篇只介紹航空航天增材制造的3類典型應用材料（即鋁、鈦、鎳基合金及其金屬基復合材料），后續將介紹4類典型結構（大型金屬結構、復雜整體結構、輕量化點陣結構、多功能仿生結構等）。
激光增材制造鋁合金及鋁基復合材料
鋁合金及鋁基復合材料對于激光增材制造是典型的難加工材料，這是由其特殊的物理性質(低密度、低激光吸收率、高熱導率及易氧化等)決定的。從增材制造工藝角度看，鋁合金的密度較小，粉體流動性相對較差，在SLM成形粉床上鋪放的均勻性較差或在LMD過程中粉末輸運的連續性較差，故對激光增材制造裝備中鋪粉/送粉系統的精度及準確性要求較高。
相對于鈦基、鎳基等對SLM和LMD兩種工藝表現出的廣泛適用性，鋁基材料激光增材制造的研究工作及應用驗證較多集中在SLM工藝上。目前基于SLM成形的鋁合金及鋁基復合材料達10余種，且多為Al-Si系，此類合金因其鑄造鋁合金的材料本質，即便采用優化工藝制備，抗拉強度也很難突破400MPa，從而限制了其在具有較高服役性能要求的航空航天承力構件上的使用。
△激光增材制造鋁合金及其復合材料的力學性能
為獲得更高的力學性能，近年來Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn等體系也被用作SLM成形材料，但這類鋁合金中較高的合金元素含量和較寬的冷卻凝固溫度范圍，使得沉淀強化合金在激光增材制造過程中易形成裂紋甚至發生開裂；且相對于鋁元素，鎂和鋰等元素更易在高能激光的高溫作用下發生氣化蒸發，從而影響成形件的成分穩定性及力學性能。因此，對于激光增材制造高強鋁合金而言，成分、物性參數、相變的設計及調控尤為重要。近年來，人們設計了專門面向激光增材制造的稀土元素鈧改性增強的Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，經增材制造并輔以適當的熱處理工藝，其綜合力學性能可顯著提升（抗拉強度高于500MPa，延伸率超過10％）。
制備鋁基復合材料是鋁合金強韌化的重要途徑。鋁基復合材料兼具輕合金與陶瓷、纖維等增強體的優良特性，具有高的比強度、比模量及體積穩定性，并具有耐高溫、抗磨損及抗氧化等優異的性能以及材料可設計性。激光增材制造鋁基復合材料在選材上突出“多相材料可設計性”，在增材制造工藝上強調“高可控性”，在使用成效上則凸顯“高性能/多功能”，這也代表了增材制造技術的重要發展方向。納米陶瓷增強和原位陶瓷增強可有效改善陶瓷/金屬界面的潤濕性及結合性，抑制界面上的微觀孔隙及裂紋，提升激光成形件的力學性能。關注公眾號: 兩機動力先行，免費獲取海量兩機資料，聚焦兩機關鍵技術！
激光增材制造鈦合金及鈦基復合材料
鈦基材料因具有優異的比強度、耐蝕性和生物相容性而被廣泛應用于航空航天、生物醫療、食品化工等領域，是增材制造領域經常采用的材料。目前激光增材制造鈦基合金的挑戰在于:
1 )激光增材制造成形完全致密的復雜結構鈦基構件尚存在難度，成形過程中構件易產生氣孔、裂紋及表面球化等加工缺陷，這些加工缺陷往往會成為絕熱剪切帶和裂紋萌生源，降低成形件的力學性能和服役性能。
2 )激光增材制造過程中極大的冷卻速度和溫度梯度將誘發馬氏體相變，使構件內部產生較大的殘余應力；隨著加工層數增加，殘余應力逐漸增大，從而導致熱裂紋形成，并且成形件易發生翹曲，這種加工缺陷積累至一定程度時會導致成形件發生開裂，并嚴重降低零件的塑性和韌性。
3 )在激光加工過程中，熱流主要沿著平行于增材制造的方向傳導，易形成粗大的柱狀晶組織，從而導致構件的顯微組織和力學性能具有很強的各向異性。
△激光增材制造鈦及鈦合金的力學性能
