1、引言

航空航天制造業(yè)作為高新技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，一直代表著世界各國(guó)制造業(yè)的發(fā)展方向，是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)實(shí)力和國(guó)防工業(yè)現(xiàn)代化水平的綜合體現(xiàn)；而航空航天高端裝備的服役性能在很大程度上取決于構(gòu)件的性能。航空航天高性能構(gòu)件多服役于極端嚴(yán)苛環(huán)境中，具有超強(qiáng)承載、極端耐熱、超輕量化和高可靠性等特性，對(duì)構(gòu)件的材料、結(jié)構(gòu)、工藝和性能等提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。近年來(lái)，增材制造技術(shù)（亦稱3D打印技術(shù)）正成為工程、制造、材料、光學(xué)等學(xué)科的研究熱點(diǎn)，基于增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件的材料－結(jié)構(gòu)一體化凈成形，為航空航天高性能構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造提供了新的工藝技術(shù)途徑。增材制造（3D打印）全球權(quán)威發(fā)展報(bào)告“ＷｏｈｌｅｒSＲｅｐｏｒｔ”指出，航空航天是增材制造技術(shù)研發(fā)與工業(yè)應(yīng)用最有望獲得突破的領(lǐng)域，增材制造已發(fā)展成為提升航空航天設(shè)計(jì)與制造能力的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，其應(yīng)用范圍已從零部件級(jí)（飛機(jī)、衛(wèi)星、高超飛行器、載人飛船的零部件打印）發(fā)展至整機(jī)級(jí)（發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)人機(jī)、微／納衛(wèi)星整機(jī)打印）。增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要得益于其在輕量化高性能材料及結(jié)構(gòu)一體化成形領(lǐng)域取得的顯著效益。

增材制造是國(guó)內(nèi)外科技強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（NSFC）、美國(guó)科學(xué)基金會(huì)（NSF）（2010）將增材制造認(rèn)定為20世紀(jì)制造技術(shù)的一項(xiàng)重大創(chuàng)新。“美國(guó)制造：國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究院（ＮＡＭＩＩ）”（2013年）、《德國(guó)工業(yè)４.0戰(zhàn)略計(jì)劃實(shí)施建議》（2013年）將增材制造技術(shù)作為新一代革命性技術(shù)以及未來(lái)科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新增長(zhǎng)點(diǎn)而加以培育和支持。中國(guó)政府在《中國(guó)制造2025》（2015年）、《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015—2016年）》（2015年）、《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的通知》（2016年）、《加強(qiáng)“從0到1”基礎(chǔ)研究工作方案》（2020年）等科技強(qiáng)國(guó)和制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略行動(dòng)綱領(lǐng)中，前瞻性地布局了增材制造關(guān)鍵核心技術(shù)，打造及完善增材制造產(chǎn)業(yè)鏈，力求占領(lǐng)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略高地。

基于激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)難加工金屬、合金及金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的直接成形，是增材制造技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域最為熱門的方向之一；而基于激光與粉末的增材制造技術(shù)已形成兩類典型成形工藝，并表現(xiàn)出兩種不同的發(fā)展方向：一類是基于噴嘴自動(dòng)送粉的激光熔化沉積（LMD）技術(shù)或激光立體成形（LSF）技術(shù)，它利用高能激光熔化同步供給的金屬粉末，采用特制的噴嘴在基板上逐層沉積成形構(gòu)件。LMD沉積層厚度為毫米尺度，制造速度快，適合制造大型構(gòu)件，這是該技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展的主要方向。此外，LMD成形件通常需要進(jìn)行后續(xù)精整加工，以達(dá)到結(jié)構(gòu)控形及尺寸精度的要求。另一類是基于粉床自動(dòng)鋪粉的選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)或激光粉床熔融（ＬＰＢＦ）技術(shù)，它利用高能激光熔化處于松散狀態(tài)的粉末薄層（厚度通常為20～50μｍ），基于粉床逐層精細(xì)鋪粉、激光逐層熔凝堆積的方式，成形任意復(fù)雜形狀的高致密度構(gòu)件。SLM技術(shù)成形精度高，對(duì)特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如懸垂結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)、復(fù)雜曲面、空間點(diǎn)陣等）制造的適用程度高，其發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)中小型復(fù)雜構(gòu)件直接精密凈成形。不論是面向大型金屬構(gòu)件的LMD技術(shù)，還是面向中小型精密金屬構(gòu)件的SLM技術(shù)，均為高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件的低成本、短周期、凈成形制造提供了一體化解決方案，在航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用及發(fā)展前景。對(duì)比金屬激光增材制造技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程及現(xiàn)狀可知，德國(guó)、美國(guó)等國(guó)在激光增材制造的原創(chuàng)性工藝技術(shù)、核心光學(xué)部件（如激光器、振鏡等）、高性能金屬粉末材料上有較深厚的研發(fā)積累，而我國(guó)的金屬激光增材制造技術(shù)發(fā)展水平近年來(lái)顯著提升，金屬增材制造裝備、材料、工藝、軟件等朝著國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)品化、專業(yè)化方向不斷推進(jìn)，特別是在航空航天重大需求的牽引下，高性能大尺寸金屬構(gòu)件激光增材制造的工藝研發(fā)及應(yīng)用水平已走在了國(guó)際前列。近年來(lái)，在國(guó)家航空航天重大需求和前沿科學(xué)探索的雙重驅(qū)動(dòng)下，金屬構(gòu)件激光增材制造研究在材料、結(jié)構(gòu)、工藝、技術(shù)、性能／功能等多方面呈創(chuàng)新發(fā)展之勢(shì)。從航空航天領(lǐng)域日益增強(qiáng)的工程需求出發(fā)，面向極端嚴(yán)苛環(huán)境的航空航天構(gòu)件的服役性能要求不斷提升，故要求構(gòu)件的強(qiáng)度、韌性、剛度等力學(xué)性能指標(biāo)顯著提高，并要求構(gòu)件具有防熱、隔熱、減振、抗輻射等特殊功能。只有通過(guò)創(chuàng)新發(fā)展增材制造的新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝，才能有望獲取顛覆性的性能和功能，滿足國(guó)家航空航天領(lǐng)域重大工程的需求。基于前沿科學(xué)探索與發(fā)展角度，發(fā)表于Sciencs的《金屬的未來(lái)》（2011年）一文指出：現(xiàn)代工業(yè)要求結(jié)構(gòu)材料具有高的強(qiáng)度、斷裂韌性及剛度，同時(shí)盡可能減重，即要求材料的比強(qiáng)度更高；在提高材料比強(qiáng)度的同時(shí)，不損害其韌性和塑性等性能，對(duì)提高材料的工程應(yīng)用競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。同時(shí)，Sciencs論文預(yù)測(cè)指出，多材料（如具有可控增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合材料）是解決傳統(tǒng)金屬材料比強(qiáng)度和比剛度低、耐蝕性差等劣勢(shì)的重要途徑。與前沿科學(xué)探索相一致，隨著現(xiàn)代航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，以鋁、鈦合金為代表的輕質(zhì)高強(qiáng)合金、以Ｎｉ基高溫合金為代表的承載耐熱合金，是各國(guó)新材料研發(fā)計(jì)劃中重點(diǎn)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。現(xiàn)代航空航天構(gòu)件需同時(shí)滿足輕量化、高性能、高可靠性、低成本等一系列苛刻要求，且構(gòu)件的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、設(shè)計(jì)制造難度更大。通過(guò)創(chuàng)新和發(fā)展航空航天典型鋁、鈦、鎳基構(gòu)件激光增材制造控形與控性關(guān)鍵技術(shù)，既體現(xiàn)了選材上輕量化、高性能的發(fā)展方向，又凸顯了增材制造技術(shù)本身精密化、凈成形的發(fā)展趨勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)材料－結(jié)構(gòu)－性能的一體化增材制造以及增材制造技術(shù)在航空航天上的重大工程應(yīng)用。

本文針對(duì)航空航天領(lǐng)域三類典型應(yīng)用材料（即鋁、鈦、鎳基合金及其金屬基復(fù)合材料）、四類典型結(jié)構(gòu)（大型金屬結(jié)構(gòu)、復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)、輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、多功能仿生結(jié)構(gòu)等），闡述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在面向激光增材制造的新材料制備、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成形件控形與控性、高性能／多功能突破、航空航天領(lǐng)域典型應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展，提出了高性能金屬構(gòu)件激光增材制造的宏／微觀跨尺度形性協(xié)調(diào)機(jī)制，并就激光增材制造技術(shù)未來(lái)在材料、結(jié)構(gòu)、工藝、性能等方面潛在的研究方向作一點(diǎn)思考與展望。

2、面向激光增材制造的高性能金屬材料

2.1激光增材制造鋁合金及鋁基復(fù)合材料

對(duì)于激光增材制造而言，鋁基材料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。從增材制造成形工藝角度看，鋁合金的密度較小，粉體流動(dòng)性相對(duì)較差，在SLM成形粉床上鋪放的均勻性較差或在LMD過(guò)程中粉末輸運(yùn)的連續(xù)性較差，故對(duì)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。未熔化前，鋁對(duì)CO2激光的初始吸收率僅為９％，而其熱導(dǎo)率高達(dá)23７Ｗ／（ｍ·Ｋ），為鐵的3倍、鈦的16倍，通常的低功率CO2激光難以使鋁粉體發(fā)生有效熔化。即便使用短波長(zhǎng)、高功率光纖或Ｎｄ∶ＹＡＧ激光使鋁粉發(fā)生初始熔化，其高的熱導(dǎo)率又將使輸入熱量急速傳遞而消耗掉，導(dǎo)致熔池溫度降低、熔池內(nèi)液相的黏度增加；同時(shí)，高溫下鋁熔體與氧具有很強(qiáng)的親和力，而激光成形腔體內(nèi)即便通過(guò)抽真空或通保護(hù)氣體使氧含量降至10×10－6（體積分?jǐn)?shù)）以下，系統(tǒng)內(nèi)殘余的氧元素也會(huì)在熔體表面形成氧化膜，降低熔體的潤(rùn)濕性和鋪展性，進(jìn)而將促進(jìn)金屬粉末SLM增材制造特有冶金缺陷-----“球化”效應(yīng)及成形件內(nèi)部孔隙、裂紋等的發(fā)生，從而顯著降低激光增材制造構(gòu)件的成形性能。

