航空航天高性能金屬材料構(gòu)件激光增材制造的3類典型材料及應(yīng)用挑戰(zhàn)
航空航天是當(dāng)今世界科技強(qiáng)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、高性能等特征的金屬構(gòu)件。激光增材制造為高性能金屬構(gòu)件的設(shè)計與制造開辟了新的工藝途徑，可解決航空航天等領(lǐng)域發(fā)展過程中對材料、結(jié)構(gòu)、工藝、性能及應(yīng)用等提出的新挑戰(zhàn)。
南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院顧冬冬教授發(fā)表的《航空航天高性能金屬材料構(gòu)件激光增材制造》長篇綜述論文，系統(tǒng)論述了航空航天領(lǐng)域3類典型應(yīng)用材料和4類典型結(jié)構(gòu)的激光增材制造及航空航天應(yīng)用進(jìn)展，并對激光增材制造技術(shù)在材料-結(jié)構(gòu)-工藝-性能一體化方向進(jìn)行了總結(jié)和展望。
本篇只介紹航空航天增材制造的3類典型應(yīng)用材料（即鋁、鈦、鎳基合金及其金屬基復(fù)合材料），后續(xù)將介紹4類典型結(jié)構(gòu)（大型金屬結(jié)構(gòu)、復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)、輕量化點陣結(jié)構(gòu)、多功能仿生結(jié)構(gòu)等）。
激光增材制造鋁合金及鋁基復(fù)合材料
鋁合金及鋁基復(fù)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(zhì)(低密度、低激光吸收率、高熱導(dǎo)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(yùn)的連續(xù)性較差，故對激光增材制造裝備中鋪粉/送粉系統(tǒng)的精度及準(zhǔn)確性要求較高。
相對于鈦基、鎳基等對SLM和LMD兩種工藝表現(xiàn)出的廣泛適用性，鋁基材料激光增材制造的研究工作及應(yīng)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(fù)合材料達(dá)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(zhì)，即便采用優(yōu)化工藝制備，抗拉強(qiáng)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(gòu)件上的使用。
△激光增材制造鋁合金及其復(fù)合材料的力學(xué)性能
為獲得更高的力學(xué)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(qiáng)化合金在激光增材制造過程中易形成裂紋甚至發(fā)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(fā)生氣化蒸發(fā)，從而影響成形件的成分穩(wěn)定性及力學(xué)性能。因此，對于激光增材制造高強(qiáng)鋁合金而言，成分、物性參數(shù)、相變的設(shè)計及調(diào)控尤為重要。近年來，人們設(shè)計了專門面向激光增材制造的稀土元素鈧改性增強(qiáng)的Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，經(jīng)增材制造并輔以適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，其綜合力學(xué)性能可顯著提升（抗拉強(qiáng)度高于500MPa，延伸率超過10％）。制備鋁基復(fù)合材料是鋁合金強(qiáng)韌化的重要途徑。鋁基復(fù)合材料兼具輕合金與陶瓷、纖維等增強(qiáng)體的優(yōu)良特性，具有高的比強(qiáng)度、比模量及體積穩(wěn)定性，并具有耐高溫、抗磨損及抗氧化等優(yōu)異的性能以及材料可設(shè)計性。激光增材制造鋁基復(fù)合材料在選材上突出“多相材料可設(shè)計性”，在增材制造工藝上強(qiáng)調(diào)“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(shù)的重要發(fā)展方向。納米陶瓷增強(qiáng)和原位陶瓷增強(qiáng)可有效改善陶瓷/金屬界面的潤濕性及結(jié)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(xué)性能。關(guān)注公眾號: 兩機(jī)動力先行，免費獲取海量兩機(jī)資料，聚焦兩機(jī)關(guān)鍵技術(shù)！
激光增材制造鈦合金及鈦基復(fù)合材料
鈦基材料因具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、耐蝕性和生物相容性而被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、食品化工等領(lǐng)域，是增材制造領(lǐng)域經(jīng)常采用的材料。目前激光增材制造鈦基合金的挑戰(zhàn)在于:
1 )激光增材制造成形完全致密的復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦基構(gòu)件尚存在難度，成形過程中構(gòu)件易產(chǎn)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(xué)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(fā)馬氏體相變，使構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力；隨著加工層數(shù)增加，殘余應(yīng)力逐漸增大，從而導(dǎo)致熱裂紋形成，并且成形件易發(fā)生翹曲，這種加工缺陷積累至一定程度時會導(dǎo)致成形件發(fā)生開裂，并嚴(yán)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(dǎo)，易形成粗大的柱狀晶組織，從而導(dǎo)致構(gòu)件的顯微組織和力學(xué)性能具有很強(qiáng)的各向異性。
