金屬激光增材制造材料設(shè)計研究進(jìn)展

來源：多尺度力學(xué)

激光增材制造已被廣泛認(rèn)為是應(yīng)對個性化、復(fù)雜金屬構(gòu)件整體成形挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)方法。當(dāng)前，針對金屬增材制造的研究主要基于傳統(tǒng)的合金種類。然而，由于傳統(tǒng)的合金成分是基于平衡凝固過程設(shè)計的，它們往往無法適應(yīng)增材制造的非平衡冶金動力學(xué)特性，這導(dǎo)致了一系列共性問題，如高裂紋敏感性、低韌性和疲勞度，以及各向異性等。因此，為了充分利用激光增材制造的非平衡凝固特性所帶來的優(yōu)勢和價值，我們需要進(jìn)行面向這一制造方法的新型材料成分設(shè)計研究。這不僅將解決現(xiàn)有技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，還有望推動增材制造技術(shù)在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用和提升。來自華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室的史玉升等人綜述了鋁合金、鈦合金、鐵基合金和鎂合金等合金在增材制造中遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)。同屬討論針對增材制造的創(chuàng)新材料設(shè)計方法，以及新型合金和復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展。并在文章最后提出了金屬增材制造材料設(shè)計的未來發(fā)展趨勢。

圖1 激光增材制造(LAM)原理示意圖(a)SLM; (b)LCD

LAM主要包括基于粉末床的選區(qū)激光熔化(selective laser melting,SLM)技術(shù)和基于同步送粉的激光熔覆沉積(laser cladding deposition,LCD)技術(shù),成形原理示意圖分別如圖1(a)和(b)所示。LAM技術(shù)的主要優(yōu)勢在于激光熱源適用材料范圍廣、能量密度高、成形精度高等。

圖2 Ti改性2xxx 鋁合金的相圖、裂紋敏感因子、生長抑制因子、反極圖和晶粒尺寸分布

圖3 SLM成形(TiB+TiC)/Ti復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)演化示意圖

圖4 LCD制備的Fe19Ni5Ti試樣及其拉伸測試

圖5 非晶合金的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線示意圖及制備的鐵基非晶合金結(jié)構(gòu)

文章中介紹LAM技術(shù)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的研究現(xiàn)狀，以及面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。史玉升等人在文章中指出當(dāng)前金屬增材制造材料改性的方法主要包括元素比例調(diào)控、合金元素改性以及陶瓷顆粒改性等。這些方法的原理都是通過調(diào)整材料成分來控制熔池的凝固過程，進(jìn)而實現(xiàn)冶金缺陷的抑制和材料的強(qiáng)韌化。例如，引入形核劑、改變成分過冷條件、調(diào)控物相等手段。然而，這些方法仍面臨設(shè)計理論不完善、設(shè)計層級不全面、材料體系不健全、性能研究不系統(tǒng)等諸多挑戰(zhàn)。

相關(guān)研究成果以“金屬激光增材制造材料設(shè)計研究進(jìn)展”為題發(fā)表在金屬學(xué)報(2021,51(3):648-701)上，論文第一作者為宋波，通訊作者為史玉升。

論文鏈接：https://www.ams.org.cn/clyj/CN/10.11900/0412.1961.2022.00026