相對(duì)于鈦基、鎳基等金屬材料對(duì)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(yàn)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)合材料如表1所示。其中，AlSｉ10Ｍｇ和AlSｉ12等Al－Sｉ合金具有良好的鑄造性能和焊接性能，故對(duì)SLM這類經(jīng)歷粉末熔化／凝固冶金熱物理過(guò)程的增材制造工藝表現(xiàn)出了良好的成形性能。激光增材制造Al－Sｉ系合金的顯微組織演變規(guī)律和調(diào)控機(jī)制較為一致：在激光非平衡快速凝固條件下，SLM成形AlSｉ12呈現(xiàn)為微細(xì)的富鋁胞狀組織，殘余硅顆粒在晶界析出；經(jīng)熱處理后，顯微組織將發(fā)生一定程度的粗化，硅組元從晶胞中繼續(xù)析出并形成硅顆粒。SLM成形AlSｉ10Ｍｇ表現(xiàn)出與AlSｉ12相似的顯微組織特征及演變規(guī)律。需要指出的是，析出硬化AlSｉ10Ｍｇ合金在SLM激光快速凝固過(guò)程中并沒(méi)有析出Ｍｇ2Sｉ沉淀相，但細(xì)化的亞微米胞狀組織仍為激光成形件提供了較高的強(qiáng)度。激光增材制造工藝參數(shù)（如激光光斑尺寸、激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度等）及掃描策略、成形方向、成形件布局方式等均可顯著影響構(gòu)件的成形質(zhì)量、顯微組織及最終的力學(xué)性能。為綜合評(píng)估SLM諸多工藝參數(shù)的耦合作用，可通過(guò)“激光線能量密度”（λ＝Ｐ／ｖ）綜合“激光功率Ｐ”和“掃描速率ｖ”的影響，且可通過(guò)“激光體能量密度”（ε＝Ｐ／（ｖｈｄ））進(jìn)一步耦合“掃描間距ｈ”和“鋪粉厚度ｄ”的影響，分別用以調(diào)控“線成形質(zhì)量”和“體成形質(zhì)量”，為金屬構(gòu)件SLM激光增材制造的精確化、穩(wěn)定化控制提供關(guān)鍵工藝參數(shù)指標(biāo)，并為激光成形件內(nèi)部顯微組織、冶金缺陷、殘余應(yīng)力及成形性能的“由線及體”的立體控制提供關(guān)鍵方法及科學(xué)機(jī)理。ＡｔｔAlｌａｈ小組研究了SLM工藝參數(shù)對(duì)AlSｉ10Ｍｇ致密化行為的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)采用較高的激光功率、較低的激光掃描速度和較小的掃描間距可有效減少或消除成形件內(nèi)部的孔隙，且AlSｉ10Ｍｇ合金獲得良好SLM成形性能所需的體能量密度閾值在60～７5Ｊ／ｍｍ3之間。ＴｈｉｊS等［2４］學(xué)者在SLM激光掃描策略優(yōu)化的研究中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)采用島狀掃描策略進(jìn)行SLM成形時(shí)，Al－Sｉ合金的晶體織構(gòu)明顯減弱，沿著成形方向形成較弱的〈100〉立方織構(gòu)，成形件各方向的拉伸強(qiáng)度主要受織構(gòu)的影響，表現(xiàn)為各向同性；然而成形件的韌性卻表現(xiàn)為各向異性，這是由于微觀組織的各向異性使得裂紋通常沿著熔池邊界形成，故平行于掃描方向的延伸率更高。減小掃描路徑長(zhǎng)度，可降低相鄰熔道間的熱量損耗，熱量積累更均勻，溫度梯度減小，可降低激光成形件的殘余應(yīng)力。Ｗａｎｇ等研究了掃描策略對(duì)SLM成形AlSｉ10Ｍｇ力學(xué)性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)島狀掃描成形試樣的抗拉強(qiáng)度和延伸率高于相同工藝參數(shù)下線性掃描成形試樣。

表1激光增材制造鋁合金及其復(fù)合材料的力學(xué)性能

如表1所示，Al－Sｉ系合金因其鑄造鋁合金的材料本質(zhì)，雖然采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的激光增材制造工藝進(jìn)行制備，但抗拉強(qiáng)度很難突破４00Mpa，從而限制了其在航空航天等領(lǐng)域服役性能要求更高的承力構(gòu)件上的使用。為進(jìn)一步獲得更高的力學(xué)性能，近年來(lái)Al－Ｃｕ、Al－Ｍｇ和Al－Ｚｎ等鋁合金體系也被用作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(guò)程中易形成裂紋甚至發(fā)生開裂；且相對(duì)于鋁元素，鎂和鋰等合金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。Ｚｈｕ研究小組發(fā)現(xiàn)：激光體能量密度對(duì)Al－Ｃｕ－Ｍｇ（202４鋁合金）SLM致密化行為具有顯著影響，當(dāng)激光體能量密度高于3４0Ｊ／ｍｍ3這一閾值時(shí)，可獲得無(wú)缺陷、無(wú)裂紋的高致密度（相對(duì)密度為９９.８％）成形件。激光成形顯微組織由微細(xì)過(guò)飽和的胞狀晶－樹枝晶復(fù)合結(jié)構(gòu)組成，在細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制和固溶強(qiáng)化機(jī)制的協(xié)同作用下，成形件的抗拉強(qiáng)度可達(dá)４02Mpa，屈服強(qiáng)度可達(dá)2７6Mpa。202４鋁合金等高強(qiáng)鋁合金較難通過(guò)激光增材制造工藝獲得預(yù)期的高性能，這主要是由于該材料的成分和物性參數(shù)并非是專門為激光增材制造設(shè)計(jì)的。因此，對(duì)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(jì)及調(diào)控尤為重要。近年來(lái)，人們?cè)O(shè)計(jì)了專用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，其激光成形件的力學(xué)性能有望獲得突破性提升。SLM成形Al－Ｍｇ－Sｃ－Ｚｒ合金直接沉積態(tài)試件的組織呈典型的雙峰晶粒分布：在熔池邊界處，以初生Al3（Sｃ，Ｚｒ）相和細(xì)小的Al－Ｍｇ氧化物作為形核點(diǎn)，形成等軸晶區(qū)；在熔池中部形成沿溫度梯度生長(zhǎng)的柱狀晶區(qū)。激光增材制造Al－Ｍｇ－Sｃ－Ｚｒ合金力學(xué)性能的躍升需輔以適當(dāng)?shù)暮罄m(xù)熱處理工藝。經(jīng)325℃／４ｈ時(shí)效處理后，SLM成形Al－Ｍｇ－Sｃ－Ｚｒ合金中的晶粒無(wú)明顯粗化現(xiàn)象，其基體內(nèi)可原位析出尺寸為5～10ｎｍ的二次Al3（Sｃ，Ｚｒ）相，該析出相與基體保持共格界面，可有效釘扎位錯(cuò)，具有顯著的納米彌散強(qiáng)化效應(yīng)，可顯著提升成形件的綜合力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度高于500Mpa，延伸率超過(guò)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(jì)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(jì)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(rùn)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。筆者研究團(tuán)隊(duì)基于SLM過(guò)程中高能激光對(duì)納米陶瓷微粒完全熔化及潤(rùn)濕的成形機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了四類陶瓷（包括TiＣ、SｉＣ碳化物，TiＢ2硼化物，AlＮ氮化物，Al2Ｏ3氧化物）、兩類增強(qiáng)方式（包括納米彌散增強(qiáng)和原位析出增強(qiáng)）的鋁基復(fù)合材料的激光增材制造，發(fā)現(xiàn)了高能激光輻照特有的加熱方式（具有逐點(diǎn)逐行區(qū)域化掃描特征）、能量特點(diǎn)（瞬態(tài)升溫可達(dá)5000°Ｃ以上）及冶金機(jī)制（激光快速凝固速率高達(dá)106Ｋ／S）可使鋁基復(fù)合材料的納米／原位陶瓷增強(qiáng)相具有環(huán)狀、條帶狀、層片狀等新穎的微觀結(jié)構(gòu)（如圖1（ａ）、（ｂ）所示），這些新穎的微觀結(jié)構(gòu)顯著區(qū)別于傳統(tǒng)鑄造或粉末冶金鋁基復(fù)合材料的顆粒狀增強(qiáng)結(jié)構(gòu)；揭示了激光增材制造過(guò)程中高度非平衡熔池內(nèi)的Ｍａｒａｎｇｏｎｉ流、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)等冶金熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為對(duì)納米／原位陶瓷增強(qiáng)相形成、晶體生長(zhǎng)和空間分布起決定性作用；發(fā)現(xiàn)了激光作用下形成的具有獨(dú)特顯微組織及分布的納米／原位陶瓷增強(qiáng)相與鋁基體間具有共格界面且兩相原子匹配性強(qiáng)，在納米／原位陶瓷增強(qiáng)相的作用下，鋁基體可發(fā)生顯著的等軸晶化及晶粒細(xì)化（如圖1（ｃ）所示），基于增強(qiáng)相與基體相的顯微組織調(diào)控可使激光增材制造鋁基復(fù)合材料構(gòu)件的強(qiáng)度和斷裂韌性獲得協(xié)同提升。

