摘要

增材制造（AM），同樣被稱(chēng)為3D打印，是一個(gè)備受關(guān)注的領(lǐng)域，已被公認為是一種以逐層方法生產(chǎn)工程組件的先進(jìn)工藝。它既為現有設計提供了替代的制造路線(xiàn)，又支持了使用傳統技術(shù)無(wú)法實(shí)現的復雜性的新設計。在不同的AM加工路線(xiàn)中，激光增材制造（LAM）是令人鼓舞的增材制造手段之一，因為它具有以低成本、高質(zhì)量和高生產(chǎn)率制造產(chǎn)品的潛力?？紤]到在這個(gè)新的和令人興奮的領(lǐng)域正在進(jìn)行許多研究，這篇綜述論文論證了目前的技術(shù)水平，并考慮了未來(lái)研究的新途徑。它探索了LAM過(guò)程中的關(guān)鍵冶金現象，以及不同LAM技術(shù)路線(xiàn)在粉末床熔合（PBF）或定向能沉積（DED）方面的差異，涉及不同形式的粉末床，粉末進(jìn)料和送絲組裝。重點(diǎn)介紹了各種實(shí)際應用的先進(jìn)和高適用材料的微觀(guān)結構、功能和機械性能，包括不銹鋼、鎳基和高溫合金、鈦基合金和金屬基復合材料（MMC），以及不同預處理和后處理特性的影響。下文將對現場(chǎng)進(jìn)行評估；強調了科學(xué)理解上的差距，這可能會(huì )限制金屬零件設計用LAM技術(shù)的發(fā)展

1.介紹

美國材料與試驗學(xué)會(huì )（ASTM）將加性制造（AM）定義為“一種將材料連接起來(lái)，從3D模型數據中制造物體的過(guò)程，通常是一層接一層的過(guò)程，與減法制造方法相反”。在文獻中也可稱(chēng)為3D打印、快速原型和直接數字制造。根據這個(gè)定義，所有類(lèi)別的材料都可以通過(guò)AM處理，包括陶瓷、金屬、復合材料、聚合物和有機結構。AM作為一種加工材料的方法已經(jīng)使用了20多年，盡管最初它僅限于多孔結構的快速成型。隨著(zhù)時(shí)間的推移，這項技術(shù)得到了改進(jìn)，生產(chǎn)出的零件具有可接受的密度和質(zhì)量，可用于現場(chǎng)應用。最近，它正在發(fā)展成為一種重要的商業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，能夠用多種材料制造可靠且致密的零件，包括鋼、鎳基合金、鈦基合金、金屬基復合材料。AM技術(shù)可根據進(jìn)給系統（粉末床、粉末進(jìn)給和線(xiàn)進(jìn)給）以及能源（激光束、電子束、電弧、等離子體等）和材料（金屬、陶瓷、聚合物、復合材料等）等進(jìn)行分類(lèi)。

增材攪拌摩擦法制造成分梯度變化的復合材料。

圖在上圖中，清楚地展示了通過(guò)FSP方法處理FGM的不同步驟。如圖所示，通過(guò)加工具有不同深度的后續不同凹槽，在凹槽內預放置不同粉末，并使用具有不同長(cháng)度銷(xiāo)的不同工具，一個(gè)化學(xué)成分梯度轉變的攪拌區域逐步產(chǎn)生，而在不同步驟中加工的初始板的厚度沒(méi)有任何變化。此外，通過(guò)改變凹槽的寬度，可以在每層的每個(gè)步驟中控制增強劑的體積分數。在這種預先放置粉末的板材系統上完成多道次重疊FSP工藝，可以使夾雜物均勻分散，原位生成新相，并強化致密化和顯著(zhù)的晶粒結構細化。這一過(guò)程類(lèi)似于一種增材制造，通過(guò)層層改變化學(xué)和顆粒結構來(lái)達到產(chǎn)品的最終狀態(tài)。因此，可以將其歸類(lèi)為AFSM技術(shù)生產(chǎn)功能梯度材料的發(fā)展路線(xiàn)。

金屬部件的AM可被視為傳統制造工具的高級組合，例如粉末冶金，以及分別在粉末制備和處理，熔融區形成和熔覆層堆疊方面的焊接和連接。雖然利用這些知識領(lǐng)域很有用，但它們確實(shí)提供了對金屬增材制造（MAM）各個(gè)方面的充分理解。這項技術(shù)可能會(huì )極大地改變金屬零件建筑和設計行業(yè)的面貌。因此，大量的研究活動(dòng)特別針對金屬材料的3D制作引發(fā)了幾篇評論，重點(diǎn)關(guān)注加工參數、微觀(guān)結構特征、機械性能和功能性能之間的相關(guān)性。然而，考慮到將該技術(shù)應用于更多金屬和合金方面的快速發(fā)展，必須迅速更新文獻，以涵蓋與冶金特征相關(guān)的新概念和問(wèn)題

