華中科技大學宋波教授：金屬激光增材制造材料設計研究進展
時間：2023-12-26 11:02 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
作者：宋波, 張金良, 章媛潔, 胡凱, 方儒軒, 姜鑫, 張莘茹, 吳祖勝, 史玉升. 金屬激光增材制造材料設計研究進展[J]. 金屬學報, 2023, 59(1): 1-15
來源：金屬學報
激光增材制造被公認為是解決個性化、復雜化金屬構件整體成形難題的有效技術手段。現有金屬增材制造的研究主要從傳統合金牌號出發，但基于平衡凝固過程設計的傳統合金成分難以滿足增材制造的非平衡冶金動力學特點，往往面臨高裂紋敏感性、低韌低疲勞、各向異性等共性問題。因此，需要開展面向激光增材制造的新型材料成分設計研究，充分挖掘增材制造非平衡凝固特性的潛在優勢與價值。本文綜述了鋁合金、鈦合金、鐵基合金、鎂合金等不同材料現有合金牌號增材制造的技術瓶頸，以及面向增材制造的材料創新設計方法與新型合金及其復合材料發展的研究進展。最后提出了金屬增材制造材料設計的未來發展趨勢。
總結與展望
LAM技術已應用于鋁合金、鈦合金、鐵基合金、鎂合金、形狀記憶合金、高溫合金、高熵合金及非晶合金等不同金屬材料的制備與成形，但大多研究仍采用傳統合金牌號，其合金成分并不完全適用于LAM的非平衡冶金過程，常面臨冶金缺陷難抑制、顯微組織難調控、應力應變難控制、綜合性能難提升等挑戰。因此，需要開展面向LAM的新型材料成分設計研究，充分挖掘增材制造非平衡凝固特性的潛在優勢與價值。
目前金屬增材制造材料改性的方法大致可分為元素比例調控、合金元素改性及陶瓷顆粒改性等方法。上述方法的機理均來自于通過改變材料成分控制熔池的凝固過程，進而實現冶金缺陷的抑制及強韌化，例如引入形核劑、改變成分過冷條件、調控物相等，仍存在諸多挑戰：
(1) 設計理論不完善：現有的材料改性方法大多依據鑄造等工藝的經驗摸索，再通過工藝優化及力學性能測試進行驗證，尚未形成完善的材料設計理論體系，缺乏理論指導。少數研究開展了裂紋敏感性等熱力學計算方法，用以設計新型合金，以提升材料的加工性能。但該方法尚未完全考慮LAM的非平衡凝固特點，工藝與設計匹配性較差，難以通過該方法實現材料成分精準設計。因此，需從LAM的工藝特點出發，完善材料設計的理論體系和方法論。
(2) 設計層級不全面：現有設計方法大多旨在提升加工性能，約束條件過于單一，應從材料的服役角度出發，實現材料的多層級、多因素設計。例如，對于結構材料，需實現面向材料的強韌化設計；對于形狀記憶合金，需實現形變回復可控設計；對于特殊環境材料，需基于材料服役環境特點，實現其低溫、高溫、耐蝕、抗疲勞等可控設計。
(3) 材料體系不健全：現有材料設計理論與方法均在傳統熱成形的條件下進行約束管理、改進材料成分，這大大限制了材料體系的擴展。LAM極端非平衡凝固工藝賦予了材料設計更廣闊的想象空間。結合LAM的工藝特點，開展高熵合金、非晶合金、準晶等材料的顛覆性設計，將在新材料領域開拓新的空間。
(4) 性能研究不系統：迄今為止LAM新材料的性能研究主要集中于室溫拉伸性能，而對高溫性能和疲勞性能的系統研究相對較少，上述性能研究的局限性嚴重限制了新材料的開發與應用。因此，在合金成分設計時，應不僅考慮新型合金的加工性能與拉伸性能，更應依據具體服役要求，針對性地開展特定性能的合金成分設計。
SONG Bo, ZHANG Jinliang, ZHANG Yuanjie, HU Kai, FANG Ruxuan, JIANG Xin, ZHANG Xinru, WU Zusheng, SHI Yusheng. Research Progress of Materials Design for Metal Laser Additive Manufacturing[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2023, 59(1): 1-15
DOI:10.11900/0412.1961.2022.00026
來源：金屬學報
激光增材制造被公認為是解決個性化、復雜化金屬構件整體成形難題的有效技術手段。現有金屬增材制造的研究主要從傳統合金牌號出發，但基于平衡凝固過程設計的傳統合金成分難以滿足增材制造的非平衡冶金動力學特點，往往面臨高裂紋敏感性、低韌低疲勞、各向異性等共性問題。因此，需要開展面向激光增材制造的新型材料成分設計研究，充分挖掘增材制造非平衡凝固特性的潛在優勢與價值。本文綜述了鋁合金、鈦合金、鐵基合金、鎂合金等不同材料現有合金牌號增材制造的技術瓶頸，以及面向增材制造的材料創新設計方法與新型合金及其復合材料發展的研究進展。最后提出了金屬增材制造材料設計的未來發展趨勢。