圖1激光增材制造鋁基納米／原位復(fù)合材料的顯微組織調(diào)控。（ａ）環(huán)狀TiＣ納米增強(qiáng)相；（ｂ）條帶狀A(yù)l４SｉＣ４原位增強(qiáng)相；（ｃ）TiＢ2增強(qiáng)作用下鋁基體細(xì)化的等軸晶組織

對(duì)于不可焊6系和７系鋁合金等激光增材制造裂紋敏感性特別強(qiáng)的材料，納米顆粒改性和增強(qiáng)的策略是顯微組織改善的良策，可改善激光增材制造試件的成形性能和力學(xué)性能。對(duì)于6系和７系鋁合金來(lái)說(shuō)，在SLM激光快速凝固過(guò)程中，溶質(zhì)易在凝固界面附近的熔體中偏析，引起顯著的成分過(guò)冷，凝固組織易呈樹枝狀晶長(zhǎng)大，并在凝固組織間形成較長(zhǎng)的液相通道；當(dāng)凝固溫度進(jìn)一步降低時(shí)，液相凝固收縮產(chǎn)生孔隙、裂紋甚至熱撕裂。ＭａｒTiｎ等學(xué)者在Ｎａｔｕｒｅ上發(fā)文指出，他們通過(guò)納米顆粒改性增強(qiáng)的策略解決了上述問(wèn)題；他們根據(jù)結(jié)晶學(xué)信息選擇納米鋯粒子作為成核劑，然后通過(guò)靜電附著將其組裝到７0７5和6061系鋁合金粉末顆粒表面，最后采用SLM技術(shù)成形。他們發(fā)現(xiàn)，在激光熔池中鋯顆粒與鋁基體發(fā)生反應(yīng)生成的Al3Ｚｒ，提供了大量低能量勢(shì)壘非均質(zhì)形核位點(diǎn)，促進(jìn)了微細(xì)等軸晶的形成，從而降低了凝固收縮應(yīng)力的影響，獲得了具有均勻等軸晶組織、無(wú)裂紋且強(qiáng)度高的鋁基構(gòu)件，如圖2所示。此外，航空航天等極端嚴(yán)苛的服役環(huán)境對(duì)鋁合金構(gòu)件的強(qiáng)度、韌性、模量、剛度等性能指標(biāo)提出了嚴(yán)格要求，因此，高體積分?jǐn)?shù)的陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａTiｏｎS報(bào)道了Ｌｉｎ等學(xué)者在制備納米TiＣ增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料方面的工作，他們首先制備了具有高體積分?jǐn)?shù)（最高可達(dá)35％）的納米TiＣ增強(qiáng)鋁基納米復(fù)合粉末，然后利用SLM工藝實(shí)現(xiàn)了塊體鋁基復(fù)合材料的制備，成形件的屈服強(qiáng)度高達(dá)1000Mpa，塑性超過(guò)10％，楊氏模量約為200ＧＰａ，這是目前結(jié)構(gòu)金屬材料中比楊氏模量、比屈服強(qiáng)度最高的材料；這些性能的提升主要?dú)w因于高密度分散的納米增強(qiáng)顆粒、納米顆粒與鋁基體間的強(qiáng)界面結(jié)合以及激光作用下形成的超細(xì)晶粒。

圖27075鋁合金的SLM增材制造：基于納米顆粒改性實(shí)現(xiàn)柱狀樹枝晶向微細(xì)等軸晶轉(zhuǎn)變及裂紋抑制

2.2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，是激光增材制造經(jīng)常采用的金屬材料。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(guò)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(huì)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(guò)程中極大的冷卻速度（103～10８Ｋ／S）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(shí)會(huì)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(guò)程中，熱流主要沿著平行于增材制造的方向傳導(dǎo)，導(dǎo)致體心立方（ＢＣＣ）結(jié)構(gòu)的初生β－Ti相沿散熱方向〈001〉β?lián)駜?yōu)生長(zhǎng)，并具有很強(qiáng)的外延生長(zhǎng)傾向，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。

鈦基材料對(duì)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)，且與激光工藝參數(shù)密切相關(guān)。基于SLM工藝成形ＣＰ－Ti時(shí)，若采用較低的激光線能量密度，熔池熔體在凝固過(guò)程中會(huì)發(fā)生β－Ti向α－Ti的轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致組織呈較為粗大的板條狀結(jié)構(gòu)；隨著激光線能量密度增加，熔池凝固過(guò)程中較大的過(guò)冷度導(dǎo)致β－Ti向馬氏體α′－Ti發(fā)生轉(zhuǎn)變，此時(shí)成形組織呈顯著細(xì)化的針狀結(jié)構(gòu)。SLM成形TC4構(gòu)件的顯微組織通常為細(xì)小的針狀馬氏體。在增材制造方向上，初生β－Ti晶粒以柱狀晶外延生長(zhǎng)，柱狀晶的長(zhǎng)度可達(dá)100μｍ，遠(yuǎn)大于SLM每層的鋪粉厚度（通常設(shè)為30μｍ）；柱狀晶的寬度與熔道寬度相當(dāng)，隨著激光能量密度的增加，熔道寬度增大，導(dǎo)致柱狀初生β－Ti晶粒粗化。Ｘｕ等學(xué)者發(fā)現(xiàn)，通過(guò)優(yōu)化增材制造工藝參數(shù)，可將SLM過(guò)程中形成的脆性馬氏體相α′－Ti轉(zhuǎn)化成具有更高韌性的（α＋β）－Ti組織，從而可以省去后續(xù)的熱處理。當(dāng)增材制造層厚設(shè)為30μｍ時(shí)，熔池內(nèi)部較大的溫度梯度及冷卻速度，使得凝固組織為馬氏體α′－Ti；隨著層厚增加至60μｍ或９0μｍ，通過(guò)調(diào)控激光焦距可使α′－Ti發(fā)生分解，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)化的層狀（α＋β）－Ti組織，有效提升SLM成形TC4構(gòu)件的綜合力學(xué)性能。LMD成形的TC4構(gòu)件通常表現(xiàn)出與SLM工藝成形構(gòu)件相似的顯微組織特征，凝固組織為柱狀初生β－Ti晶粒。在凝固過(guò)程中，初生β－Ti晶粒沿增材制造方向穿過(guò)若干加工層發(fā)生外延生長(zhǎng)，柱狀晶的長(zhǎng)度通常為1.5～10ｍｍ，同時(shí)在初生β－Ti柱狀晶邊界上可觀察到α－Ti的晶界。通常情況下，LMD成形的TC4凝固組織不均勻：在靠近基板位置處，熔池的冷卻速度較大，會(huì)生成較細(xì)小的層片狀α－Ti組織及板條狀α′－Ti馬氏體組織；在構(gòu)件頂部位置，冷卻速度較小，凝固組織為α＋β層狀雙相組織；構(gòu)件中部位置因受到持續(xù)的熱影響作用，鋁元素及釩元素易向α－Ti及β－Ti內(nèi)部偏析，導(dǎo)致成形組織不均勻，且晶粒較粗大，易產(chǎn)生加工缺陷。可見(jiàn)，激光增材制造雖涉及一系列復(fù)雜的工藝參數(shù)，但也為構(gòu)件顯微組織與力學(xué)性能的設(shè)計(jì)和調(diào)控提供了可能。表2所示為不同激光增材制造工藝及后處理工藝條件下鈦合金的力學(xué)性能。可見(jiàn)，激光增材制造鈦合金構(gòu)件的力學(xué)性能與顯微組織具有直接關(guān)系，而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。

表2激光增材制造鈦及鈦合金的力學(xué)性能

由于激光增材制造過(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的各向異性，可從材料設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化兩方面加以改進(jìn)。Ｎａｔｕｒｅ報(bào)道了Ｚｈａｎｇ等學(xué)者研發(fā)的可用于激光增材制造的新型Ti－Ｃｕ合金，這類合金可在激光快速凝固過(guò)程中獲得細(xì)小等軸的初生β－Ti晶粒，如圖3（ｂ）所示，且成形件內(nèi)部沒(méi)有明顯的孔隙及裂紋，在增材制造方向上具有很高的化學(xué)成分均勻性。相比如圖3（ａ）所示的激光增材制造TC4的凝固組織，Ti－８.5Ｃｕ合金中的初生β－Ti晶粒得到了顯著細(xì)化，平均晶粒尺寸降至９.6μｍ。晶粒細(xì)化的主要原因是銅原子固溶在β－Ti基體中，顯著擴(kuò)大了凝固過(guò)程中固液前沿的成分過(guò)冷區(qū)，且隨著銅在鈦中的含量增加，晶粒細(xì)化效應(yīng)更加顯著。當(dāng)銅的加入量為3.5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，未經(jīng)熱處理的成形樣具有較高的抗拉強(qiáng)度和延伸率，抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為（８6７±８）Mpa和（1４.９±1.９）％。ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａTiｏｎS刊發(fā)了Ｂａｒｒｉｏｂｅｒｏ－Ｖｉｌａ等學(xué)者研發(fā)新型Ti－Ｌａ合金的論文，該文闡明了α相穩(wěn)定元素鑭對(duì)鈦合金相變過(guò)程及晶粒生長(zhǎng)的作用機(jī)制。在鈦中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的鑭可使鈦合金在凝固過(guò)程中發(fā)生包晶、包析及共析反應(yīng)（Ｌ1＋β→Ｌａ－ｂｃｃ，Ｌａ－ｂｃｃ＋β→α，Ｌａ－ｂｃｃ→Ｌａ－ｆｃｃ＋α），同時(shí)在固／液前沿產(chǎn)生了較大的成分過(guò)冷，促進(jìn)了細(xì)小等軸晶的形成。通過(guò)包晶反應(yīng)形成的α－Ti與原始β－Ti不具有嚴(yán)格的取向關(guān)系，可使Ti－Ｌａ合金構(gòu)件的各向異性顯著降低。從激光增材制造金屬構(gòu)件的顯微組織調(diào)控規(guī)律來(lái)看，晶粒的等軸化和均勻化有利于提升成形件的力學(xué)性能，而這也可通過(guò)在激光增材制造工藝中施加復(fù)合能場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Ｑｉａｎ研究小組通過(guò)在TC4構(gòu)件LMD過(guò)程中復(fù)合20ｋＨｚ的高頻超聲振動(dòng)，使顯微組織從柱狀晶完全轉(zhuǎn)變?yōu)榱郊s為100μｍ的細(xì)小等軸晶，如圖４所示。在復(fù)合能場(chǎng)輔助下成形的TC4構(gòu)件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均比直接采用LMD成形的構(gòu)件提高了約12％，且這種基于復(fù)合能場(chǎng)改善顯微組織和力學(xué)性能的方法，對(duì)于Ｉｎｃｏｎｅｌ625等鎳基高溫合金材料也同樣適用。

