頂刊綜述《Materials Today》通過增材制造進行合金設計：優(yōu)勢、挑戰(zhàn)、應用和前景

來源：材料學網(wǎng)

導讀：本文提出的增材制造（AM）技術迅速改變了許多大型和小型行業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境。通過從頭開始重新審視零件，不局限于傳統(tǒng)制造技術帶來的挑戰(zhàn)，研究人員和工程師們已經(jīng)開發(fā)了新的設計策略，以解決全球范圍內(nèi)的大規(guī)模材料和設計問題。隨著定向能量沉積（DED）和基于粉末床熔融（PBF）的增材制造技術的出現(xiàn)，可以以比以往更低的成本和更短的交貨時間快速創(chuàng)新和評估新合金。本文詳細介紹了主要使用基于激光的增材制造進行合金設計的優(yōu)勢，挑戰(zhàn)，應用和前景。工業(yè)界和學術界的研究人員可以利用這項工作來設計新合金，并且利用金屬增材制造工藝將其用于各種當前和未來的應用。

在過去十年中，金屬增材制造（AM）引起了生物醫(yī)學，航空航天，能源和核領域制造商的廣泛興趣。 使用傳統(tǒng)制造方法無法創(chuàng)建具有獨特結(jié)構和成分特征的組件的能力，導致工程師和研究人員對實驗室規(guī)模的材料和結(jié)構創(chuàng)新以及大規(guī)模零件生產(chǎn)環(huán)境的興趣不斷擴大。近年來，我們觀察到AM改善了許多不同領域的現(xiàn)有績效和供應鏈特征。然而，更重要的是，制造商和研究人員開始向我們展示，將它與傳統(tǒng)公認的工藝相比，這項技術表述了如何通過調(diào)整整個材料設計-制造工藝來改變未來。

更具體地說，增材制造技術正在改變眾多行業(yè)不同傳統(tǒng)公司的設計和制造結(jié)構的方式，以增加復雜性，使其更好的定制和整合，以提高效率和功能。此外，

AM技術的三個最常被引用的原因是（i）原型設計，（ii）產(chǎn)品開發(fā)和（iii）創(chuàng)新。表明公司在AM的產(chǎn)品的未來開發(fā)方面投入了大量資金。最近的幾篇評論指出，增材制造知識產(chǎn)權（IP）的轉(zhuǎn)變和特定領域的"碎片化"引出個人研究如何在十年內(nèi)變得更加集中，從而改善材料設計和制造領域的未來。 此外，AM向世界表明，以面罩，呼吸器和其他必要物品的形式對COVID-19等全球流行病做出快速反應是可能的。與過去不同的是，材料開發(fā)和制造不再是嚴峻形勢下設計制造的瓶頸。

特別是在金屬材料方面，增材制造已經(jīng)改變了我們設想用于特殊應用的新合金的方式�；�于AM獨特的處理能力，該領域的新發(fā)展是該領域下一波創(chuàng)新浪潮中最令人興奮的方面之一。在激光AM（LAM）的理想特性中，高冷卻速率以及從元素粉末中熔化和成型組件的能力傳統(tǒng)上需要高溫電弧熔化設施以及隨后的加工步驟。

基于增材制造的顯著優(yōu)勢，華盛頓州立大學機械與材料工程學院結(jié)合了學術界和工業(yè)界的必要見解，從使用金屬增材制造合金設計的動機開始，討論制造商和研究人員面臨的主要優(yōu)勢和挑戰(zhàn)；也就是說，以前開發(fā)的合金并不總是最適合金屬增材制造，克服以生產(chǎn)為中心的新材料創(chuàng)新和設計障礙；最后討論過去和當前在開發(fā)新的鋁和鈦合金、鋼合金、高熵合金和磁性合金方面的工作，這些合金表現(xiàn)出比現(xiàn)有材料更高的性能和特性。最后，我們將對未來趨勢和所設想的挑戰(zhàn)進行批判性審視，包括建模工具和為關鍵應用開發(fā)功能梯度結(jié)構。隨著與金屬增材制造相關的文獻迅速增加，制造商需要有一條結(jié)合學術界和工業(yè)專業(yè)人士的見解和觀點來采用這項技術的途徑。相關研究以題“Heat treatment effects on the hydrogen embrittlement of Ti6Al4V fabricated by laser beam powder bed fusion”發(fā)表在國際著名期刊materialstoday上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 9702121004314#f0030

高價值、復雜的部件，如生物醫(yī)學植入物、航空航天發(fā)動機部件、核反應堆部件等（見圖1），圖1顯示了通過LAM生產(chǎn)生物醫(yī)學部件的幾個示例，如果使用傳統(tǒng)加工方法進行加工或鑄造將具有挑戰(zhàn)性或過于昂貴。圖1b顯示了這方面的一個例子，其中將設想從新的或現(xiàn)有的材料中形成一個塊狀部件，針對幾何形狀的特定設計優(yōu)化，以及為最終用戶量身定制的新合金的特定地點特征。這些調(diào)整可以通過測試活動或過程監(jiān)控來定義，并輔以基于機器學習的程序，這些程序可以幫助基于可測量的屬性和過程指標進行處理優(yōu)化和可靠性，以了解加法過程的輸入。這些類型的應用程序促使人們投入大量資金來開發(fā)添加劑的生產(chǎn)方法，以降低許多行業(yè)的總體成本和供應鏈復雜性。

