航空(kong)航(hang)天领域用增材(cai)制造金属(shu)材(cai)料(liao)的(de)研究进(jin)展(zhan)

航空(kong)航(hang)天领(ling)域(yu)高新(xin)技术密(mi)集(ji)，航(hang)空(kong)航天(tian)高(gao)端装(zhuang)备(bei)的服役性能很(hen)大程(cheng)度上(shang)取(qu)决于金(jin)属(shu)构件的性能。随着(zhe)新(xin)型(xing)航(hang)空发(fa)动(dong)机(ji)、大飞(fei)机、新一代运载(zai)火箭(jian)等航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)产品的(de)开(kai)发及新(xin)材(cai)料的(de)应(ying)用，对(dui)制造(zao)技(ji)术(shu)的(de)要(yao)求(qiu)也(ye)越来(lai)越(yue)高(gao)[1]。采用铸(zhu)、锻、焊(han)、机(ji)加(jia)工(gong)等(deng)传(chuan)统制(zhi)造技(ji)术生(sheng)产航(hang)空航天(tian)领(ling)域用金(jin)属构(gou)件，往(wang)往需要(yao)重(zhong)型装备和(he)大(da)型工(gong)模具(ju)，技(ji)术难度大，材料加(jia)工余量(liang)大、利用(yong)率(lv)低，生(sheng)产周期长、成本(ben)高(gao)，已难以满(man)足(zu)需(xu)求[2]。

近年(nian)来(lai)开(kai)发的(de)增材制(zhi)造(zao)技术能解(jie)决这(zhe)些问(wen)题。金属增材(cai)制造是以(yi)激光(guang)、电子(zi)束或电弧(hu)作热(re)源，根据(ju)三(san)维(wei)模型(xing)数据(ju)将材料（流体(ti)、粉(fen)末(mo)、丝(si)材、块体(ti)）逐层堆(dui)积(ji)，进(jin)而实现(xian)金属构(gou)件的直(zhi)接(jie)制造[3]。该(gai)制造技术能(neng)快速完成高性能大型复杂金属(shu)构件的直(zhi)接近(jin)净(jing)成形，是一种“变(bian)革(ge)性”绿(lv)色低碳(tan)制(zhi)造技(ji)术(shu)[4-5]。目(mu)前，金(jin)属(shu)增(zeng)材(cai)制(zhi)造技(ji)术(shu)已发展成提高(gao)航空航(hang)天设计(ji)与制造能力(li)的(de)核心(xin)技(ji)术(shu)，其(qi)应(ying)用范(fan)围(wei)已(yi)从零(ling)部件（飞机(ji)、卫(wei)星(xing)、高超(chao)飞(fei)行(xing)器(qi)、载人飞(fei)船(chuan)的(de)零(ling)部(bu)件(jian)打(da)印(yin)）扩(kuo)展(zhan)至整(zheng)机(ji)（发(fa)动机、无(wu)人(ren)机、微(wei)/纳(na)卫星整(zheng)机打(da)印）[6]。采用(yong)金属增材制(zhi)造(zao)技术可(ke)实现复(fu)杂金属(shu)构(gou)件(jian)的(de)材料(liao)−结构(gou)一(yi)体(ti)化(hua)净成(cheng)形，为航空航天(tian)高性能(neng)构(gou)件(jian)的设计与(yu)制造(zao)提(ti)供了新(xin)途(tu)径(jing)。

航空(kong)航天(tian)高端(duan)装(zhuang)备正朝着(zhe)高性能(neng)、长寿(shou)命(ming)、高(gao)可(ke)靠性及低(di)成本的方向发(fa)展，采用(yong)整(zheng)体结构(gou)和(he)复(fu)杂(za)大型(xing)化是其(qi)发(fa)展(zhan)趋(qu)势[1]。基(ji)于(yu)这(zhe)种发(fa)展(zhan)趋势(shi)，要(yao)求金(jin)属构件(jian)具(ju)有良好的(de)力学性(xing)能，并(bing)兼(jian)具防(fang)热(re)、隔热(re)、减振(zhen)、抗辐射等(deng)特(te)殊(shu)功能[6]。材(cai)料(liao)是(shi)制造(zao)业(ye)的基础(chu)，“一代材料、一代装备(bei)”，材(cai)料直接影响(xiang)和决定航空航天(tian)工业(ye)的(de)发(fa)展(zhan)水平和质(zhi)量。目前(qian)，以(yi)马(ma)氏(shi)体时(shi)效钢(gang)为代(dai)表的高(gao)强(qiang)钢[7]、以镍基高温(wen)合金为代(dai)表(biao)的耐(nai)热合金(jin)[8]、以(yi)钛(tai)、铝合(he)金为(wei)代(dai)表(biao)的(de)轻(qing)质高强合金[9-10]，均是重要的(de)航空航天领(ling)域用增(zeng)材制造(zao)金属材料(liao)。通(tong)过创新和发展上述(shu)4种(zhong)合金，并(bing)结合(he)增材(cai)制造控(kong)形(xing)和(he)控(kong)性技(ji)术，可实(shi)现材料(liao)−结构(gou)−性能(neng)一体化制造(zao)，以(yi)满足航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)领域对(dui)增材制造(zao)金(jin)属(shu)构(gou)件(jian)的(de)需(xu)求。本文从航(hang)空航(hang)天(tian)领(ling)域(yu)对增材制造金属材料(liao)的需(xu)求(qiu)出发(fa)，综述了(le)航空(kong)航(hang)天(tian)领(ling)域(yu)用铁基合(he)金(jin)、镍(nie)基合金、钛合(he)金(jin)、铝(lv)合金(jin)的研究(jiu)现(xian)状(zhuang)，指出(chu)了航(hang)空(kong)航(hang)天领(ling)域用增材(cai)制(zhi)造金(jin)属(shu)材料存(cun)在(zai)的问题(ti)及未来的研究(jiu)方向。

1、航空(kong)航(hang)天(tian)领域(yu)用(yong)增(zeng)材(cai)制造(zao)金属(shu)材(cai)料(liao)的(de)应(ying)用(yong)

1.1增材(cai)制(zhi)造(zao)金属(shu)材(cai)料体(ti)系(xi)及其应用(yong)

航(hang)空航(hang)天高性能(neng)构(gou)件多用于极(ji)端(duan)苛(ke)刻(ke)的(de)环(huan)境，要(yao)具(ju)有(you)超(chao)强承载(zai)、极端(duan)耐(nai)热、超(chao)轻量(liang)化(hua)和(he)高可靠(kao)性等特(te)性(xing)[6]。航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)领(ling)域用(yong)增(zeng)材(cai)制造(zao)金属材(cai)料的种类(lei)繁多，其(qi)合金(jin)体系(xi)及主(zhu)要牌(pai)号如(ru)图(tu)1所(suo)示(shi)。根(gen)据(ju)化学(xue)成分(fen)，可(ke)将航空航(hang)天(tian)用(yong)增(zeng)材制造金属(shu)材料(liao)分(fen)为(wei)铁基(ji)合金(jin)、镍(nie)基合(he)金(jin)、钴(gu)基合(he)金、钛(tai)合(he)金(jin)、铝(lv)合(he)金(jin)、铜(tong)合(he)金等(deng)，其(qi)中铁(tie)基合(he)金、镍基(ji)合金、钛(tai)合(he)金、铝合(he)金(jin)的(de)生产(chan)和(he)应用量(liang)大(da)面广[11]。