圖3激光增材制造TC4合金與Ti－８.5Ｃｕ合金顯微組織的對(duì)比。（ａ）TC4合金呈粗大的柱狀晶組織；（ｂ）Ti－８.5Ｃｕ合金呈細(xì)小的完全等軸晶組織

除了上述基于合金化的思路來(lái)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(guò)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(duì)于鈦基復(fù)合材料陶瓷增強(qiáng)相的選擇上需慎重。在眾多的陶瓷材料中，TiＣ及TiＢ2被認(rèn)為是最適合用于鈦基復(fù)合材料的陶瓷增強(qiáng)相。它們具有與鈦合金相近的密度及熱膨脹系數(shù)，且具有較高的物理化學(xué)穩(wěn)定性，可與鈦合金形成良好的物理化學(xué)兼容性。Ｌｉｕ等學(xué)者研究了LMD成形TiＣ－Ti6Al４Ｖ復(fù)合材料凝固組織與工藝參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光功率為230Ｗ以及TiＣ陶瓷添加量為10％（體積分?jǐn)?shù)）時(shí)，凝固組織中會(huì)出現(xiàn)初生球狀TiＣ、共晶TiＣ及共晶球狀TiＣ；隨著激光功率增大，凝固組織中開始出現(xiàn)細(xì)小的初生枝晶TiＣ；隨著激光功率進(jìn)一步增至300Ｗ，這些初生枝晶長(zhǎng)大，且數(shù)量增多。這種顯微組織演變的主要原因是TiＣ增強(qiáng)相在不同激光功率下的熔化程度不同。隨著激光功率增大，TiＣ增強(qiáng)相的熔化程度增大，更多的碳原子溶解在熔池中；當(dāng)熔池中的碳原子含量增至一定程度時(shí)，初生枝晶TiＣ開始形成并附著在初生球狀TiＣ上。初生TiＣ的產(chǎn)生需要消耗一定的碳原子，導(dǎo)致凝固組織中共晶碳化物的含量降低。不同形態(tài)的TiＣ與鈦基體的結(jié)合能力不同，從而導(dǎo)致了不同的力學(xué)性能。當(dāng)加入15％（體積分?jǐn)?shù)）的TiＣ時(shí)，LMD成形TiＣ－Ti復(fù)合材料的抗壓

圖４超聲復(fù)合激光增材制造TC4合金的顯微組織調(diào)控。（ａ）激光熔化沉積復(fù)合高頻超聲振動(dòng)工藝示意圖；（ｂ）常規(guī)激光熔化沉積TC4合金的粗大柱狀晶組織；（ｃ）超聲復(fù)合激光增材制造TC4合金的細(xì)小等軸晶組織

強(qiáng)度可達(dá)1450Mpa，斷裂應(yīng)變超過(guò)13％。筆者研究團(tuán)隊(duì)基于粉體完全熔化機(jī)制采用SLM工藝成形了納米TiＣ增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，研究后發(fā)現(xiàn)：TiＣ納米顆粒經(jīng)激光熔化及凝固析出后，形成了均勻分布的納米層片狀增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并可在較寬的激光線能量密度（0.25～1.0ｋＪ／ｍ）下保持這種新穎的納米增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，從而使激光增材制造構(gòu)件具有優(yōu)異的摩擦磨損性能（摩擦因數(shù)低至0.22，磨損率低至2.８×10－16ｍ3·Ｎ－1·ｍ－1）；隨著激光能量密度進(jìn)一步提高，層片狀納米TiＣ晶粒長(zhǎng)大，甚至發(fā)生枝晶生長(zhǎng)而失去納米結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致激光成形件的摩擦磨損性能顯著降低。Ａｔｔａｒ等學(xué)者研究了TiＢ2增強(qiáng)相對(duì)SLM成形鈦基復(fù)合材料顯微組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)：TiＢ2在SLM成形過(guò)程中完全溶解于熔池中，并在后續(xù)凝固過(guò)程中以納米級(jí)TiＢ的形式析出，形成新穎的Ti－TiＢ納米復(fù)合材料；同時(shí)，部分硼原子固溶在層片狀α－Ti中，起到了細(xì)化晶粒的作用；當(dāng)加入體積分?jǐn)?shù)為８.35％的TiＢ時(shí)，SLM成形TiＢ2－Ti復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度可達(dá)1636Mpa，斷裂應(yīng)變超過(guò)1７％。可見(jiàn)，激光增材制造特有的高能量輸入、瞬間高溫及超快熔化凝固過(guò)程，為鈦基復(fù)合材料增強(qiáng)體、基體的物相與組織調(diào)控提供了熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，并可使激光增材制造構(gòu)件具有顯著區(qū)別于鑄造和粉末冶金等工藝制備的構(gòu)件的顯微組織及力學(xué)性能。

2.3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(guò)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(wèn)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(rùn)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(diǎn)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(huì)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(guò)程的激光增材制造工藝。激光增材制造Ｉｎｃｏｎｅｌ系列合金的組織在成形方向上為明顯的柱狀晶，具有較強(qiáng)的成形方向〈001〉織構(gòu)，而在水平方向則呈胞狀組織；而且，合金易在晶界析出碳化物、ＬａｖｅS等脆性相。因此，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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，然后結(jié)合后續(xù)的熱處理工藝來(lái)實(shí)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(zhǎng)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工藝優(yōu)化機(jī)制的相關(guān)研究表明：高的掃描速度和低的激光功率會(huì)導(dǎo)致較低的激光能量輸入，故熔池熔體的黏度及潤(rùn)濕性較差，未熔顆粒及不規(guī)則孔隙較多，成形件表面球化缺陷也較嚴(yán)重；隨著掃描速度減小及激光功率增大，熔體的流動(dòng)性及潤(rùn)濕性提高，熔體鋪展均勻，成形質(zhì)量提升；過(guò)高的激光能量密度會(huì)增大熔體的不穩(wěn)定性，易產(chǎn)生氣孔及裂紋等缺陷，影響構(gòu)件的力學(xué)性能。Ｗａｎ等學(xué)者研究了激光掃描策略對(duì)Ｉｎｃｏｎｅｌ７1８晶粒形態(tài)及織構(gòu)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)掃描策略可以改變熱流及晶粒的生長(zhǎng)方向：進(jìn)行單一線性掃描時(shí)，層與層間的熱流方向相似，易形成定向柱狀組織；而在層間旋轉(zhuǎn)９0°掃描時(shí)，熱流方向不斷旋轉(zhuǎn)，晶粒生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制顯著加強(qiáng)，可以獲得較強(qiáng)的立方織構(gòu)。熱處理可在一定程度溶解拓?fù)涿芘畔啵é南唷ⅵ蚁嗟龋┘疤蓟锏任龀鱿啵岣擀谩浼唉谩鍙?qiáng)化相的含量，提升材料的力學(xué)性能。Ｚｈａｎｇ等學(xué)者發(fā)現(xiàn)SLM成形Ｉｎｃｏｎｅｌ625經(jīng)均勻化熱處理可有效減少元素偏析，消除δ相，使組織更均勻。Sｕｉ等學(xué)者針對(duì)LMD成形Ｉｎｃｏｎｅｌ７1８的熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)：在1050℃保溫15ｍｉｎ可以使ＬａｖｅS相由不規(guī)則的長(zhǎng)條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的顆粒狀，且隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，ＬａｖｅS含量增多；長(zhǎng)條狀ＬａｖｅS相易成為裂紋源，同時(shí)會(huì)使強(qiáng)化相γ″分布不均勻，而細(xì)小的顆粒可隨基體一起變形，并起到強(qiáng)化作用，使試件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到13４1Mpa，延伸率達(dá)到1９.1％。此外，基于高溫高壓處理的熱等靜壓（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。由表3可知：熱處理可實(shí)現(xiàn)激光增材制造鎳基高溫合金的強(qiáng)化，但會(huì)在一定程度上犧牲材料的韌性；同時(shí)，后處理需要合理調(diào)控加熱溫度、保溫時(shí)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。