本文概述了有關(guān)AM的文獻，重點(diǎn)介紹了用于金屬部件選擇性熔化和3D制造的激光能源，或激光增材制造（LAM）。該LAM技術(shù)可根據其原料分為兩類(lèi)：（i）粉末層熔合（PBF，例如選擇性激光熔化（SLM）和選擇性激光燒結（SLS））和（ii）定向能量沉積（DED，例如直接金屬沉積（DMD）和激光工程凈成型（LENS））。

由于LAM可以制造復雜的幾何圖形，因此有很好的機會(huì )修改工業(yè)產(chǎn)品的設計，實(shí)現更輕、更高效的零件，以更低的成本更快地制造產(chǎn)品。成本和時(shí)間的減少，同時(shí)最大限度地減少與人為相關(guān)的錯誤，以及構建幾乎任何形狀的能力，導致對零件組裝的需求減少，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期加快，這些是LAM相對于傳統制造技術(shù)的主要優(yōu)勢。與此同時(shí)，LAM技術(shù)已變得更適合于工業(yè)應用，尤其是在小規模生產(chǎn)的行業(yè)，并專(zhuān)注于制造具有定制規格的獨特產(chǎn)品，尤其是在醫療和航空航天領(lǐng)域的應用。醫用和牙科植入物，以及與患者匹配的植入物需要在短時(shí)間內獲得高質(zhì)量和更好的生物相容性。LAM制造對這些植入物的復雜性和質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生了特別的影響，因為它們也加速了患者的愈合過(guò)程。

換句話(huà)說(shuō)，考慮到用于制造復雜幾何形狀的逐層金屬沉積方法的能力，使用LAM技術(shù)可以在短時(shí)間內以合理的價(jià)格制造出更多的個(gè)性化醫療和牙科設備。它還可以在惡劣條件下（在孤立地區）提供獨特的制造和維修潛力，包括太空、北極或海上。因此，LAM獲得了航空航天和生物醫學(xué)領(lǐng)域的大量關(guān)注，并對主要用于這些行業(yè)的四類(lèi)材料（鋼、鎳基合金、鈦基合金和金屬基復合材料）進(jìn)行了積極的研究。然而，值得一提的是，利用LAM技術(shù)以可接受的成本和性能從不同的金屬和合金中制造聲音（無(wú)缺陷）對應物仍然具有挑戰性。

計算了第12層的熔接區和σ_xx應力。(Hodge等人)。

Hodge等人開(kāi)發(fā)了選擇性激光熔化的熱機械模型，這是一種粉末床AM過(guò)程。他們的模型通過(guò)使用相依賴(lài)的材料特性(如熱導率)和粉末顆粒熔化固結產(chǎn)生的體積收縮來(lái)考慮膠結和粉末相，如上圖所示。

在由LAM技術(shù)制造的工程部件中實(shí)現令人滿(mǎn)意的機械性能是對更廣泛利用的最大挑戰。在這方面，各種激光處理因素（包括激光功率、激光掃描速度、掃描模式等）的貢獻在LAM制造過(guò)程中起著(zhù)關(guān)鍵作用，必須針對產(chǎn)品的特定粉末和沉積幾何形狀進(jìn)行控制和優(yōu)化。改變這些關(guān)鍵參數主要會(huì )影響加工環(huán)境/條件，例如熔池的形成、溫度、熱梯度、冷卻速率和其他與熱有關(guān)的特性。隨后，通過(guò)改變制造零件的微觀(guān)結構，涉及缺陷形成、殘余應力、晶粒尺寸、相變和結晶織構的結構特征阻礙了制造零件的機械性能。

LAM工藝中的定向傳熱現象通常會(huì )導致制造零件中的大規模各向異性，主要由重熔和定向凝固引起。許多研究都集中在評估由LAM技術(shù)制造的零件的微觀(guān)結構和機械產(chǎn)品的各向異性。LAM中的各向異性取決于金屬系統和定向凝固行為，導致制造零件中潛在的不均勻性，這取決于加工參數。此外，其他與LAM相關(guān)的問(wèn)題/缺點(diǎn)（如微孔、成球、未熔合等）的產(chǎn)生也可能導致所發(fā)明零件的各向異性和機械性能退化。