表(biao)1归纳了航空航天领(ling)域(yu)用典型(xing)增(zeng)材制造金(jin)属(shu)材(cai)料及其(qi)应(ying)用(yong)。铁基合(he)金(jin)的成本(ben)低，具有(you)广阔的(de)应用(yong)前(qian)景。目(mu)前(qian)，航(hang)空(kong)航(hang)天用增材制造铁基合(he)金(jin)主要包括马氏(shi)体(ti)时效钢、不锈(xiu)钢等(deng)。

马氏体(ti)时(shi)效(xiao)钢有(you)AerMet100、18Ni(300)等(deng)，在(zai)火箭(jian)和导弹(dan)发(fa)动(dong)机(ji)等(deng)领域都有应(ying)用[12]；不锈(xiu)钢(gang)（如SS304L、SS316L等）具(ju)有(you)良(liang)好的(de)耐(nai)蚀(shi)性(xing)能，主(zhu)要(yao)用(yong)于发动机和(he)排气(qi)系(xi)统(tong)、液压(ya)件、热交换(huan)器(qi)、起落(luo)架系(xi)统(tong)和接头等[13]。

现(xian)代航空发(fa)动(dong)机(ji)中(zhong)，高(gao)温(wen)合金用量(liang)占(zhan)发动(dong)机(ji)总(zong)质(zhi)量(liang)的(de)40%~60%，主(zhu)要(yao)用(yong)于燃(ran)烧(shao)室(shi)、导向(xiang)叶片、涡(wo)轮(lun)叶(ye)片和涡(wo)轮盘(pan)等热端(duan)部件，以及(ji)机匣(xia)、环件(jian)、加(jia)力(li)燃烧室和(he)尾喷(pen)口(kou)等部件(jian)。高温合(he)金(jin)有(you)铁(tie)基(ji)、镍(nie)基(ji)、钴(gu)基(ji)等(deng)，镍基高(gao)温合金的应用(yong)最为(wei)广(guang)泛，其用(yong)量(liang)占比(bi)高达(da)80%。常(chang)用的(de)镍(nie)基(ji)高温(wen)合金有(you)IN625、IN718等，主(zhu)要用于涡轮发(fa)动机燃烧室、涡(wo)轮(lun)机(ji)、外壳、圆(yuan)盘(pan)、叶(ye)片(pian)等(deng)，以及液(ye)体火(huo)箭发(fa)动(dong)机(ji)的阀(fa)门、涡轮机(ji)械、喷(pen)射(she)器、点(dian)火(huo)器(qi)和歧(qi)管等(deng)[13]。

钛(tai)合金(jin)具(ju)有(you)比强(qiang)度高(gao)、耐蚀性能(neng)好等(deng)优(you)点，广(guang)泛用(yong)于(yu)航(hang)空航(hang)天(tian)领(ling)域(yu)。TC4合金常用(yong)于(yu)起(qi)落(luo)架、轴(zhou)承架、旋转机(ji)械(xie)、压缩机(ji)盘(pan)及(ji)叶(ye)片、低(di)温(wen)推(tui)进(jin)剂罐等航(hang)空(kong)航天(tian)零件(jian)。Ti6242合金(jin)用于(yu)压缩机叶(ye)片和旋(xuan)转(zhuan)机(ji)械，而γ-TiAl合金(jin)较多(duo)用于涡轮叶(ye)片[13]。此外(wai)，TC2、TC18、TC21、TA15等钛(tai)合金(jin)常(chang)用(yong)于飞机主(zhu)承载件，TC11、TC17、Ti60合(he)金(jin)等可(ke)用(yong)于整(zheng)体叶盘等(deng)航空(kong)发动(dong)机部件[14]。

铝(lv)合金(jin)比(bi)强度高(gao)，是(shi)一(yi)种成(cheng)熟的航(hang)空航(hang)天领(ling)域用(yong)材料(liao)。目(mu)前，可(ke)增材制造(zao)飞(fei)机(ji)零件的铝合金(jin)有AlSi10Mg、A6061、AlSi12、AlSi12Mg等(deng)，常(chang)用(yong)于(yu)要求(qiu)减轻(qing)质(zhi)量、降低成(cheng)本的部(bu)件(jian)，如飞(fei)机机身(shen)件(jian)等[15]。

总(zong)体上看，增材制(zhi)造(zao)金(jin)属(shu)材(cai)料在航空(kong)航(hang)天(tian)领域(yu)具(ju)有(you)广(guang)阔的(de)应(ying)用前(qian)景。航(hang)空航(hang)天领域(yu)用(yong)增(zeng)材(cai)制造金属(shu)材料的(de)应用(yong)主要(yao)有(you)四方(fang)面：（1）卫(wei)星(xing)制造(zao)，如卫星(xing)推(tui)进系统的钛(tai)合金活塞(sai)和(he)肼推进系(xi)统(tong)，卫星(xing)的(de)钛合(he)金与(yu)铝合(he)金支架(jia)；（2）火箭(jian)制造(zao)，如(ru)火(huo)箭(jian)发(fa)动机(ji)的(de)热端部件等(deng)；（3）飞机制(zhi)造，如飞机(ji)机(ji)身(shen)、大(da)型(xing)结构件、承力结构件(jian)，飞机发动机的热(re)端(duan)部(bu)件；（4）武(wu)器(qi)装(zhuang)备(bei)制造，如无人(ren)机发(fa)动机(ji)及(ji)巡(xun)飞弹的(de)关(guan)键部件等(deng)。

1.2增(zeng)材制(zhi)造金(jin)属(shu)材(cai)料(liao)的(de)市场规(gui)模(mo)

采用(yong)增材(cai)制(zhi)造技(ji)术(shu)可(ke)实现复杂(za)金属构件的(de)材(cai)料(liao)−结(jie)构(gou)一体(ti)化(hua)净(jing)成(cheng)形，为(wei)航空(kong)航(hang)天(tian)高性(xing)能构(gou)件的(de)设(she)计制(zhi)造提供了(le)新(xin)的技术途(tu)径(jing)。增(zeng)材制(zhi)造(zao)全(quan)球(qiu)权威(wei)发展报(bao)告(gao)“WohlersReport”指(zhi)出[17]，增材制造(zao)技(ji)术(shu)已(yi)发(fa)展成(cheng)能(neng)提高航空航天(tian)领(ling)域设计(ji)与(yu)制造能(neng)力(li)的(de)核心(xin)技术，其(qi)在工(gong)业(ye)应(ying)用(yong)中(zhong)的(de)比例达14.7%。增材制造技术(shu)能在(zai)航空航天领域(yu)被(bei)广(guang)泛(fan)应(ying)用(yong)，主(zhu)要(yao)是(shi)因(yin)其在轻(qing)量化、复杂结构一体化成形(xing)等(deng)方面(mian)的(de)显著(zhu)优(you)势。