表3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

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(gè)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。Ｍａ等學(xué)者制備了Ｎｉ／Al2Ｏ3納米復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)添加納米顆粒后可顯著減小復(fù)合體系的熱影響區(qū)而增大熔化區(qū)，如圖5所示，揭示了激光作用下鎳基納米復(fù)合材料特殊的熔化、凝固特性。此反常現(xiàn)象主要是由于納米顆粒會(huì)減小體系的熱導(dǎo)率，進(jìn)而降低對(duì)基板的傳熱；同時(shí)，納米顆粒可增大熔體的黏度、抑制熱毛細(xì)流動(dòng)，進(jìn)而減少熔池的熱對(duì)流。筆者研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)ＷＣ、TiＣ等微米陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基（Ｉｎｃｏｎｅｌ７1８、Ｉｎｃｏｎｅｌ625等）復(fù)合材料體系，基于SLM和LMD兩類激光增材制造工藝，通過(guò)激光工藝參數(shù)和復(fù)合材料組分調(diào)控，在陶瓷增強(qiáng)顆粒與γ基體間構(gòu)建了（Ti，Ｍ）Ｃ（Ｍ為Ｎｂ、Ｍｏ）梯度界面層，有效控制并消除了界面殘余應(yīng)力、界面微孔及微裂紋等成形缺陷，如圖6（ａ）所示，并揭示了激光作用下梯度界面的形成機(jī)制、顯微結(jié)構(gòu)特征、界面結(jié)合性能；此外，筆者研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)梯度界面可以有效改善陶瓷／基體界面的潤(rùn)濕行為，平衡兩者的硬度差異，并可起到傳遞載荷、調(diào)節(jié)增強(qiáng)顆粒與基體變形行為的作用。筆者研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于增強(qiáng)相／基體間梯度界面設(shè)計(jì)與調(diào)控實(shí)現(xiàn)顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料構(gòu)件強(qiáng)度和韌性協(xié)同提升的調(diào)控原理，解決了激光增材制造復(fù)合材料構(gòu)件通常面臨的強(qiáng)度升高、韌性降低這一對(duì)“強(qiáng)”與“韌”的矛盾。

圖5激光熔化鎳基復(fù)合材料納米粒子的冶金改性機(jī)制

這種在陶瓷增強(qiáng)顆粒與金屬基體之間構(gòu)建梯度界面層的工藝調(diào)控思路，在ＷＣ、TiＣ增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料激光增材制造工藝調(diào)控中也具有普適性和可行性；同時(shí)在以傳統(tǒng)微米陶瓷顆粒為增強(qiáng)相的條件下，為抑制復(fù)合材料界面缺陷、提升界面結(jié)合性能及構(gòu)件成形性能提供了有益的思路。Ｈｏ等學(xué)者也發(fā)現(xiàn)在激光增材制造ＷＣ－Ｗ2Ｃ／Ｉｎｃｏｎｅｌ７1８復(fù)合材料中晶粒易在ＷＣ－Ｗ2Ｃ表面形核，并在界面形成擴(kuò)散層，該顯微組織演變?cè)从谠鰪?qiáng)相與基體之間較小的潤(rùn)濕角及半共格界面。另一方面，筆者團(tuán)隊(duì)研究后發(fā)現(xiàn)，納米TiＣ陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料的激光增材制造，可減小柱狀晶及裂紋形成的概率，基體組織為胞狀晶且增強(qiáng)相分布均勻，如圖6（ｂ）所示。這是由于納米增強(qiáng)顆粒易成為基體熔體的非均勻形核點(diǎn)，從而提高基體的形核率，促進(jìn)胞狀晶形成并細(xì)化組織。基于納米陶瓷復(fù)合及納米改性的思路，通過(guò)激光增材制造非平衡快速熔化凝固過(guò)程中冶金熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為的理解與調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米顆粒空間分布、晶體生長(zhǎng)組織和形態(tài)的調(diào)控與布局，以此亦可實(shí)現(xiàn)激光增材制造鎳基復(fù)合材料構(gòu)件強(qiáng)度和韌性的協(xié)同提升。此外需要指出的是，當(dāng)前激光增材制造復(fù)合材料構(gòu)件的多功能化也是增材制造技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，筆者通過(guò)調(diào)控激光工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了鎳基納米復(fù)合材料表面粗糙度的調(diào)控，獲得了超疏水表面，并使鎳基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐蝕性，如圖6（ｃ）所示。

圖6激光增材制造鎳基梯度界面復(fù)合材料和納米復(fù)合材料的組織與性能調(diào)控。（ａ）微米ＷＣ增強(qiáng)復(fù)合材料的梯度界面；（ｂ）納米TiＣ增強(qiáng)復(fù)合材料的胞狀組織；（ｃ）鎳基納米復(fù)合材料的超疏水表面

3、航空航天典型結(jié)構(gòu)的激光增材制造

3.1大型金屬構(gòu)件的激光增材制造

應(yīng)用于航空、航天、船舶、核電等現(xiàn)代工業(yè)的大型金屬構(gòu)件正朝著復(fù)雜化、一體化、高性能化方向發(fā)展，LMD技術(shù)已證實(shí)可滿足大型金屬構(gòu)件的成形要求。LMD工藝若要在鈦合金、鎳基高溫合金、高強(qiáng)鋼、難熔合金等難加工金屬材料大型關(guān)鍵構(gòu)件上獲得更廣泛的工業(yè)應(yīng)用，仍需進(jìn)一步解決兩大關(guān)鍵難題：一，高能激光長(zhǎng)時(shí)間劇烈非穩(wěn)態(tài)循環(huán)加熱和高速冷卻條件下，成形材料的晶粒形態(tài)及顯微組織很難控制，以凝固晶粒、內(nèi)部缺陷及顯微組織為核心的冶金質(zhì)量和性能控制是激光增材制造大型金屬構(gòu)件的基礎(chǔ)難題；二，激光增材制造過(guò)程中熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、凝固收縮應(yīng)力等多種類型復(fù)雜應(yīng)力的累加與耦合，易導(dǎo)致大型金屬構(gòu)件變形，甚至開裂，大大制約了大型金屬構(gòu)件激光增材制造的控形與控性。

Ｔｏｄｄ研究小組在ＮａｔｕｒｅＭａｔｅｒｉAlS上發(fā)文指出，增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的最大障礙是成形件中的熱應(yīng)力及多種結(jié)構(gòu)缺陷。北京航空航天大學(xué)王華明院士認(rèn)為，內(nèi)應(yīng)力及變形開裂是長(zhǎng)期制約金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)發(fā)展的瓶頸。鈦合金密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)，已被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、主承力構(gòu)件、起落架等，但其較差的加工性能制約了它的工程應(yīng)用范圍。北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊(duì)突破了飛機(jī)鈦合金大型主承力構(gòu)件激光熔化沉積增材制造的關(guān)鍵工藝技術(shù)，研制出了國(guó)際領(lǐng)先的飛機(jī)鈦合金大型結(jié)構(gòu)件激光增材制造工程化成套裝備，該設(shè)備的成形室尺寸為４000ｍｍ×3000ｍｍ×2000ｍｍ。此外，該團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了ＴＡ15、TC4、ＴＣ11等大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)主承力飛機(jī)鈦合金加強(qiáng)框及Ａ－100超高強(qiáng)度鋼飛機(jī)起落架等關(guān)鍵構(gòu)件的激光增材制造，實(shí)現(xiàn)了激光增材制造主承力構(gòu)件的裝機(jī)應(yīng)用，如圖７（ａ）所示。該團(tuán)隊(duì)還提出了大型金屬構(gòu)件LMD成形過(guò)程“內(nèi)應(yīng)力離散控制”新方法，形成了大型結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷、質(zhì)量控制及其無(wú)損檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)，成形的飛機(jī)鈦合金構(gòu)件的綜合力學(xué)性能達(dá)到或超過(guò)了模鍛件。該團(tuán)隊(duì)建立了金屬構(gòu)件激光增材制造過(guò)程中凝固晶粒形態(tài)主動(dòng)控制理論，實(shí)現(xiàn)了具有梯度組織和梯度性能的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金整體葉盤及大型關(guān)鍵主承力構(gòu)件的制造，如圖７（ｂ）所示。該團(tuán)隊(duì)制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片為定向生長(zhǎng)的全柱狀晶組織，具有優(yōu)異的高溫持久蠕變性能，輪盤為等軸晶凝固組織，具有優(yōu)異的各向同性力學(xué)性能，如圖７（ｃ）所示。

圖片圖７大型整體金屬構(gòu)件的激光熔化沉積LMD增材制造。（ａ）鈦合金飛機(jī)大型關(guān)鍵主承力構(gòu)件；（ｂ）航空發(fā)動(dòng)機(jī)梯度性能鈦合金整體葉盤；（ｃ）輪盤－葉片梯度過(guò)渡區(qū)的凝固晶粒組織

西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東、林鑫教授團(tuán)隊(duì)面向中國(guó)Ｃ９1９中型客機(jī)的需求，利用LMD增材制造技術(shù)制造了TC4合金體系Ｃ９1９飛機(jī)翼肋緣條，其長(zhǎng)為3100ｍｍ，如圖８（ａ）所示，探傷和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果皆符合中國(guó)商飛的設(shè)計(jì)要求。在構(gòu)件力學(xué)性能的考核中，LMD增材制造TC4合金試件的高周疲勞性能優(yōu)于實(shí)測(cè)鍛件，且抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的批次穩(wěn)定性優(yōu)于3％。近年來(lái)，隨著高功率激光器、高速掃描振鏡等硬件的不斷升級(jí)，SLM裝備的研制水平持續(xù)提高，該團(tuán)隊(duì)研制的SLM裝備成形尺寸可達(dá)600ｍｍ×600ｍｍ×600ｍｍ。采用四激光器、四振鏡協(xié)同可以提升增材制造的效率，相比單激光、單振鏡加工效率可提升100％～200％。大型SLM裝備的發(fā)展為結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的大型整體金屬構(gòu)件的成形開辟了新途徑，該團(tuán)隊(duì)基于SLM成形的鈦合金風(fēng)扇葉片包邊長(zhǎng)度可達(dá)1200ｍｍ，具有復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，且成形尺寸精度較高，如圖８（ｂ）所示；基于SLM成形的鎳基高溫合金發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣尺寸達(dá)到了Ф5７6ｍｍ×200ｍｍ，為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用驗(yàn)證提供了重要的技術(shù)支撐。

圖８大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的LMD及SLM增材制造。（ａ）LMD成形Ｃ９1９鈦合金翼肋緣條，長(zhǎng)為3100ｍｍ；（ｂ）SLM成形鈦合金風(fēng)扇葉片包邊，長(zhǎng)為1200ｍｍ；（ｃ）SLM成形鎳基高溫合金發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣，尺寸為Ф5７6ｍｍ×200ｍｍ

