《中國激光》綜述-航空航天高性能金屬材料構件激光增材制造

來源：中國激光

航空航天制造是當今世界科技強國競相發(fā)展的重點方向之一，其發(fā)展離不開兼具輕量化、難加工、高性能等特征的航空航天金屬構件。激光增材制造技術為高性能金屬構件的設計與制造開辟了新的工藝技術途徑，可解決航空航天等領域發(fā)展過程中對材料、結(jié)構、工藝、性能及應用等提出的新挑戰(zhàn)。近年來國內(nèi)外在激光增材制造的新材料制備、新結(jié)構設計、高性能/多功能構件形性調(diào)控、航空航天應用等方面取得了顯著的研究進展。

南京航空航天大學材料科學與技術學院、《中國激光》編委顧冬冬教授，受邀撰寫《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，并作為封面論文發(fā)表。

論文系統(tǒng)論述了航空航天領域3類典型應用材料、4類典型結(jié)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(jié)構-工藝-性能一體化方向進行了總結(jié)和展望。

航空航天高性能制造,新型高性能材料
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。
金屬激光增材制造過程中易出現(xiàn)孔隙、裂紋、氧化夾雜、熔體球化與飛濺等一系列冶金缺陷，這是由材料的物理和化學特性本質(zhì)決定的。缺陷會顯著降低激光增材制造構件成形性能。

以鋁合金為例，其特殊性質(zhì)（低密度、低激光吸收率、高熱導率及易氧化性等）決定了其是激光增材制造的典型難加工材料。很多高性能合金較難通過激光增材制造工藝獲得預期的高性能，主要是因材料的成分物性等參數(shù)并非專門為激光增材制造而設計，難以適用于激光快速熔化凝固過程及高度非平衡冶金熱力學和動力學行為。

專用面向激光增材制造的Al-Mg-Sc-Zr合金可原位生成Al3(Sc,Zr)納米彌散強化相，成形件抗拉強度高于500 MPa，延伸率超過10%。新型研發(fā)的激光增材制造Ti-Cu合金可獲得細小等軸β-Ti晶粒，并具有很高的化學成分均勻性，成形件兼具高抗拉強度（867±8 MPa）和延伸率（14.9±1.9%），如圖1所示。對于激光增材制造高性能合金材料，全新的成分、物性、相變的設計及調(diào)控尤為重要，是提升增材制造構件力學性能及應用發(fā)展水平的物質(zhì)基礎與保障。

▲圖1 激光增材制造TC4合金與Ti-8.5Cu合金顯微組織對比：（a）TC4合金呈粗大柱狀晶組織；（b）Ti-8.5Cu合金呈細小完全等軸晶組織

“多相材料可設計性”、工藝“高可控性”

納米復合、原位增強及梯度界面設計是提升傳統(tǒng)金屬激光增材制造強韌化的有效途徑。

制備陶瓷增強金屬基復合材料是傳統(tǒng)金屬強韌化的重要途徑之一。激光增材制造金屬基復合材料，在選材上突出“多相材料可設計性”，在增材制造工藝上強調(diào)“高可控性”，在使用成效上則凸顯“高性能/多功能”，這是增材制造技術的重要發(fā)展方向。多相納米陶瓷復合、原位增強及梯度界面設計，可有效改善陶瓷/金屬界面潤濕性及結(jié)合性，抑制界面微觀孔隙及裂紋，提升成形件力學性能。

如圖2所示，顧冬冬教授團隊發(fā)現(xiàn)了高能激光特有的加熱方式、能量特點及冶金機制可使納米/原位陶瓷增強相具有新穎的微觀生長及分布結(jié)構，揭示了激光高度非平衡熔池內(nèi)的溫度場、速度場、溶質(zhì)場等冶金熱力學和動力學行為對納米/原位陶瓷增強相形成、晶體生長和空間分布、陶瓷/金屬梯度界面形成與演化的作用規(guī)律，分析了納米/原位陶瓷增強相作用下基體金屬的等軸晶化及晶粒細化機制，提出了基于增強相、基體相及梯度界面的顯微組織調(diào)控使激光成形件強度和韌性協(xié)同提升的原理及方法。

▲圖2 激光增材制造Al基納米/原位復合材料顯微組織調(diào)控：（a）環(huán)狀TiC納米增強相；（b）條帶狀Al4SiC4原位增強相；（c）TiB2增強作用下Al基體細化的等軸晶組織。

調(diào)控及優(yōu)化激光增材制造工藝
激光增材制造工藝調(diào)控及技術創(chuàng)新是金屬構件顯微組織改善及性能提升的根本手段。

激光增材制造的工藝參數(shù)、掃描策略、成形方向、成形件布局方式等可顯著影響構件的成形質(zhì)量、顯微組織及力學性能。通過調(diào)控激光線能量密度（λ，λ=P/v）和激光體能量密度（ε，ε=P/vhd）（式中P為激光功率，v為掃描速率，h為沉積線間距，d為沉積層厚度），可有效調(diào)控線成形質(zhì)量和體成形質(zhì)量，為金屬構件激光增材制造的精確化、穩(wěn)定化控制提供關鍵工藝參數(shù)指標。