WohlersAssociates统计数(shu)据(ju)（图(tu)2）[17]表(biao)明，2021年(nian)增材(cai)制(zhi)造(zao)产(chan)业(ye)销售(shou)额中(zhong)，增材(cai)制造服务（零部件(jian)制(zhi)造）占(zhan)比为(wei)41.0%，增(zeng)材制造材料占比为23.4%，成形(xing)装(zhuang)备占比(bi)为22.4%，其他占比为(wei)13.2%。从(cong)材(cai)料方面(mian)看(kan)，全球增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)材(cai)料(liao)销(xiao)售(shou)额(e)从(cong)2017年(nian)的11.33亿美(mei)元(yuan)升至(zhi)2021年的(de)25.98亿(yi)美元，年(nian)复合(he)增长(zhang)率达(da)23.06%。其中(zhong)2021年金(jin)属(shu)材(cai)料(liao)销(xiao)售(shou)额达(da)4.73亿(yi)美元(yuan)，在全(quan)球(qiu)增材(cai)制造材料总销(xiao)售额中(zhong)占比(bi)约(yue)18.20%，同(tong)比增(zeng)长(zhang)23.50%，年复(fu)合(he)增长(zhang)率为26.80%。可(ke)见(jian)，增(zeng)材制(zhi)造(zao)材(cai)料(liao)市场(chang)快速(su)扩(kuo)大，其中(zhong)金属材(cai)料市(shi)场(chang)增(zeng)速领(ling)先(xian)，增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)金(jin)属材料发展(zhan)潜力巨大(da)。

2、航(hang)空(kong)航天领域(yu)用增材制造金(jin)属(shu)材(cai)料(liao)及(ji)其应(ying)用

2.1增(zeng)材制(zhi)造(zao)铁基合金(jin)及(ji)其(qi)应(ying)用(yong)

马氏体(ti)高(gao)强钢是航空航天(tian)领(ling)域(yu)用增(zeng)材(cai)制造铁基合(he)金(jin)，主(zhu)要包括(kuo)马氏体不(bu)锈钢和(he)马氏(shi)体(ti)时(shi)效钢[18]，具有良(liang)好(hao)的强度(du)和韧(ren)性(xing)。从节(jie)能和降低(di)生(sheng)产成(cheng)本(ben)的角度(du)考虑(lv)，高(gao)强(qiang)钢仍是(shi)未来航空(kong)航天领(ling)域用增(zeng)材(cai)制造金(jin)属材(cai)料的(de)重(zhong)要研究方向(xiang)[19]。沉淀硬化(hua)不锈钢的典型牌(pai)号有15-5PH、17-4PH等[18,20]。以17-4PH钢(gang)为(wei)例(li)，由(you)于第(di)二(er)相析出强化，其具有高(gao)强(qiang)度和高耐(nai)蚀(shi)性(xing)，常(chang)用于(yu)航空(kong)发(fa)动(dong)机(ji)精密(mi)零(ling)件[21-22]。马(ma)氏体(ti)时效(xiao)钢(gang)的(de)典(dian)型牌(pai)号有AerMet100、18Ni(300)等(deng)[23-24]，以18Ni(300)为例，其(qi)优异(yi)的强(qiang)度(du)、韧(ren)性(xing)、硬(ying)度(du)、耐(nai)蚀性(xing)和(he)耐(nai)磨性主要(yao)源(yuan)于固(gu)溶强化(hua)、相变(bian)强(qiang)化和(he)时(shi)效强化，在(zai)火(huo)箭(jian)和(he)导弹发动机(ji)等(deng)领(ling)域(yu)都有应(ying)用[23]。

2.1.1微观(guan)组织与力学性(xing)能

马氏体不(bu)锈钢的(de)室温(wen)组(zu)织(zhi)为(wei)细(xi)小(xiao)的板(ban)条(tiao)马氏体(ti)、适(shi)量的(de)残(can)留(liu)奥(ao)氏体(ti)及弥散分(fen)布(bu)的(de)沉淀(dian)强(qiang)化相(xiang)[18]。板条马(ma)氏体(ti)由于(yu)位错密度(du)高，具有很(hen)高的强度。亚(ya)稳(wen)残(can)留奥氏(shi)体能缓解(jie)裂纹(wen)尖端的(de)应力(li)集(ji)中(zhong)，从(cong)而(er)提(ti)高材料(liao)韧性(xing)。时(shi)效处(chu)理析出的(de)纳米(mi)级强(qiang)化(hua)相能(neng)进(jin)一(yi)步(bu)提高钢(gang)的强(qiang)度[25]。

表2列出了4种典(dian)型增(zeng)材(cai)制造(zao)马氏体(ti)不锈钢和(he)马氏体(ti)时(shi)效(xiao)钢的力(li)学性(xing)能。表2表明，15-5PH和17-4PH不(bu)锈(xiu)钢的强度较(jiao)低(di)，主要(yao)强化(hua)相为富(fu)Cu相(xiang)，如ε-Cu相等(deng)[21,26]。此(ci)外(wai)，钢中(zhong)MC相(xiang)具有钉扎(zha)晶(jing)界(jie)、细化晶(jing)粒(li)的(de)作(zuo)用(yong)。

马氏(shi)体时(shi)效(xiao)钢的(de)微(wei)观(guan)组(zu)织(zhi)与(yu)马(ma)氏(shi)体不(bu)锈(xiu)钢类似，主要通过(guo)超低碳(tan)铁镍马氏体基体(ti)中析(xi)出金(jin)属间(jian)化合物(wu)强(qiang)化，具有优(you)异(yi)的综合(he)力学性(xing)能(neng)[27]。以AerMet100、18Ni(300)钢(gang)为(wei)例，其(qi)沉积(ji)态组(zu)织为(wei)具有近(jin)亚(ya)微米级(ji)胞结构(gou)的马(ma)氏(shi)体[28-29]。时效处理后，会(hui)析(xi)出高(gao)密(mi)度(du)的(de)纳(na)米(mi)级(ji)Ni3X(X=Ti,Al,Mo)金(jin)属(shu)间(jian)化(hua)合物，使抗拉(la)强度(du)提高至(zhi)~2000MPa[24,30]。目前有(you)关增材制(zhi)造(zao)马(ma)氏体时(shi)效(xiao)钢(gang)的(de)研究(jiu)主(zhu)要是(shi)18Ni(300)钢，研究内容集中在(zai)成(cheng)形(xing)工(gong)艺(yi)参数(shu)优(you)化(hua)、热处理(li)工(gong)艺(yi)与组(zu)织(zhi)性能之间(jian)的(de)关(guan)系、时(shi)效(xiao)强化机(ji)制(zhi)等(deng)[7,29,31-36]。