鈦基材料對SLM和LMD兩類激光增材制造工藝均表現出了較強的適用性。目前用于激光增材制造的鈦合金主要集中在工業純鈦(CP-Ti)及TC4等傳統鈦基材料上。激光增材制造構件的顯微組織調控是其力學性能提升的基礎，組織演變又受控于工藝，故高性能構件激光增材制造需要建立材料-組織-工藝-性能的一體化調控理論及方法。關注公眾號: 增材制造碩博聯盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應用！
由于激光增材制造過程中熔池的冷卻速度較快，且沿著增材制造方向具有較大的溫度梯度，故而鈦合金的凝固組織往往呈柱狀晶結構，導致了成形件力學性能的各向異性。為改善鈦合金激光增材制造過程中產生的各向異性，提高力學性能，可從材料設計（如合金化）和工藝優化（如施加復合能場）兩方面加以改進。
除了合金化的思路來研發激光增材制造新型鈦合金外，制備陶瓷增強鈦基復合材料也是提升鈦基構件力學性能的重要手段。鈦具有很強的化學活性，激光增材制造過程中鈦組元易與其他組元發生原位化學反應，顯著增大了激光成形材料物相和組織的調控難度，故對于鈦基復合材料陶瓷增強相的選擇上需慎重。
激光增材制造鎳基高溫合金及其復合材料
鎳基高溫合金自身含有較多的合金元素，其在激光增材制造過程中普遍存在裂紋敏感性強、元素偏析嚴重、顯微組織各向異性顯著、力學性能可控性差等問題。一方面，鎳基合金中親氧能力較強的鉻、鋁元素易在高溫作用下與成形氣氛中的氧元素發生作用，形成微細氧化物夾渣，然其與基體界面間的潤濕性較差，從而導致裂紋產生并降低力學性能；另一方面，碳、鈮、鉬等元素易在晶界聚集，顯著增加低熔點共晶相的含量，加劇了熱影響區熱裂紋的形成。此外，各類晶界析出物會消耗鎳基體中的強化相形成元素，顯著降低激光增材制造鎳基構件的力學性能。
當前，鎳基高溫合金激光增材制造主要集中在Inconel系列合金上，其中沉淀強化型Inconel718和固溶強化型Inconel625的可焊接性強，亦適用于基于粉末熔化/凝固冶金過程的激光增材制造工藝。激光增材制造鎳基高溫合金的顯微組織調控主要是通過優化工藝參數進而改變熔池的溫度梯度、凝固速度和冷卻速率來實現的，然后結合后續的熱處理工藝來實現晶粒形狀、尺寸以及析出相形態、含量及分布的調控。此外，采用優化的激光掃描策略也可改變晶粒的生長織構，獲得高強韌鎳基合金材料。
△激光增材制造鎳基高溫合金及其復合材料的力學性能
熱處理可實現激光增材制造鎳基高溫合金的強化，但會在一定程度上犧牲材料的韌性；同時，后處理需要合理調控加熱溫度、保溫時間、冷卻介質及熱等靜壓的壓力等參數，成本較高，工藝較復雜，缺陷形成概率也較大。基于高溫高壓處理的熱等靜壓(HIP)技術可以消除激光增材制造鎳基高溫合金構件中的殘余孔隙，抑制裂紋萌生及擴展，進而提高成形件的力學性能。
制備陶瓷增強鎳基復合材料是鎳基高溫合金力學性能提升的另一個重要途徑，可使復合材料在韌性不降低的前提下具有更高的比強度、比剛度及耐熱性。
總結
總的來說，以鋁、鈦合金為代表的輕質高強合金，以及以Ni基高溫合金為代表的承載耐熱合金，是各國新材料研發計劃中重點發展的材料之一，也是激光增材制造中重要的應用材料。關于增材制造材料研發的特點可以歸納為三點：
研制新型高性能材料是激光增材制造構件力學性能及應用水平提升的基礎保障。
納米復合、原位增強及梯度界面設計是提升傳統金屬激光增材制造強韌化的有效途徑。
激光增材制造工藝調控及技術創新是金屬構件顯微組織改善及性能提升的根本手段。
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