△SLM成形不銹鋼和鐵基非晶/不銹鋼材料微觀組織及腐蝕性能
Microstructures and corrosion properties of SLM-fabricated stainless steel and Fe-based amorphous/stainless steel
(a,
b) microstructures before (a) and after (b) polishing (Inset in Fig.6a
is the energy spectrum of point 1, and the insets in Fig.6b are the
surface energy spectrum and elements distribution)
(c, d) IPFs before (c) and after (d) modification
(e,
f) comparisons of potentiostatic polarization test (I—corrosion
current; T1, T2—start time of pitting corrosion; K1, K2—initial slope of
the curve; SS—stainless steel)
總結與展望
LAM技術已應用于鋁合金、鈦合金、鐵基合金、鎂合金、形狀記憶合金、高溫合金、高熵合金及非晶合金等不同金屬材料的制備與成形，但大多研究仍采用傳統合金牌號，其合金成分并不完全適用于LAM的非平衡冶金過程，常面臨冶金缺陷難抑制、顯微組織難調控、應力應變難控制、綜合性能難提升等挑戰。因此，需要開展面向LAM的新型材料成分設計研究，充分挖掘增材制造非平衡凝固特性的潛在優勢與價值。
目前金屬增材制造材料改性的方法大致可分為元素比例調控、合金元素改性及陶瓷顆粒改性等方法。上述方法的機理均來自于通過改變材料成分控制熔池的凝固過程，進而實現冶金缺陷的抑制及強韌化，例如引入形核劑、改變成分過冷條件、調控物相等，仍存在諸多挑戰：
(1) 設計理論不完善：現有的材料改性方法大多依據鑄造等工藝的經驗摸索，再通過工藝優化及力學性能測試進行驗證，尚未形成完善的材料設計理論體系，缺乏理論指導。少數研究開展了裂紋敏感性等熱力學計算方法，用以設計新型合金，以提升材料的加工性能。但該方法尚未完全考慮LAM的非平衡凝固特點，工藝與設計匹配性較差，難以通過該方法實現材料成分精準設計。因此，需從LAM的工藝特點出發，完善材料設計的理論體系和方法論。
(2) 設計層級不全面：現有設計方法大多旨在提升加工性能，約束條件過于單一，應從材料的服役角度出發，實現材料的多層級、多因素設計。例如，對于結構材料，需實現面向材料的強韌化設計；對于形狀記憶合金，需實現形變回復可控設計；對于特殊環境材料，需基于材料服役環境特點，實現其低溫、高溫、耐蝕、抗疲勞等可控設計。
(3) 材料體系不健全：現有材料設計理論與方法均在傳統熱成形的條件下進行約束管理、改進材料成分，這大大限制了材料體系的擴展。LAM極端非平衡凝固工藝賦予了材料設計更廣闊的想象空間。結合LAM的工藝特點，開展高熵合金、非晶合金、準晶等材料的顛覆性設計，將在新材料領域開拓新的空間。
(4) 性能研究不系統：迄今為止LAM新材料的性能研究主要集中于室溫拉伸性能，而對高溫性能和疲勞性能的系統研究相對較少，上述性能研究的局限性嚴重限制了新材料的開發與應用。因此，在合金成分設計時，應不僅考慮新型合金的加工性能與拉伸性能，更應依據具體服役要求，針對性地開展特定性能的合金成分設計。
SONG Bo, ZHANG Jinliang, ZHANG Yuanjie, HU Kai, FANG Ruxuan, JIANG Xin, ZHANG Xinru, WU Zusheng, SHI Yusheng. Research Progress of Materials Design for Metal Laser Additive Manufacturing[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2023, 59(1): 1-15
DOI:10.11900/0412.1961.2022.00026
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