为(wei)改善成(cheng)形件(jian)的质量和(he)力学性能(neng)，通常采(cai)取(qu)设计增材(cai)制(zhi)造(zao)专用(yong)合金粉末(mo)、优化(hua)激光增材制(zhi)造工艺(yi)参数和(he)调控(kong)微观组(zu)织(zhi)等措施(shi)[23]。现有的(de)广(guang)泛(fan)应用(yong)于(yu)航空(kong)航天(tian)领(ling)域的增材制造(zao)马氏体(ti)高(gao)强钢粉(fen)末主要(yao)为(wei)传(chuan)统块体材(cai)料，适(shi)用于增材制造技术的马氏体(ti)高强钢专用粉(fen)末(mo)较少。为提(ti)高(gao)成(cheng)形(xing)件的质量和力学(xue)性能，需基于增(zeng)材制造技(ji)术(shu)独(du)特(te)的(de)高(gao)冷却(que)速度、温度(du)梯(ti)度及非平衡(heng)热(re)循环等特(te)点，设(she)计(ji)适用于增材制造工艺(yi)的新(xin)型(xing)马氏(shi)体(ti)高强(qiang)钢粉(fen)末。开(kai)发(fa)增材制(zhi)造(zao)用新型(xing)马(ma)氏(shi)体高(gao)强(qiang)钢粉末是(shi)航(hang)空(kong)航天领(ling)域(yu)用增(zeng)材制(zhi)造(zao)金属材(cai)料(liao)的重(zhong)要(yao)研究方向(xiang)。

2.1.2应(ying)用(yong)实例(li)

增(zeng)材制(zhi)造技术(shu)在飞机零(ling)件结构优(you)化(hua)和缺陷修复(fu)方(fang)面具有一(yi)定(ding)优(you)势(shi)。欧洲宇航(hang)防(fang)务(wu)集(ji)团(tuan)公(gong)司将拓(tuo)扑优化(hua)技(ji)术与(yu)增材(cai)制(zhi)造技术相(xiang)结(jie)合(he)，为空客A380打印(yin)的不锈钢(gang)支架质量(liang)与传统(tong)铸(zhu)件(jian)相比(bi)约(yue)减(jian)小(xiao)了(le)40%，单架(jia)机年运(yun)营费等(deng)成本(ben)降(jiang)低了(le)数(shu)万美(mei)元(yuan)[38]。北京(jing)航(hang)空材(cai)料(liao)研究院(yuan)采用(yong)激光修复(fu)技(ji)术(shu)，对(dui)第(di)三(san)代战机(ji)、伊尔76飞机(ji)的(de)超高强(qiang)度(du)钢起落(luo)架、不(bu)锈(xiu)钢(gang)轴颈等(deng)承(cheng)载件(jian)进(jin)行了修复(fu)，部分(fen)修复(fu)的(de)零件(jian)已(yi)通过装机评(ping)审并(bing)被(bei)再次(ci)应用[39]，修复(fu)的(de)伊尔76飞(fei)机(ji)超(chao)高(gao)强度(du)钢(gang)起落架状(zhuang)态良(liang)好(hao)。

2.2增(zeng)材制造镍(nie)基(ji)合(he)金(jin)及其(qi)应用(yong)

航空发(fa)动机(ji)的(de)推(tui)重(zhong)比和功(gong)率在(zai)不(bu)断(duan)提(ti)高(gao)，涡轮(lun)入口温(wen)度(du)也随(sui)之(zhi)升(sheng)高(gao)，对高温(wen)合(he)金叶(ye)片性(xing)能(neng)的要求(qiu)也越来(lai)越高。目(mu)前，镍基高温合(he)金的(de)应(ying)用最为(wei)广(guang)泛(fan)，其(qi)在650~1000℃具有(you)较(jiao)高的强度(du)、良(liang)好的(de)抗氧化和抗(kang)燃气(qi)腐蚀(shi)性(xing)能(neng)等(deng)。典(dian)型(xing)的(de)镍(nie)基(ji)高(gao)温合(he)金有IN625、IN718等，两者(zhe)用量占(zhan)镍(nie)基高(gao)温(wen)合金总量的(de)83%，常用(yong)于航(hang)空(kong)发动机燃烧(shao)室(shi)、发(fa)动机(ji)尾喷管等(deng)零部件[40-41]。

2.2.1微观组(zu)织与力(li)学性能(neng)

镍基(ji)高(gao)温合金是(shi)以镍(nie)为(wei)主要成(cheng)分(fen)（镍质(zhi)量分数(shu)一般(ban)大于50%）的高(gao)温(wen)合金(jin)，主(zhu)要通过(guo)Nb和Mo的(de)固(gu)溶强化提高其力学性(xing)能(neng)，Ni和Cr具有较(jiao)好(hao)的耐(nai)蚀(shi)和(he)抗氧(yang)化(hua)性能(neng)，Mo具有优异的抗(kang)点(dian)蚀性能[42-43]。镍基高温(wen)合金(jin)基体(ti)为γ相(xiang)、强化相为(wei)γ′相(xiang)，在常(chang)温(wen)和(he)高温(wen)下均(jun)具(ju)有强(qiang)化(hua)作(zuo)用，被(bei)广泛(fan)应用(yong)于(yu)航空航(hang)天热(re)端部件(jian)[44]。

采用(yong)选区激(ji)光熔炼(lian)（SLM）工(gong)艺制(zhi)备(bei)镍(nie)基(ji)高(gao)温(wen)合金(jin)件(jian)的过(guo)程(cheng)中(zhong)，工艺(yi)参数会显著(zhu)影(ying)响零(ling)件(jian)的(de)力学性(xing)能(neng)[16]。SLM成形镍基(ji)高(gao)温合(he)金件通(tong)常(chang)需进行后处(chu)理(li)（如热(re)等静压处(chu)理(li)、固(gu)溶(rong)处(chu)理、时(shi)效(xiao)等），来(lai)改善其(qi)显(xian)微组(zu)织(zhi)和力学(xue)性(xing)能[45]。表3归(gui)纳(na)了(le)SLM成形镍基高(gao)温(wen)合金经不(bu)同(tong)工(gong)艺热(re)处理(li)后的力学(xue)性(xing)能。IN718合金(jin)是富(fu)含(han)Cr和Fe的沉(chen)淀(dian)硬化(hua)镍基(ji)合金(jin)，SLM成(cheng)形(xing)IN718合金沉积(ji)态的屈(qu)服强度(du)约(yue)为580MPa，时效后可(ke)提高(gao)至(zhi)1000MPa以(yi)上(shang)。