圖1.當前使用基于激光的增材制造的合金設計方法的示例。（a） 將合金設計納入制造過程的一般工作流程。（b） 標準生物醫(yī)學螺釘應用所述工作流程的實施示例。

圖2.使用傳統(tǒng)方法和主要基于金屬的AM方法（定向能沉積（DED）和粉末床熔融（PBF））的合金設計方法的比較。

圖3.基于定向能量沉積（DED）和粉末床熔融（PBF）的增材制造方法。

圖 4.使用合金設計項目的示例：（a）利用多粉末喂料機設計的DED，以及（b）利用不同參數(shù)集產(chǎn)生可變微觀結(jié)構和性能的PBF技術。

圖5.鐵基和鎳基合金的合金設計特點示例。（a） Cr–Si–B改性鎳基合金微裂紋的掃描速度影響示例，。（b）基于液滴的模擬示例，以了解冷卻速率在基于激光的AM期間對Ni-Cr-Si三元系統(tǒng)所產(chǎn)生微觀結(jié)構的影響。

目前在增材制造領域有兩種關于合金設計和開發(fā)的研究方向。一是將傳統(tǒng)合金轉(zhuǎn)化為增材制造可接受的合金，二是發(fā)現(xiàn)新合金。增材制造的很大一部分人尋求在更大的制造業(yè)中尋找工藝接受度。有針對特定應用和演示目的的有據(jù)可查的成功案例，但金屬增材制造零件在納入最終用途產(chǎn)品方面的成功有限。在傳統(tǒng)制造領域，增材制造工藝本身并沒有被證明足夠強大，無法納入最終用途產(chǎn)品。使這個問題更加復雜的是關于 AM 合金設計允許值的信息有限，并且普遍缺乏工業(yè)應用中組件認證所需的材料數(shù)據(jù)。為此，許多資源一直致力于在增材制造工藝范式中開發(fā)和驗證經(jīng)過行業(yè)驗證的傳統(tǒng)合金，而不是為新興和令人興奮的應用開發(fā)新合金。

圖6.合金設計的例子正在用于鋁基材料的開發(fā)。（a） 示意圖顯示了孕育劑相在凝固后對所得等軸微觀結(jié)構的影響。（b） 通過計算和Al-Ce類合金開發(fā)實驗預測的結(jié)果微觀結(jié)構。

圖7.通過AM開發(fā)鈦基合金的例子。（a）銅改性鈦對柱狀至等軸晶粒結(jié)構的影響。（b）超聲波振動對基于DED的鈦合金加工中晶粒細化和柱狀結(jié)構還原的影響，顯示缺乏紋理和等軸微觀結(jié)構。

圖8.使用AM的合金設計中新穎的多材料概念。（a）應用DED設計Ti-Ta合金，以增加生物相容性和平衡在微觀結(jié)構中加入鉭的加工性挑戰(zhàn)（b）使用線基DED的多材料AM組合電纜概念。

圖9.下一代功能分級材料（FGM）的示例以及通過可變加工策略實現(xiàn)此類結(jié)構的相關努力。（a）Ti–6Al–4V/Al12Si 接頭的加工。（b）由Ti–6Al–4V和SS410制造的雙金屬結(jié)構。（c）在鉻鎳鐵合金718上沉積銅合金。磁性-非磁性接頭由不同的不銹鋼制成。

圖10.金屬-陶瓷復合材料開發(fā)實例。（a）層狀金屬-陶瓷復合材料。（b）鈦制氧化鋁（鋁）2或3）結(jié)構。（c）使用DED的金剛石增強切割工具設計。

總結(jié)：增材制造（AM）迅速改變了許多行業(yè)的大規(guī)模和小規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境，并為重新構想新興應用的合金設計開辟了機會。隨著定向能沉積（DED）和基于粉末床熔融（PBF）添加劑的加工的開始，可以以比傳統(tǒng)方法更低的成本快速設計和評估新合金。這項工作概述了使用激光AM（LAM）實現(xiàn)合金設計的方法和機制，即欲混合動態(tài)方法中的DED和PBF。此外，還討論了使用不同方法的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，以及工業(yè)和文獻中發(fā)現(xiàn)的不同材料系統(tǒng)和策略，例如鎳，鈦和鋁合金。最后，討論了未來的挑戰(zhàn)和新興趨勢，例如仿真，以提高加工可靠性，并為特定應用開發(fā)功能梯度材料和結(jié)構。據(jù)設想，行業(yè)和學術研究人員將引領未來的合金設計工作，在許多應用中利用LAM的優(yōu)勢。