顧冬冬教授團隊明晰了粉體與激光作用、粉體熔化行為、熔池形成與演化規(guī)律、熔體快速凝固行為等全過程跨尺度物理冶金機制，構建了激光增材制造工藝調(diào)控及優(yōu)化方法，實現(xiàn)了激光成形件內(nèi)部顯微組織、冶金缺陷、殘余應力及成形性能“由線及體”立體控制。

另一方面，激光增材制造工藝的創(chuàng)新（如將激光增材制造與超聲振動、電磁場等多能場復合），可顯著改善顯微組織（如將柱狀晶完全轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉容S晶）及力學性能，且對不同金屬材料具有普適性，如圖3所示。

▲圖3 超聲復合激光增材制造TC4合金顯微組織調(diào)控：（a）激光熔化沉積復合高頻超聲振動工藝；（b）常規(guī)激光熔化沉積TC4合金的粗大柱狀晶；（c）超聲復合激光增材制造TC4合金的細小等軸晶。

獨特的結(jié)構實現(xiàn)獨特的功能
創(chuàng)新結(jié)構設計及形性一體化調(diào)控是發(fā)揮增材制造潛能、實現(xiàn)性能/功能躍升的重要途徑。

服役于航空、航天、船舶、核電等現(xiàn)代工業(yè)的金屬構件正朝著復雜化、一體化、高性能、多功能方向發(fā)展。創(chuàng)新結(jié)構設計為增材制造構件的性能突破和功能躍升創(chuàng)造了條件。增材制造的高柔性為結(jié)構成形提供了保障。兩者相輔相成、相得益彰。

對于大型金屬構件，基于送粉方式的激光熔化沉積（LMD）技術可有效滿足大型金屬構件的成形要求，并實現(xiàn)了Ti合金、Ni基高溫合金、高強鋼、難熔合金等難加工金屬材料大型關鍵構件的激光增材制造及工業(yè)應用。這主要得益于以凝固晶粒、內(nèi)部缺陷及顯微組織為核心的冶金質(zhì)量和性能的控制，以及激光成形件熱應力、變形開裂及結(jié)構缺陷控制等理論及技術的進步。同時，近年來多激光器、多振鏡協(xié)同的粉床型選區(qū)激光熔化SLM裝備及技術的發(fā)展，也為結(jié)構復雜的大型整體金屬構件的成形開辟了新途徑。

而復雜整體構件、輕量化點陣構件，往往內(nèi)含復雜內(nèi)流道、多孔點陣等極端難加工結(jié)構，選區(qū)激光熔化（SLM）高精度增材制造技術可實現(xiàn)這些復雜結(jié)構的設計與制造。航空航天領域采用SLM技術成形、并獲得工程應用的典型構件包括火箭推進器耐高溫部件、發(fā)動機燃油噴嘴、燃燒室導流襯套、商業(yè)飛機機艙隔板等。創(chuàng)新結(jié)構設計與增材制造技術的融合，為航空航天等領域輕量化金屬構件的高性能/多功能化及綠色可持續(xù)制造帶來新契機。

增材制造構件的多功能化發(fā)展進程中，結(jié)構設計將更加突出生物仿生、生物靈感，通過道法自然，主動實現(xiàn)預期功能。創(chuàng)新發(fā)展仿生結(jié)構及多材料布局，實現(xiàn)仿生結(jié)構激光整體增材制造及多功能化，完成結(jié)構、材料、工藝、功能等多因素耦合及一體化調(diào)控。其中關鍵科學難題包括：仿生微結(jié)構與構件典型功能的映射關系及優(yōu)化模型；仿生設計的跨尺度結(jié)構激光增材制造工藝約束性及成形機制；激光增材制造仿生結(jié)構的多功能一體化評價方法及響應機制等，如圖4所示。

▲圖4 激光增材制造輕量化抗沖擊仿生功能結(jié)構：（a）皮皮蝦尾節(jié)宏觀形貌；（b）仿生雙向波紋板抗沖擊結(jié)構SLM加工；（c）仿生雙向波紋板結(jié)構高度和波長參數(shù)對沖擊力效率的影響。

激光增材制造技術未來的研究與發(fā)展趨勢
激光增材制造技術的科學內(nèi)涵決定了其發(fā)展趨勢是實現(xiàn)微觀-介觀-宏觀跨尺度的材料-結(jié)構-工藝-性能/功能一體化。激光增材制造技術未來的研究與發(fā)展趨勢中，下列方向值得進一步關注：

（1）以高性能/多功能為驅(qū)動的激光增材制造材料-結(jié)構-工藝一體化，主動實現(xiàn)構件的高性能和多功能；
（2）激光增材制造的“多相材料”和“多材料”設計、制備與成形，以實現(xiàn)將“合適的材料添加到合適的位置”；
（3）激光增材制造創(chuàng)新結(jié)構設計實現(xiàn)構件高性能化和多功能化，以凸顯“獨特的結(jié)構實現(xiàn)獨特的功能”；
（4）構建面向全尺寸構件和全工藝流程的激光增材制造工藝仿真、監(jiān)測、反饋及工藝優(yōu)化關鍵技術與方法，全面提升激光增材制造工藝技術水平、質(zhì)量以及工業(yè)應用水平。