增材制造IN718合金的(de)热处理工艺(yi)通常包(bao)括析(xi)出时效、δ相时(shi)效(xiao)+析(xi)出(chu)时(shi)效、高(gao)温组织(zhi)均(jun)匀化+δ相时效+析出时效等(deng)[50-51]。析出(chu)时效处(chu)理(li)时(shi)，时(shi)效温(wen)度较(jiao)低不(bu)会(hui)使沉积(ji)态组织发(fa)生(sheng)变(bian)化，仅促(cu)进(jin)γ''相(xiang)和(he)γ'相(xiang)析出(chu)，也(ye)不能消除(chu)打印(yin)过(guo)程中(zhong)形(xing)成的(de)Laves相。Laves相为(wei)有(you)害(hai)相(xiang)，会降(jiang)低(di)材(cai)料的力学性(xing)能(neng)[52]。因(yin)此(ci)，通(tong)常(chang)对(dui)增(zeng)材制造IN718合金进(jin)行温度(du)高(gao)于(yu)970℃的均(jun)匀化处理(li)，以(yi)消(xiao)除(chu)Laves相。“δ相时效(xiao)+析出时(shi)效”处理(li)可(ke)使(shi)晶(jing)界的(de)Laves相(xiang)溶(rong)解(jie)并转(zhuan)变为(wei)沿晶(jing)界(jie)析出的δ相。此(ci)外，δ相(xiang)会(hui)随“δ相时(shi)效(xiao)”时(shi)间(jian)的延(yan)长而长(zhang)大(da)，且亚(ya)稳(wen)态γ''相会(hui)转(zhuan)变(bian)为δ相（时效温度(du)650℃）。进行(xing)高(gao)温(wen)组织(zhi)均(jun)匀化(hua)+δ相(xiang)时效(xiao)+析出时效处(chu)理(li)时(shi)，高(gao)温(wen)组(zu)织均匀化(hua)处(chu)理(li)不仅(jin)影(ying)响γ''相(xiang)和δ相的(de)析(xi)出(chu)行(xing)为，也影(ying)响(xiang)材料的(de)再(zai)结(jie)晶程度。固(gu)溶(rong)温度高(gao)于(yu)1180℃时(shi)，沉(chen)积(ji)态(tai)组(zu)织将(jiang)发(fa)生完(wan)全(quan)再(zai)结晶，且(qie)随(sui)着均匀化(hua)温度(du)的提(ti)高和时间的延(yan)长，Laves相(xiang)或(huo)碳化物(wu)完(wan)全(quan)溶(rong)解(jie)，γ''相尺寸(cun)增(zeng)大(da)[51,53]。可见(jian)，合(he)适的(de)热(re)处(chu)理(li)能促进(jin)γ''和γ'相(xiang)重新析出(chu)，从(cong)而(er)显著提高(gao)增材(cai)制造IN718合(he)金(jin)的屈服强(qiang)度。

IN718合(he)金增材(cai)制(zhi)造(zao)过程(cheng)中(zhong)极高的(de)温(wen)度(du)梯度和(he)极(ji)快的(de)冷却速(su)度会抑(yi)制γ''和(he)γ'相析(xi)出，导(dao)致(zhi)增(zeng)材制造(zao)IN718合金(jin)的(de)硬度和(he)强度降低[48]。根(gen)据增材(cai)制造(zao)镍基(ji)高(gao)温合金的微观(guan)组织特点，通过开(kai)发(fa)新(xin)的热(re)处理工(gong)艺，有(you)望使(shi)其(qi)获得(de)良(liang)好的(de)综合(he)力学性(xing)能[54]。沉(chen)积(ji)态(tai)增(zeng)材(cai)制造镍(nie)基(ji)高温(wen)合金(jin)件的综合力学性能(neng)往往(wang)达不(bu)到(dao)锻(duan)造(zao)件(jian)的(de)水(shui)平(ping)，且(qie)成形(xing)过程中易产生(sheng)微(wei)裂(lie)纹等缺(que)陷(xian)。通(tong)过添(tian)加(jia)合(he)金元(yuan)素(su)（Y、Re等(deng)[55-56]）或陶瓷(ci)颗粒(li)（TiB2、TiC、TiN等[57-59]）等对高温合金进行改(gai)性，可一定程(cheng)度上提高(gao)其高(gao)温性能(neng)。

2.2.2应用实(shi)例

镍(nie)基(ji)高温合(he)金适(shi)合(he)制备(bei)形状复杂(za)且极(ji)难(nan)加(jia)工(gong)的(de)结构件(jian)，如(ru)火(huo)箭推(tui)进(jin)器零(ling)件(jian)、助推器(qi)等(deng)。

印(yin)度(du)国防(fang)冶金研(yan)究实(shi)验室（DefenceMetallurgicalResearchLaboratory,DMRL）采(cai)用增材制(zhi)造技术(shu)制备了升级(ji)版(ban)燃(ran)料(liao)喷射器，其抗(kang)压、抗(kang)拉性能(neng)和(he)硬度(du)均优于采(cai)用传(chuan)统(tong)工艺制(zhi)造的燃料喷射(she)器，具(ju)有强(qiang)大(da)的(de)应用潜(qian)力(li)[60]。美国马(ma)歇尔太空飞(fei)行中(zhong)心(xin)（MarshallSpaceFlightCenter,MSFC）成功制备了(le)IN625合金整体推(tui)力(li)室(shi)，该(gai)推力室内(nei)部(bu)有(you)完整(zheng)的通道结(jie)构(gou)，可(ke)用(yong)于腔(qiang)室(shi)的通道(dao)冷却(que)喷(pen)嘴(zui)[61]。换(huan)热(re)器是(shi)航天(tian)设(she)备长(zhang)效稳(wen)定(ding)运(yun)行(xing)的(de)关(guan)键部件(jian)，法国AddUp、Sogeclair和(he)Temisth公司(si)采(cai)用(yong)增材(cai)制造技术成(cheng)功(gong)制备了(le)薄壁(bi)IN718合金(jin)换热(re)器(qi)，其(qi)质(zhi)量(liang)和性(xing)能(neng)与增材(cai)制造(zao)的铝(lv)制外(wai)壳相(xiang)近(jin)[62]。

2.3增(zeng)材(cai)制造(zao)钛(tai)合金及其(qi)应(ying)用

钛合金(jin)具(ju)有较高(gao)的(de)比(bi)强度、良(liang)好的(de)韧(ren)性(xing)、耐腐(fu)蚀、耐(nai)热(re)耐(nai)寒性等(deng)，是(shi)航(hang)空(kong)发(fa)动机(ji)用重要材料(liao)之一[6]。目前，增(zeng)材制造(zao)的(de)钛合金主要有TC4、TA15、TC11、Ti55、Ti60、TiAl等(deng)，主要应用于发(fa)动(dong)机叶片、机(ji)匣，飞机(ji)钣(ban)金(jin)件、梁(liang)、接头(tou)、大型(xing)壁板(ban)等(deng)。TC4合(he)金（Ti-6Al-4V）具有(you)良(liang)好的(de)综合性能(neng)，在航空航(hang)天领(ling)域(yu)的(de)用量最(zui)大，使(shi)用温度一般(ban)在400℃以下，能在(zai)400℃以(yi)上使用的钛合(he)金主(zhu)要有TA15、TC11、Ti-55及(ji)Ti60等。