3.2復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)的SLM

隨著航空航天領(lǐng)域?qū)岫瞬考坌阅芤蟮娜找嫣岣撸w結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造越來(lái)越受到重視，其內(nèi)含復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)、多孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等難加工結(jié)構(gòu)，已超出傳統(tǒng)工藝的成形制造能力，而基于SLM高精度增材制造技術(shù)可使這些復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)的快速制造成為可能。近年來(lái)，航空航天領(lǐng)域采用SLM技術(shù)成形的典型整體構(gòu)件包括火箭推進(jìn)器耐高溫部件、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、燃燒室導(dǎo)流襯套等。美國(guó)國(guó)家航空航天局（ＮＡSＡ）和ＡｅｒｏｊｅｔＲｏｃｋｅｔｄｙｎｅ公司合作，基于SLM增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了液氧、氣態(tài)氫火箭助推器的整體制造。助推器是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，在制造成本中占最大部分。ＮＡSＡ和ＡｅｒｏｊｅｔＲｏｃｋｅｔｄｙｎｅ公司在嚴(yán)格的測(cè)試環(huán)境中對(duì)激光增材制造的助推器整體結(jié)構(gòu)開展了點(diǎn)火試驗(yàn)，如圖９（ａ）所示，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)減重、制造效率和服役性能的顯著提升。整體結(jié)構(gòu)的增材制造技術(shù)已證實(shí)對(duì)未來(lái)的空間探索至關(guān)重要。借助于激光增材制造技術(shù)，ＮＡSＡ提出了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件“制造速度提升10倍、生產(chǎn)成本降低50％以上”的目標(biāo)，其基于SLM技術(shù)成形的如圖９（ｂ）所示的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室銅襯套整體構(gòu)件是其近年來(lái)的成功實(shí)踐。該整體構(gòu)件面向的是導(dǎo)電、導(dǎo)熱性很強(qiáng)的銅合金，該合金是典型的激光增材制造難加工材料。該整體構(gòu)件是基于ＧＲＣｏ－８４銅合金采用SLM工藝，經(jīng)25８ｈ、８255層增材制造而成的。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)推進(jìn)劑的燃燒溫度超過(guò)了2７60℃，故在銅合金襯套內(nèi)部一體化成形了200多個(gè)隨形冷卻流道，溫度在－1７3℃以下的氫在流道中循環(huán)冷卻，以防止構(gòu)件在服役過(guò)程中發(fā)生熔化。對(duì)于襯套整體構(gòu)件內(nèi)部幾何形狀復(fù)雜的微細(xì)流道，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及激光增材制造成形質(zhì)量，將直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的冷卻效率及其服役性能和壽命。對(duì)于輕量化薄壁構(gòu)件內(nèi)部的一體化隨形冷卻流道，其延伸和布局路徑受整體結(jié)構(gòu)形狀的約束，同時(shí)流道的尺寸和結(jié)構(gòu)也制約著整體構(gòu)件的激光成形性，故而向增材制造技術(shù)的發(fā)展提出了更大挑戰(zhàn)及更高要求。

圖９ＮＡSＡ基于SLM成形的銅合金整體構(gòu)件及性能測(cè)試。（ａ）ＮＡSＡ和ＡｅｒｏｊｅｔＲｏｃｋｅｔｄｙｎｅ公司開展的激光增材制造構(gòu)件點(diǎn)火試驗(yàn)；（ｂ）火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室銅合金襯套整體構(gòu)件

美國(guó)通用電氣（ＧＥ）公司基于SLM增材制造技術(shù)研發(fā)了先進(jìn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)（ＡＴＰ）內(nèi)部新型燃油噴嘴，如圖10所示，這是近年來(lái)復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)增材制造航空工業(yè)應(yīng)用的典型案例。燃油噴嘴一般位于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室之前，其主要作用是提供燃料的輸送。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，空氣經(jīng)各級(jí)葉片的壓縮之后被輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)，與此同時(shí)燃料通過(guò)燃油噴嘴霧化或氣化并被輸送到燃燒室內(nèi)，點(diǎn)火后燃料在燃燒室中充分燃燒，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，燃油噴嘴對(duì)加速混合氣體形成，保證燃料穩(wěn)定燃燒和提高燃燒效率具有重要作用。燃油噴嘴作為典型的復(fù)雜裝配體，無(wú)論是成形制造還是裝配組裝，工序多，工裝多，耗時(shí)長(zhǎng)，成本高，且加工精度及穩(wěn)定性很難達(dá)到使用要求，對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù)來(lái)說(shuō)都是一大挑戰(zhàn)。針對(duì)這一難題，ＧＥ公司采用SLM技術(shù)加工Ｉｎｃｏｎｅｌ７1８鎳基高溫合金，實(shí)現(xiàn)了燃油噴嘴的整體設(shè)計(jì)與制造，將原先20個(gè)小部件的“組件”變成一個(gè)整體化燃油噴嘴構(gòu)件，如圖10（ｃ）所示。這不僅可以消除不同部件之間冗余的連接結(jié)構(gòu)，還可對(duì)燃油噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而在從高到低的較寬燃油流量下實(shí)現(xiàn)良好的霧化效果，并抑制燃油霧化不充分的問(wèn)題，進(jìn)而減少積碳。ＧＥ公司基于增材制造技術(shù)整體設(shè)計(jì)制造的這款燃油噴嘴實(shí)現(xiàn)了25％的減重效果，同時(shí)縮短了制造周期，降低了生產(chǎn)成本，且增材制造燃油噴嘴的使用壽命提升了5倍以上。目前，ＧＥ公司這款燃油噴嘴的生產(chǎn)能力為每年35000～４0000件，已應(yīng)用在空客Ａ320ｎｅｏ、波音７3７ＭＡＸ、商飛Ｃ９1９和波音７７７－８等機(jī)型上。

圖10ＧＥ公司基于SLM技術(shù)制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴構(gòu)件［110］。（ａ）先進(jìn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)（ＡＴＰ）；（ｂ）燃油噴嘴在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的工作原理；（ｃ）激光增材制造燃油噴嘴構(gòu)件

3.3輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的SLM

對(duì)于航空航天飛行器而言，減重是永恒不變的主題，而傳統(tǒng)制造方法已將零件減重的可能性發(fā)揮到了極致。將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)相結(jié)合，可使構(gòu)件具有高比強(qiáng)度和高比剛度等優(yōu)異的力學(xué)特性。激光增材制造技術(shù)因具有疊層自由制造的工藝特性，賦予了復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)極高的設(shè)計(jì)及成形自由度，可成形傳統(tǒng)加工方法難以成形的輕量化復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，激光增材制造成形復(fù)雜構(gòu)型輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)已成為熱點(diǎn)研究方向之一，可為航空航天等領(lǐng)域輕量化金屬構(gòu)件性能及功能的突破帶來(lái)新契機(jī)。Ｔａｎｃｏｇｎｅ－ｄｅｊｅａｎ等美國(guó)學(xué)者將經(jīng)典八隅體桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)用于激光增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)出了在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)載荷下均具有優(yōu)異的能量吸收功能的八隅體金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，成形結(jié)構(gòu)在應(yīng)變速率高達(dá)103S－1條件下仍具有良好吸能效果。除了將傳統(tǒng)經(jīng)典結(jié)構(gòu)應(yīng)用于激光增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，基于自然啟迪的創(chuàng)新點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也為構(gòu)件性能帶來(lái)了突破。Ｐｈａｍ等英國(guó)學(xué)者基于金屬晶體硬化機(jī)制，借鑒金屬晶格微尺度結(jié)構(gòu)及位錯(cuò)、晶界等多種強(qiáng)化機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種仿晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)規(guī)則的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)異的耐損傷特性，如圖11所示。此外，基于拓?fù)鋬?yōu)化的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正成為金屬構(gòu)件輕量化及強(qiáng)韌化的重要途徑之一。ＰａｎｅSａｒ等英國(guó)學(xué)者詳盡闡述了拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在激光增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的策略及應(yīng)用，并發(fā)現(xiàn)經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的比剛度較傳統(tǒng)規(guī)則的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)至少提高了４0％～50％。可見(jiàn)，增材制造技術(shù)在航空航天點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域已展現(xiàn)出一定的發(fā)展與應(yīng)用潛力，并以輕量化和高性能作為主要考核目標(biāo)。

圖11基于金屬晶體硬化機(jī)制設(shè)計(jì)的仿晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的增材制造。（ａ）仿金屬微晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；（ｂ）單相與多相晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變差異；（ｃ）數(shù)值模擬得到的仿密排六方晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（ＨＣＰ）的應(yīng)力分布