△激光增材制造鈦及鈦合金的力學(xué)性能
鈦基材料對SLM和LMD兩類激光增材制造工藝均表現(xiàn)出了較強(qiáng)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(yè)純鈦(CP-Ti)及TC4等傳統(tǒng)鈦基材料上。激光增材制造構(gòu)件的顯微組織調(diào)控是其力學(xué)性能提升的基礎(chǔ)，組織演變又受控于工藝，故高性能構(gòu)件激光增材制造需要建立材料-組織-工藝-性能的一體化調(diào)控理論及方法。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)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(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了成形件力學(xué)性能的各向異性。為改善鈦合金激光增材制造過程中產(chǎn)生的各向異性，提高力學(xué)性能，可從材料設(shè)計（如合金化）和工藝優(yōu)化（如施加復(fù)合能場）兩方面加以改進(jìn)。
除了合金化的思路來研發(fā)激光增材制造新型鈦合金外，制備陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料也是提升鈦基構(gòu)件力學(xué)性能的重要手段。鈦具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，激光增材制造過程中鈦組元易與其他組元發(fā)生原位化學(xué)反應(yīng)，顯著增大了激光成形材料物相和組織的調(diào)控難度，故對于鈦基復(fù)合材料陶瓷增強(qiáng)相的選擇上需慎重。
激光增材制造鎳基高溫合金及其復(fù)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(qiáng)、元素偏析嚴(yán)重、顯微組織各向異性顯著、力學(xué)性能可控性差等問題。一方面，鎳基合金中親氧能力較強(qiáng)的鉻、鋁元素易在高溫作用下與成形氣氛中的氧元素發(fā)生作用，形成微細(xì)氧化物夾渣，然其與基體界面間的潤濕性較差，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生并降低力學(xué)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(qū)熱裂紋的形成。此外，各類晶界析出物會消耗鎳基體中的強(qiáng)化相形成元素，顯著降低激光增材制造鎳基構(gòu)件的力學(xué)性能。
當(dāng)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(qiáng)化型Inconel718和固溶強(qiáng)化型Inconel625的可焊接性強(qiáng)，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(diào)控主要是通過優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)而改變?nèi)鄢氐臏囟忍荻取⒛趟俣群屠鋮s速率來實現(xiàn)的，然后結(jié)合后續(xù)的熱處理工藝來實現(xiàn)晶粒形狀、尺寸以及析出相形態(tài)、含量及分布的調(diào)控。此外，采用優(yōu)化的激光掃描策略也可改變晶粒的生長織構(gòu)，獲得高強(qiáng)韌鎳基合金材料。
△激光增材制造鎳基高溫合金及其復(fù)合材料的力學(xué)性能
熱處理可實現(xiàn)激光增材制造鎳基高溫合金的強(qiáng)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(diào)控加熱溫度、保溫時間、冷卻介質(zhì)及熱等靜壓的壓力等參數(shù)，成本較高，工藝較復(fù)雜，缺陷形成概率也較大?；诟邷馗邏禾幚淼臒岬褥o壓(HIP)技術(shù)可以消除激光增材制造鎳基高溫合金構(gòu)件中的殘余孔隙，抑制裂紋萌生及擴(kuò)展，進(jìn)而提高成形件的力學(xué)性能。
制備陶瓷增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料是鎳基高溫合金力學(xué)性能提升的另一個重要途徑，可使復(fù)合材料在韌性不降低的前提下具有更高的比強(qiáng)度、比剛度及耐熱性。
總結(jié)
總的來說，以鋁、鈦合金為代表的輕質(zhì)高強(qiáng)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(fā)計劃中重點發(fā)展的材料之一，也是激光增材制造中重要的應(yīng)用材料。關(guān)于增材制造材料研發(fā)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(gòu)件力學(xué)性能及應(yīng)用水平提升的基礎(chǔ)保障。
納米復(fù)合、原位增強(qiáng)及梯度界面設(shè)計是提升傳統(tǒng)金屬激光增材制造強(qiáng)韌化的有效途徑。
激光增材制造工藝調(diào)控及技術(shù)創(chuàng)新是金屬構(gòu)件顯微組織改善及性能提升的根本手段。
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