2.3.1微观组织(zhi)与力(li)学(xue)性能

激光(guang)增(zeng)材(cai)制造(zao)钛合(he)金(jin)是(shi)极端(duan)非平(ping)衡凝(ning)固(gu)过(guo)程，其(qi)快(kuai)速熔(rong)化和(he)快速(su)凝固(gu)完全(quan)偏(pian)离了常规工艺的平衡/近(jin)平(ping)衡凝(ning)固(gu)过程。激光成(cheng)形钛(tai)合金的(de)沉积(ji)态组(zu)织主要(yao)为柱状(zhuang)初生β相及细小(xiao)的针(zhen)状(zhuang)α′马氏(shi)体(ti)，成(cheng)品显微组织高度(du)依赖沉积过程中的(de)热循(xun)环和(he)随后的热处理(li)。通(tong)过(guo)控(kong)制固溶和(he)时效温(wen)度、冷却(que)速率(lv)等并结(jie)合(he)适当的(de)热变(bian)形加工，可(ke)获得传统钛合金(jin)的(de)等(deng)轴(zhou)、双(shuang)态、魏氏(shi)或(huo)网状等典(dian)型(xing)组(zu)织。以(yi)Ti-6Al-4V合(he)金为(wei)例，由(you)于SLM成(cheng)形(xing)过程(cheng)的(de)冷却(que)速率极快(kuai)，远高(gao)于发生马氏体(ti)相变的冷却(que)速(su)率，急速冷(leng)却(que)时初生(sheng)β相将发生(sheng)无扩(kuo)散相(xiang)变，转(zhuan)变为非(fei)平(ping)衡针状(zhuang)马氏(shi)体(ti)（α'），其室温(wen)抗(kang)拉强度(du)超(chao)过1200MPa，但断(duan)后伸(shen)长(zhang)率仅(jin)约(yue)为(wei)8%（表(biao)4）[63]。

在(zai)SLM的(de)极端非平衡凝固条件下(xia)，钛(tai)合(he)金往往(wang)会形(xing)成粗(cu)大(da)的柱(zhu)状晶(jing)组(zu)织(zhi)，导致力(li)学(xue)性能(neng)各向(xiang)异(yi)性(xing)，使(shi)构件累(lei)积损伤(shang)失(shi)效(xiao)[64-66]。为避免(mian)粗大(da)柱(zhu)状(zhuang)晶组(zu)织(zhi)的不(bu)良(liang)影响(xiang)，可向钛合(he)金中添加Cu、Ni等(deng)合(he)金元(yuan)素(su)[67-69]以(yi)及ZrN、TiB2、ZrB2等陶(tao)瓷颗粒[70-75]，以促(cu)进(jin)等轴晶(jing)形(xing)成。

研究(jiu)表(biao)明(ming)，向(xiang)纯(chun)钛(tai)中加入(ru)一定量的Cu，在SLM成形的(de)Ti-Cu合金(jin)中(zhong)形(xing)成了细小的(de)等(deng)轴晶粒[76]。该成(cheng)分合金凝(ning)固(gu)过程中(zhong)固(gu)液(ye)前沿(yan)的(de)成(cheng)分过冷(leng)区显(xian)著(zhu)扩(kuo)大(da)，消(xiao)除(chu)了(le)增(zeng)材制造温(wen)度(du)梯度(du)大的(de)不(bu)良影(ying)响(xiang)，限制晶(jing)粒长(zhang)大(da)的同(tong)时提(ti)高形(xing)核速(su)率(lv)，促(cu)进(jin)精细等(deng)轴(zhou)晶形(xing)成(cheng)。在(zai)无后(hou)处(chu)理(li)的(de)情况下(xia)，制(zhi)备(bei)的(de)Ti-Cu合(he)金(jin)与传统(tong)合(he)金(jin)相比具(ju)有(you)较高(gao)的屈服强度和(he)断后伸(shen)长(zhang)率（表(biao)4）。笔者团(tuan)队(dui)受(shou)其(qi)启发，向(xiang)纯钛中加(jia)入微量(liang)Ni，在(zai)SLM成(cheng)形的(de)Ti-Ni合金中产生(sheng)了直径(jing)约(yue)1.2μm的等轴晶[69]。通(tong)过进一(yi)步(bu)优化(hua)SLM工艺(yi)获(huo)得(de)了(le)具有(you)细小等轴晶(jing)的纳(na)米马(ma)氏(shi)体（α'）组(zu)织(zhi)，并(bing)避免(mian)了(le)脆(cui)性(xing)Ti2Ni相的(de)形(xing)成(cheng)，该高(gao)强(qiang)韧(ren)钛合金的强(qiang)度和塑(su)性(xing)均(jun)优(you)于上述Ti-Cu合(he)金（表(biao)4）。可见，设计(ji)新(xin)合(he)金成(cheng)分扩大(da)凝固(gu)过(guo)程中(zhong)固液(ye)前沿(yan)的成分(fen)过冷(leng)区是(shi)使增(zeng)材(cai)制(zhi)造钛合金获得精细(xi)等(deng)轴(zhou)晶(jing)的有效途径。

传统钛(tai)合金(jin)的(de)激光增(zeng)材(cai)成(cheng)形(xing)性(xing)能(neng)较(jiao)好，增(zeng)材(cai)制(zhi)造工艺(yi)较(jiao)成熟。而(er)增材(cai)制造(zao)技术(shu)固(gu)有的凝(ning)固特点导(dao)致(zhi)的钛合金微观组织(zhi)调(diao)控难题，仍(reng)需从粉体成(cheng)分(fen)方(fang)面着(zhe)手解(jie)决。钛合金(jin)增强(qiang)增韧方(fang)法是(shi)SLM成(cheng)形(xing)钛(tai)合金(jin)的(de)研(yan)究(jiu)重点。

2.3.2应用(yong)实例(li)

国(guo)内外增材(cai)制造钛合(he)金已(yi)广(guang)泛(fan)应用(yong)于(yu)多(duo)种飞(fei)机的复(fu)杂构(gou)件及航空发动(dong)机零部(bu)件，具有显著(zhu)的(de)成(cheng)本和(he)效(xiao)率优(you)势。王(wang)华(hua)明团(tuan)队(dui)致(zhi)力于(yu)增材(cai)制(zhi)造技术的(de)研(yan)究，采(cai)用(yong)钛(tai)合(he)金成(cheng)功制造(zao)了(le)国(guo)内尺(chi)寸最大(da)、结(jie)构最复(fu)杂(za)的(de)飞机关(guan)键(jian)构件[2]。西北(bei)工业(ye)大(da)学(xue)黄(huang)卫东(dong)团队采(cai)用(yong)激光(guang)增材制造(zao)技术(shu)成功(gong)制(zhi)造(zao)了(le)C919大(da)飞机用(yong)Ti-6Al-4V合(he)金(jin)翼肋(le)上下缘(yuan)条，其静载(zai)强(qiang)度(du)及(ji)疲劳(lao)性(xing)能(neng)达(da)到了锻件(jian)水平(ping)[79]。中国(guo)航天(tian)科工(gong)306所将(jiang)SLM技术(shu)与异种钛(tai)合(he)金（TA15与Ti2AlNb）过渡复合(he)技(ji)术(shu)相(xiang)结合(he)，采用SLM成形技(ji)术成(cheng)功(gong)制造了航(hang)空(kong)发(fa)动(dong)机(ji)复(fu)合材(cai)料燃(ran)烧(shao)室，克服了(le)传(chuan)统铸(zhu)件(jian)强度低、接口易(yi)断裂(lie)等问题(ti)，顺(shun)利(li)通过了(le)力(li)-热(re)联合(he)试(shi)验(yan)[79]。意(yi)大利(li)Avio公司采用电(dian)子(zi)束(shu)选区熔融成(cheng)形技术成(cheng)功(gong)制(zhi)造(zao)了(le)航(hang)空(kong)发动(dong)机(ji)钛(tai)合(he)金(jin)低(di)压涡(wo)轮(lun)叶(ye)片(pian)，800℃屈服强度达(da)480MPa，具有(you)良(liang)好(hao)的(de)抗(kang)蠕变性(xing)能(neng)[80]。挪(nuo)威NorskTitanium公司开发了等(deng)离子电(dian)弧(hu)熔丝(si)增材制(zhi)造钛(tai)合金组件，通过(guo)了美(mei)国(guo)联邦航(hang)空局(FederalAviationAdministration,FAA)认证，已(yi)成(cheng)功应用于波(bo)音(yin)787[79]。