激光增材制造點(diǎn)陣構(gòu)件已在國(guó)際民航客機(jī)制造領(lǐng)域獲得了實(shí)際工程應(yīng)用，空客商業(yè)飛機(jī)機(jī)艙隔板是近年來(lái)的成功案例。該結(jié)構(gòu)主要用于隔離機(jī)艙乘客區(qū)與乘務(wù)員區(qū)域，同時(shí)還兼具應(yīng)急擔(dān)架和機(jī)組人員安全座椅的功能，如圖12（ａ）所示，故要求該構(gòu)件在保證強(qiáng)度的同時(shí)盡可能減重。空客公司基于SLM技術(shù)設(shè)計(jì)和制造了仿生點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)機(jī)艙隔板，如圖12（ｂ）所示。在成形材料上，此隔板構(gòu)件選用新型輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金SｃAlｍａｏｌｌｙ［115－116］，該合金為稀土元素鈧微合金化Al－Ｍｇ合金，具有較低的密度（2.6７ｇ／ｃｍ3）和良好的SLM加工工藝性能。鈧元素可顯著細(xì)化鋁合金晶粒，故SLM成形合金構(gòu)件具有優(yōu)良的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度約為520Mpa，延伸率約為13％），可作為未來(lái)輕量化結(jié)構(gòu)件及點(diǎn)陣構(gòu)件的理想材料。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，空客研發(fā)人員基于生物啟迪實(shí)現(xiàn)了跨尺度仿生點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖12（ｃ）所示，在宏觀尺度上基于“黏菌自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”算法實(shí)現(xiàn)了主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該算法以最小的行數(shù)連接一組點(diǎn)并使每個(gè)點(diǎn)至少與兩條線相連，因此在一條線出現(xiàn)失效時(shí)該點(diǎn)仍連接在整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，可保障整體構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在微觀尺度上，該構(gòu)件借鑒了骨骼生長(zhǎng)的生物靈感，完成了超過(guò)66000個(gè)網(wǎng)格的排布，實(shí)現(xiàn)了微觀網(wǎng)格稠密度與應(yīng)力分布相匹配，最終使得跨尺度仿生點(diǎn)陣構(gòu)件較原蜂窩復(fù)合材料隔板結(jié)構(gòu)在相同沖力下（９ｇ重力加速度）的位移減少了８％（９ｍｍ）。在成形工藝上，該構(gòu)件采用SLM技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件一體化高效成形，如圖12（ｄ）所示，最終的機(jī)艙隔板構(gòu)件由112個(gè)部件組裝而成，相較于原蜂窩復(fù)合材料隔板構(gòu)件減重４5％（30ｋｇ），從而可使空客每年節(jié)省４65000ｔ二氧化碳排放量，并有望批量化應(yīng)用于Ａ320客機(jī)上。

圖12空客公司基于SLM技術(shù)設(shè)計(jì)制造的新型仿生點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)機(jī)艙隔板。（ａ）機(jī)艙仿生隔板結(jié)構(gòu)圖；（ｂ）機(jī)艙仿生隔板實(shí)物圖；（ｃ）跨尺度仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（ｄ）機(jī)艙仿生隔板零部件選區(qū)激光熔化成形實(shí)物圖

3.４多功能仿生結(jié)構(gòu)的SLM

激光增材制造金屬構(gòu)件正從高性能化向多功能化發(fā)展，Ｎａｔｕｒｅ以“推開3D打印的限制”為題發(fā)表評(píng)述指出，材料和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造將助力3D打印技術(shù)的發(fā)展，并建議“向自然界‘借’材料、‘借’結(jié)構(gòu)”，道法自然，突出生物仿生（ｂｉｏｍｉｍｉｃｒｙ）、生物靈感（ｂｉｏ－ｉｎSｐｉｒｅｄ），以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。未來(lái)增材制造的發(fā)展將更加凸顯材料的創(chuàng)造、結(jié)構(gòu)的仿生以及多功能的集成優(yōu)化。生物系統(tǒng)經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的進(jìn)化和自然選擇，已形成并優(yōu)化了其復(fù)雜的多層級(jí)組織結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最優(yōu)的性能／功能來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境的變化。許多生物系統(tǒng)具有獨(dú)特的多功能組合，而這往往是人工合成材料難以實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)代分析表征技術(shù)已證實(shí)，天然材料的優(yōu)異性能或特殊功能，是依靠其內(nèi)部復(fù)雜的多層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其尺度范圍通常橫跨納米尺度到宏觀尺度。對(duì)于性能／功能驅(qū)動(dòng)的增材制造，基于生物靈感的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是創(chuàng)新增材制造結(jié)構(gòu)的重要途徑之一，并有望實(shí)現(xiàn)增材制造結(jié)構(gòu)性能／功能的躍升。

Ｎａｔｕｒｅ刊發(fā)的題為《生物材料進(jìn)化的啟迪及其應(yīng)用》綜述性論文認(rèn)為，生物材料蘊(yùn)含著大量的源自于自然界的成分與結(jié)構(gòu)信息，并指出盡管生物材料的化學(xué)成分一直是其設(shè)計(jì)關(guān)注的焦點(diǎn)，但對(duì)于其在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，應(yīng)更關(guān)注其在結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、力學(xué)性能、功能等方面的物理屬性及響應(yīng)。Sciencs以《賦予遠(yuǎn)古材料新的機(jī)會(huì)》為題刊發(fā)綜述性論文，該文指出，蜘蛛網(wǎng)所具有的高強(qiáng)度和高延展性的優(yōu)異組合是迄今為止人工合成材料無(wú)法獲取的；從材料本質(zhì)上而言，蜘蛛絲實(shí)際上是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的蛋白質(zhì)，但生物結(jié)構(gòu)賦予其高性能及多功能。這種基于生物啟迪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿生優(yōu)化，有望用于構(gòu)建多功能的材料及構(gòu)件系統(tǒng)。仿生的本質(zhì)是學(xué)習(xí)天然結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法及材料布局，這是一個(gè)從納／微觀尺度向宏觀尺度連續(xù)演變的大跨尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉAlS刊發(fā)的綜述性論文《仿生材料微／納米制造：自然結(jié)構(gòu)仿生的方法綜述》”給出了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般性方法，其程序包括：基于預(yù)期獲取的獨(dú)特功能在生物系統(tǒng)中尋找生物靈感；建立跨尺度仿生結(jié)構(gòu)與宏觀性能／功能之間的關(guān)系；設(shè)計(jì)遴選合適的材料及工藝；構(gòu)建仿生結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)所需的功能。同時(shí)，該論文指出仿生設(shè)計(jì)在原理上很簡(jiǎn)單，但在實(shí)際制造中卻有相當(dāng)難度，原因主要是多材料合理匹配與布局的挑戰(zhàn)及微／宏大跨尺度仿生結(jié)構(gòu)制造工藝的約束性。

筆者研究團(tuán)隊(duì)基于下一代高超音速飛行器、空間探測(cè)器等航空航天裝備的整體化、多功能化發(fā)展趨勢(shì)及潛在工程應(yīng)用，面向減振抗沖擊、隔熱／防熱等綜合功能需求，創(chuàng)新發(fā)展了仿生結(jié)構(gòu)及材料布局，實(shí)現(xiàn)了仿生結(jié)構(gòu)的激光整體增材制造及其多功能化，其中涉及結(jié)構(gòu)、材料、工藝、功能等多因素的耦合、匹配及一體化調(diào)控。面向減振抗沖擊功能，一是考慮口足目生物口蝦蛄（別稱皮皮蝦）尾節(jié)，如圖13（ａ）所示，其獨(dú)特的生物結(jié)構(gòu)能使其抵抗競(jìng)爭(zhēng)捕食過(guò)程中超過(guò)1500Ｎ、23ｍ／S的沖擊力，其能量吸收機(jī)理類似于沙袋，本身吸收和消散能量，而不使能量反向傳遞。通過(guò)解析皮皮蝦尾部的宏觀構(gòu)型，筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種仿生雙向波紋板結(jié)構(gòu)，揭示了高度和波長(zhǎng)兩個(gè)結(jié)構(gòu)變量對(duì)仿生結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的比能量吸收（SＥＡ）、沖擊力效率（ＣＦＥ）及應(yīng)力分布的影響規(guī)律，該結(jié)構(gòu)的SＥＡ可達(dá)到４5Ｊ／ｇ，ＣＦＥ最高為８5％，這表明其具有優(yōu)良的能量吸收能力及抗沖擊穩(wěn)定性。二是考慮水蜘蛛在水下構(gòu)建的住所———潛水鐘，如圖13（ｄ）所示，其能長(zhǎng)時(shí)間承受不同流速、不同方位水流的沖擊，具有優(yōu)異的韌性和抗沖擊能力，并具有桁架結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的輕量化特征。針對(duì)仿生水蜘蛛潛水鐘網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)尺寸跨度大、懸垂結(jié)構(gòu)多、加工難度大等難題，筆者團(tuán)隊(duì)研究了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)單元特征對(duì)SLM成形構(gòu)件尺寸精度、致密化行為和壓縮性能的影響規(guī)律，揭示了仿生網(wǎng)殼構(gòu)件在壓縮過(guò)程中的變形行為及斷裂機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)隨著網(wǎng)殼支柱直徑增加，主導(dǎo)斷裂機(jī)制從應(yīng)力控制斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榭紫堵士刂茢嗔选Ｈ强紤]到黃道蟹蟹鉗具有密集螺旋排布的多孔道結(jié)構(gòu)特征，筆者團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立參數(shù)化仿生結(jié)構(gòu)三維模型，基于SLM工藝研究了旋轉(zhuǎn)增量和孔道分布特征對(duì)仿生蟹鉗結(jié)構(gòu)變形行為的影響規(guī)律；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SLM成形件截面熔池堆疊方式呈顯著的螺旋特征，較小的旋轉(zhuǎn)增量易導(dǎo)致試件在壓縮過(guò)程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞／失效，并發(fā)現(xiàn)基于仿生設(shè)計(jì)引入的孔道結(jié)構(gòu)因在壓縮變形過(guò)程中發(fā)生彈性屈曲而顯著提高了SLM成形件的韌性。針對(duì)隔熱／防熱功能，考慮到挪威雪杉能在極寒環(huán)境下生存并能抵御強(qiáng)風(fēng)的特點(diǎn)，筆者團(tuán)隊(duì)以其莖干截面顯微結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)靈感，構(gòu)建了一種兼具承載及隔熱／防熱功能的可重復(fù)使用的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，建立了以梯度分布的中空管為功能層并配合兩個(gè)面板層形成夾層的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率僅為2.321Ｗ／（ｍ·Ｋ），比壓縮強(qiáng)度高達(dá)９８.９９Mpa／（ｇ／ｃｍ3），仿挪威雪杉熱防護(hù)結(jié)構(gòu)可兼具良好的力學(xué)性能和熱防護(hù)性。可見(jiàn)，仿生設(shè)計(jì)為功能驅(qū)動(dòng)的增材制造結(jié)構(gòu)優(yōu)化及多功能化提供了新途徑，但“結(jié)構(gòu)易仿、制造不易、科學(xué)更難”，其中涉及的關(guān)鍵科學(xué)難題包括：仿生微結(jié)構(gòu)與構(gòu)件典型功能的映射關(guān)系及優(yōu)化模型；仿生設(shè)計(jì)的跨尺度結(jié)構(gòu)激光增材制造工藝約束性及成形機(jī)制；激光增材制造仿生結(jié)構(gòu)的多功能一體化評(píng)價(jià)方法及響應(yīng)機(jī)制等。因此，增材制造新技術(shù)與仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相輔相成、相得益彰，而關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究則貫穿于材料－結(jié)構(gòu)－功能一體化的全過(guò)程各領(lǐng)域。