這篇綜述文章的主要關(guān)注點(diǎn)是金屬部件的LAM、其工藝、微觀(guān)結構及其機械和功能性能。其目的是建立工藝處理設置和裝配結構材料特性之間的相關(guān)性?？紤]到文獻中的重要性和當前技術(shù)水平，本次關(guān)鍵評估將重點(diǎn)放在四類(lèi)材料上：不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦及其合金和金屬基復合材料。詳細討論了LAM生產(chǎn)過(guò)程中涉及的關(guān)鍵冶金現象以及制造前和制造后的處理情況。從晶粒尺寸、相變、相穩定性、織構和擇優(yōu)取向、抗拉強度、彈性、流動(dòng)行為、剪切強度、殘余應力、蠕變和高溫性能、疲勞和循環(huán)行為等方面考慮了這些材料冶金方面的LAM固結結果。通過(guò)對最新技術(shù)的評估，揭示了文獻中的空白和對該領(lǐng)域進(jìn)行更深入科學(xué)把握的障礙。此外，還強調了值得進(jìn)一步研究的主題，這可能有助于LAM領(lǐng)域的發(fā)展。

2.AM系統

AM系統正在迅速部署，許多新系統被設計為以基于層的方式運行。這些系統可以根據逐層沉積策略、能源、建筑體積（尺寸和形狀）、制造材料、原料形式和其他參數進(jìn)行分類(lèi)。ASTM F2792標準定義了AM技術(shù)的七個(gè)類(lèi)別，主要基于沉積方法。其中，粉末床熔合（PBF）、定向能沉積（DED）和薄板層壓（SL）適用于金屬材料的增材制造（見(jiàn)圖1）。根據工藝中的熱源，AM技術(shù)可進(jìn)一步分為基于激光、電子束、電弧、等離子體和超聲波的系統。根據加工方法的不同，這些AM技術(shù)可用于制造聚合物、生物材料、金屬、陶瓷和復合材料。AM工藝的另一個(gè)典型分類(lèi)是基于進(jìn)料模式，即（i）粉末床，（ii）粉末進(jìn)料，以及（iii）送絲系統。這一重要的分類(lèi)是本文中公認的安排，也在引入原料的方式上區分了AM工藝，并在沉積速率（生產(chǎn)速度）、復雜性（尺寸公差、精度）、零件變形、殘余應力和結構性能方面比較了不同的技術(shù)。

圖1 激光增材制造（LAM）技術(shù)的分類(lèi)樹(shù)。

2.1. 粉末床系統

PBF是一種將熱源（通常是激光或電子束）應用于在平臺上熔化或燒結粉末的過(guò)程，在一系列源自特定CAD文件（根據3D對應物的幾何結構或設計定義）的部分中逐層進(jìn)行。首先，在構建臺上沉積一層金屬粉末。通常，滾筒或刮水器葉片會(huì )在表面上分布一層均勻的粉末。然后，熱源選擇性地熔化或燒結掉的粉末。下一層完成后，將構建臺降低，或將粉末臺升高，以便將粉末沉積在前一層上。在組件制造完成之前，重復該過(guò)程。直接金屬激光燒結（DMLS）、選擇性激光熔化（SLM）、選擇性激光燒結（SLS）、激光聚焦（概念激光）和激光金屬熔合（LMF）是用于金屬部件的基于PBF的LAM技術(shù)。這些技術(shù)之間有一些細微的差別，但它們在制造過(guò)程中都遵循相同的原理。圖2顯示了使用粉末床組織的LAM技術(shù)的代表性設置。

圖 2 PBF系統示意圖

2.2. 送粉系統

基于直接能量沉積（DED）的送粉系統使用熱源將金屬粉末熔合到首選平臺上。細顆粒通過(guò)構建表面上方的噴嘴，并在逐層程序中追蹤組件橫截面積的形狀（見(jiàn)圖3）。激光工程凈成型（透鏡）、直接金屬沉積（DMD）、激光金屬沉積（LMD）和激光自由成型制造（LF3）是一些著(zhù)名的送粉技術(shù)。沉積層的厚度通常大于0.1 mm。此外，與PBF系統相比，這些系統通常具有更大的構建量，并且可以制造更大的零件。在某些技術(shù)中，噴嘴移動(dòng)，工件固定；然而，也可以在零件移動(dòng)時(shí)設置固定噴嘴，以創(chuàng )建所需形狀。與傳統制造部件相比，使用DED技術(shù)制造的3D金屬部件的晶粒結構更細，這是因為在凝固過(guò)程中熔化后的誘導冷卻速率更高。