2.4增材(cai)制(zhi)造(zao)铝(lv)合金(jin)及(ji)其(qi)应用

铝合(he)金(jin)是航(hang)空(kong)航天(tian)领域(yu)常(chang)用的(de)轻金(jin)属。激光增材制造(zao)铝(lv)合(he)金(jin)有难度，这(zhe)与其(qi)特(te)殊的(de)物理性(xing)质(zhi)（密(mi)度低(di)、激光吸收率低(di)、热导率高及(ji)易(yi)氧(yang)化等(deng)）有关[81]。锻(duan)造(zao)铝合金凝固温(wen)度范围较(jiao)大(da)，快速凝固(gu)时产生的应(ying)力易(yi)导(dao)致(zhi)开(kai)裂(lie)、变(bian)形(xing)[82]。铸(zhu)造铝合金(jin)含(han)有(you)共(gong)晶元素(su)（如Si），凝(ning)固温度范围(wei)较(jiao)小(xiao)，因而(er)热裂(lie)倾(qing)向(xiang)小，成形性能好(hao)，因(yin)此(ci)铸造Al-Si系合(he)金(jin)是(shi)研(yan)究最(zui)早(zao)且(qie)增(zeng)材(cai)制(zhi)造工艺(yi)最(zui)成(cheng)熟(shu)的铝合(he)金(jin)。目前，增(zeng)材(cai)制造(zao)铝(lv)合(he)金(jin)主(zhu)要(yao)有AlSi7Mg、AlSi10Mg、AlSi12等(deng)，主要用于(yu)管路支(zhi)架(jia)、壳体(ti)、框(kuang)梁(liang)、网(wang)格结构(gou)、复杂(za)管道、薄壁件等(deng)。

2.4.1微(wei)观组织与力学性(xing)能(neng)

在(zai)SLM非平(ping)衡(heng)快(kuai)速凝(ning)固条件(jian)下，铸(zhu)造Al-Si系合金（如(ru)AlSi12合金(jin)）显(xian)微组(zu)织(zhi)为(wei)微细(xi)的富Al胞结构，残(can)余Si颗粒从(cong)晶(jing)界(jie)析(xi)出(chu)；热处(chu)理(li)后(hou)，显(xian)微组织发(fa)生一定(ding)程(cheng)度的粗(cu)化(hua)，Si组元从晶胞(bao)中(zhong)继(ji)续析(xi)出(chu)并形成(cheng)Si颗(ke)粒(li)[83]。SLM成形的(de)AlSi10Mg合(he)金(jin)显(xian)微(wei)组织(zhi)及(ji)演变规律与AlSi12合(he)金(jin)相似[84]。AlSi10Mg合金(jin)在(zai)SLM成(cheng)形(xing)过程中(zhong)并(bing)不析(xi)出Mg2Si相[85]，直接低温时(shi)效后强(qiang)度显著(zhu)提高（表(biao)5）。

激光(guang)增(zeng)材制造工艺参数(shu)（如(ru)激(ji)光光(guang)斑(ban)尺(chi)寸(cun)、激光(guang)功(gong)率(lv)、扫(sao)描(miao)速(su)度(du)、扫描间(jian)距、铺粉厚度(du)等(deng)）、成(cheng)形(xing)方向、成形件布(bu)局(ju)方式等(deng)均(jun)显著(zhu)影响(xiang)构件的(de)成(cheng)形(xing)质(zhi)量、显(xian)微(wei)组织(zhi)和(he)力(li)学(xue)性能(neng)。近年(nian)来，对(dui)SLM成形AlSi10Mg合金(jin)的工(gong)艺参数(shu)、显微(wei)组织和力(li)学性能进(jin)行了(le)系统研究，建(jian)立(li)了成(cheng)形工艺及(ji)热处(chu)理与(yu)显微组(zu)织和(he)力学性能(neng)的(de)相关性[86-90]，发现(xian)沉积态(tai)AlSi10Mg合金具有(you)较(jiao)高(gao)的(de)残(can)余(yu)应(ying)力和显(xian)著的(de)组织(zhi)各(ge)向(xiang)异(yi)性[91-95]。笔(bi)者团(tuan)队(dui)进一步(bu)研究(jiu)发现(xian)，沉(chen)积态(tai)AlSi10Mg合(he)金的(de)拉伸(shen)性(xing)能(neng)各(ge)向(xiang)异性(xing)主(zhu)要与承(cheng)载(zai)面(mian)熔(rong)池(chi)界面(mian)分布有关(guan)，承受(shou)载(zai)荷的(de)熔池界(jie)面(mian)越(yue)少(shao)强(qiang)度(du)和(he)塑(su)性(xing)越(yue)好[96]。此(ci)外，热处(chu)理(li)能有(you)效降低(di)或(huo)消除(chu)残(can)余应力(li)，弱化显(xian)微组(zu)织(zhi)和力(li)学(xue)性(xing)能(neng)的各向(xiang)异性，但会(hui)造成(cheng)组(zu)织粗化和(he)强度(du)降(jiang)低(di)（表(biao)5）[97]。

由(you)于(yu)锻(duan)造(zao)铝(lv)合(he)金极(ji)易开(kai)裂(lie)，难(nan)以通过(guo)增材(cai)制(zhi)造获(huo)得(de)需要的(de)显(xian)微组织(zhi)和力(li)学性能(neng)，迫(po)切希(xi)望(wang)通(tong)过优(you)化(hua)化(hua)学(xue)成分(fen)和设计来(lai)解决(jue)这一难(nan)题(ti)。研(yan)究发现，添(tian)加(jia)Zr、Sc、Ti等元(yuan)素可(ke)显(xian)著降低锻造(zao)铝合(he)金(jin)增材(cai)制造(zao)过(guo)程中(zhong)的开裂(lie)敏感(gan)性，促进细(xi)小(xiao)等(deng)轴晶(jing)形成，提升(sheng)铝合金的强(qiang)度(du)和塑性[82,98-102]。此外(wai)，将陶瓷颗粒(li)与铝(lv)合金(jin)粉(fen)末均匀(yun)混(hun)合(he)后制(zhi)备(bei)铝(lv)基复合材料也(ye)可获(huo)得(de)良好的成形质量和(he)细小的(de)微观(guan)结构(gou)，并显(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)强(qiang)度、硬(ying)度(du)和耐(nai)磨(mo)性(xing)[103-107]。