圖13激光增材制造輕量化抗沖擊仿生功能結(jié)構(gòu)。（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(gòu)SLM加工；（ｃ）仿生雙向波紋板結(jié)構(gòu)高度和波長(zhǎng)參數(shù)對(duì)沖擊力效率（ＣＦＥ）的影響；（ｄ）水蜘蛛及其在水下構(gòu)建的住所———潛水鐘；（ｅ）SLM成形仿生網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；（ｆ）仿生網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的壓縮力－位移曲線

４、結(jié)束語(yǔ)

增材制造具有豐富的科學(xué)內(nèi)涵，主要體現(xiàn)在：1）圍繞“增”字，涉及“工藝調(diào)控基礎(chǔ)”，激光增材制造涉及高能激光與金屬粉體的作用機(jī)理及復(fù)雜構(gòu)件逐層堆積工藝的調(diào)控機(jī)制，特別是對(duì)于激光與粉末物質(zhì)的作用，其尺度是幾十至數(shù)百微米的顆粒量級(jí)，是一個(gè)典型的介于微觀和宏觀之間的“介觀”尺度問(wèn)題；2）圍繞“材”字，涉及“材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”，主要涉及激光增材制造金屬、合金及金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備方法及成形機(jī)制，其中激光成形材料顯微組織調(diào)控是典型的“微觀”尺度問(wèn)題；3）圍繞“制造”一詞，則涉及“結(jié)構(gòu)與性能／功能基礎(chǔ)”，尤其是增材制造構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能／功能調(diào)控，是典型的“宏觀”尺度問(wèn)題。可見(jiàn)，激光增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)微觀－介觀－宏觀跨尺度的材料－結(jié)構(gòu)－工藝－性能／功能一體化，這是由其科學(xué)內(nèi)涵所決定的。思考激光增材制造技術(shù)未來(lái)的研究與發(fā)展趨勢(shì)，下列方向值得進(jìn)一步關(guān)注：

1）以高性能／多功能為驅(qū)動(dòng)的激光增材制造材料－結(jié)構(gòu)－工藝一體化及性能／功能的主動(dòng)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的材料－結(jié)構(gòu)－性能／功能一體化的思路，是在選材的基礎(chǔ)上，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝來(lái)獲取一定的性能／功能；在這種“自上而下”的方法中，性能／功能的實(shí)現(xiàn)是被動(dòng)的，也存在反復(fù)試湊與優(yōu)化的過(guò)程。而未來(lái)激光增材制造技術(shù)的發(fā)展則可從擬實(shí)現(xiàn)的性能／功能出發(fā)來(lái)主動(dòng)選擇材料，并強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的廣義性（除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料、工藝甚至性能／功能本身都需要設(shè)計(jì)）及增材制造工藝的可控性（達(dá)到高速、高效、高精度、高可靠性的效果），進(jìn)而主動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。特別是在航空航天領(lǐng)域機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜度不斷提高、構(gòu)件性能／功能集合度不斷增強(qiáng)的發(fā)展趨勢(shì)下，采用這種性能／功能驅(qū)動(dòng)的“自下而上”的材料－結(jié)構(gòu)－工藝一體化的思路，對(duì)于在復(fù)雜加工系統(tǒng)中主動(dòng)實(shí)現(xiàn)增材制造構(gòu)件的高性能和多功能化具有重要意義。

2）面向激光增材制造的“多相材料”和“多材料”設(shè)計(jì)、制備與成形，以實(shí)現(xiàn)將“合適的材料添加到合適的位置”。面向激光增材制造的新型二元或多元合金、納米顆粒改性金屬基復(fù)合材料、原位增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料等“多相材料”（ｍｕｌTiｐｈａSｅｍａｔｅｒｉAl）的設(shè)計(jì)與制備，是解決傳統(tǒng)金屬材料比強(qiáng)度和比剛度低、耐蝕性差等劣勢(shì)的有效途徑，而激光成形材料本身仍是均質(zhì)材料。一方面，多相材料的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)可以通過(guò)材料設(shè)計(jì)軟件和高通量實(shí)驗(yàn)方法加以定制，定量預(yù)測(cè)材料成分和組元對(duì)激光加工性能和增材制造構(gòu)件性能的影響規(guī)律，目標(biāo)是在短時(shí)間內(nèi)篩選出具有預(yù)期特性及性能的多相材料，以提高激光增材制造新材料的研發(fā)成效。另一方面，隨著強(qiáng)化相粒子（如陶瓷顆粒、稀土元素及原位形成的化合物等）相繼被引入到激光增材制造高性能金屬構(gòu)件中，強(qiáng)化相的形成機(jī)制、分散狀態(tài)及界面結(jié)合性能等問(wèn)題制約著增材制造構(gòu)件的高性能化，故可采用原位分析技術(shù)（如高速同步輻射Ｘ射線顯微成像技術(shù)、中子小角散射實(shí)驗(yàn)技術(shù)等）研究強(qiáng)化相的運(yùn)動(dòng)與分布行為、冶金缺陷形成規(guī)律及顯微組織演變規(guī)律，這對(duì)于深入理解激光增材制造材料的成形機(jī)制及性能提升機(jī)制具有重要作用。而從“多相材料”躍升至“多材料”（ｍｕｌTiｐｌｅｍａｔｅｒｉAlS）增材制造，則是在同一個(gè)成形構(gòu)件內(nèi)部的不同位置布局不同的打印材料，真正實(shí)現(xiàn)將“合適的材料添加到合適的位置”，以應(yīng)對(duì)構(gòu)件不同部位的性能／功能需求。這對(duì)激光增材制造的裝備和工藝提出了變革性要求，打印裝備中的粉末輸運(yùn)系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、粉末搜集系統(tǒng)及對(duì)應(yīng)的軟件控制系統(tǒng)均需重新設(shè)計(jì)，以應(yīng)對(duì)多材料打印的需求。同時(shí)，在打印工藝上，多材料布局依賴于對(duì)激光增材制造工藝更為精準(zhǔn)的微／宏觀跨尺度調(diào)控與優(yōu)化。

3）基于激光增材制造創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的高性能化和多功能化，以凸顯“獨(dú)特的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的功能”。隨著激光增材制造技術(shù)的日臻成熟，特別是面向航空航天領(lǐng)域的嚴(yán)苛的服役環(huán)境需求，成形材料及構(gòu)件的力學(xué)性能已不再是唯一的追求目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)材料／構(gòu)件的多功能化正成為重要的發(fā)展趨勢(shì)。借助增材制造技術(shù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多材料一體化成形能力，通過(guò)仿生結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、超材料、超結(jié)構(gòu)等創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有望實(shí)現(xiàn)增材制造材料／構(gòu)件在光、聲、熱、電、磁等功能領(lǐng)域的突破，甚至是顛覆。激光增材制造創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多功能設(shè)計(jì)、多材料布局、工藝精準(zhǔn)調(diào)控是構(gòu)件實(shí)現(xiàn)材料－結(jié)構(gòu)－功能一體化的重要方向。基于多物理場(chǎng)的數(shù)值模擬仿真，融合機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生等新興的人工智能技術(shù)，可為功能化材料／結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論指導(dǎo)；多材料打印、微／宏觀大跨尺度結(jié)構(gòu)打印、多工藝混合多進(jìn)程打印等創(chuàng)新增材制造技術(shù)的研發(fā)，可為功能化材料／結(jié)構(gòu)的成形提供技術(shù)支撐。

４）面向全尺寸構(gòu)件和全工藝流程的激光增材制造工藝仿真、監(jiān)測(cè)及優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)與方法。激光增材制造數(shù)值仿真需要考慮高能激光輻照下非平衡熔池內(nèi)多相能量、動(dòng)量和質(zhì)量的多形式物理冶金行為，當(dāng)前的數(shù)值仿真物理模型普遍為成形數(shù)道或數(shù)層的計(jì)算當(dāng)量，需進(jìn)一步拓寬至全尺寸構(gòu)件級(jí)成形過(guò)程的熱場(chǎng)、流場(chǎng)、相場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的調(diào)控研究，進(jìn)而需進(jìn)一步合理匹配物理模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。另一方面，需基于數(shù)值仿真方法研究增材制造構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征、成形工藝、成形環(huán)境對(duì)成形質(zhì)量和成形穩(wěn)定性的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)成形質(zhì)量、成形效率及潛在的成形風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題的預(yù)判。未來(lái)在航空航天等領(lǐng)域的增材制造技術(shù)研究與應(yīng)用方面，應(yīng)建立成形構(gòu)件的材料數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、工藝策略數(shù)據(jù)庫(kù)等仿真數(shù)字平臺(tái)與成形設(shè)備、成形過(guò)程監(jiān)控等成形平臺(tái)的數(shù)字孿生集成化，實(shí)現(xiàn)成形構(gòu)件虛擬制造評(píng)估與生產(chǎn)過(guò)程仿真評(píng)估；通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)建立成形設(shè)備參數(shù)、過(guò)程監(jiān)控與監(jiān)測(cè)指標(biāo)評(píng)判方法，為激光增材制造工藝優(yōu)化、成形質(zhì)量提升、制造穩(wěn)定性調(diào)控提供預(yù)判方法及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支撐。

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