目(mu)前，铝合(he)金(jin)增(zeng)材制(zhi)造(zao)研究(jiu)大多基于传统合金，新(xin)型(xing)铝合金开(kai)发(fa)也(ye)取(qu)得(de)了一(yi)定(ding)进展[9,108]。虽(sui)然增材制造技术(shu)独(du)特(te)的快速(su)熔(rong)化(hua)和(he)快(kuai)速(su)凝固(gu)过程可(ke)获(huo)得(de)异(yi)于传(chuan)统(tong)工(gong)艺(yi)制备的材料的组织(zhi)和均(jun)质化(hua)效(xiao)果(guo)，但(dan)铝(lv)合(he)金高(gao)裂纹(wen)倾向和(he)柱(zhu)状组(zu)织(zhi)粗化(hua)的问(wen)题仍(reng)困(kun)扰和制约(yue)铝(lv)合金增(zeng)材(cai)制造(zao)的(de)研究(jiu)与(yu)应用，完善增材制造铝合(he)金的(de)成分设(she)计理论(lun)是(shi)亟待解(jie)决(jue)的问(wen)题(ti)。

2.4.2应用(yong)实例

增材(cai)制(zhi)造铝合(he)金构件(jian)已(yi)在多(duo)种型号的(de)飞机上(shang)应用(yong)。空(kong)客公司(si)为(wei)实(shi)现(xian)减(jian)轻质量和缩(suo)短制造(zao)周(zhou)期，采用(yong)增材(cai)制造(zao)技术(shu)将(jiang)30个(ge)AlSi10Mg零(ling)件集(ji)成(cheng)设计(ji)为1个零件(jian)，成功(gong)制造(zao)了A350XWB型(xing)机的(de)垂(chui)直尾翼(yi)支(zhi)架，还(hai)采(cai)用(yong)SLM技术(shu)制造(zao)了A320客(ke)机(ji)的Al-Mg-Sc轻(qing)量(liang)化(hua)仿(fang)生机(ji)舱(cang)隔(ge)离(li)结构，达(da)到了(le)减轻质(zhi)量、降低成(cheng)本的(de)目(mu)的[112]。2016年(nian)，英(ying)国克兰(lan)菲(fei)尔(er)德大(da)学(xue)采(cai)用(yong)电弧增材制造(zao)技术(shu)成(cheng)功制(zhi)造了长6m、质(zhi)量(liang)300kg的铝合金双面翼梁(liang)[113]。2020年(nian)4月，美国(guo)MELDManufacturingCorporation公司(si)采(cai)用其专有的(de)MELD技(ji)术(增材搅拌摩(mo)擦(ca)沉积)制备了(le)直径(jing)1.4m的铝(lv)合金部件(jian)，同(tong)年8月(yue)又(you)成(cheng)功制(zhi)备(bei)了直径(jing)3.05m的圆环状(zhuang)铝(lv)合(he)金(jin)结构(gou)[114]。国(guo)内相关的增材(cai)制(zhi)造(zao)研(yan)究(jiu)机(ji)构(gou)和(he)企业(ye)也(ye)一(yi)直致(zhi)力(li)于铝合(he)金(jin)构件(jian)的制备。首(shou)都(dou)航(hang)天机(ji)械(xie)有(you)限公(gong)司(si)、北(bei)京(jing)航星机器制(zhi)造公(gong)司(si)、华中科(ke)技(ji)大(da)学等分别开展了航(hang)天(tian)领(ling)域(yu)用(yong)铝合金(jin)支座(zuo)、舱段、框梁(liang)、网格等构件(jian)的试(shi)制和应用，并(bing)取得了阶段性(xing)成(cheng)果(guo)[115]。

3、结束语

增(zeng)材(cai)制(zhi)造金属(shu)材(cai)料(liao)在航空航(hang)天(tian)领域(yu)具有广(guang)阔(kuo)的(de)应用(yong)场(chang)景(jing)。增(zeng)材(cai)制(zhi)造铁(tie)基(ji)合金、镍(nie)基(ji)合(he)金(jin)、钛合(he)金和铝(lv)合(he)金(jin)是目(mu)前(qian)航空航(hang)天(tian)领(ling)域(yu)广泛应用的材料(liao)，用于(yu)卫星、火(huo)箭、飞机、武器装备(bei)等(deng)，推动了(le)增(zeng)材制(zhi)造(zao)金属(shu)材料市场(chang)的(de)快速(su)扩(kuo)展(zhan)。然(ran)而(er)，目(mu)前(qian)航空航(hang)天领(ling)域(yu)广(guang)泛(fan)应用的(de)增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)合金(jin)粉末主(zhu)要(yao)基(ji)于传(chuan)统块(kuai)体(ti)材(cai)料(liao)成(cheng)分(fen)，适(shi)用于(yu)增材(cai)制造技术(shu)的(de)专用合金(jin)体系(xi)匮乏(fa)。亟(ji)须(xu)针对(dui)增材制造独(du)特的(de)高冷(leng)却速率(lv)、温度(du)梯(ti)度及(ji)非(fei)平(ping)衡(heng)热循(xun)环等(deng)特(te)点开发(fa)兼(jian)具良好成形性(xing)和(he)力(li)学(xue)性能的(de)增材制造(zao)专用(yong)合金(jin)粉末。开(kai)发增材(cai)制(zhi)造(zao)专(zhuan)用(yong)合金粉(fen)末将是(shi)航空航(hang)天用(yong)增(zeng)材制造金属材料的(de)重(zhong)要(yao)研究(jiu)方向。

增材(cai)制(zhi)造技术(shu)独特(te)的(de)快(kuai)速(su)熔化(hua)及快速凝(ning)固(gu)过程可(ke)获得(de)异于(yu)采用传统(tong)工(gong)艺(yi)制备(bei)的材(cai)料(liao)的组织(zhi)和均(jun)质化效果(guo)，但(dan)增材(cai)制造铁(tie)基合金、镍基(ji)合(he)金(jin)、钛(tai)合(he)金(jin)和(he)铝合金(jin)往往(wang)存在(zai)开(kai)裂(lie)倾(qing)向(xiang)大(da)和(he)形(xing)成柱(zhu)状组(zu)织(zhi)等(deng)问题，严重(zhong)制(zhi)约(yue)了增(zeng)材制造技术的(de)推广(guang)应(ying)用。通过添(tian)加合(he)金元素或(huo)者陶(tao)瓷(ci)颗粒等(deng)对增材(cai)制造金(jin)属进(jin)行(xing)改性(xing)，有(you)望(wang)改善成形(xing)性，获(huo)得(de)精细(xi)显(xian)微(wei)组(zu)织(zhi)。未来，为(wei)满(man)足(zu)航(hang)空(kong)航(hang)天领(ling)域对(dui)在(zai)极(ji)其严苛环境(jing)中使用(yong)的增(zeng)材(cai)制造金属(shu)构(gou)件(jian)的需(xu)求，应通过创新(xin)和发(fa)展铁(tie)基合(he)金(jin)、镍基合(he)金(jin)、钛合(he)金和(he)铝合(he)金，并结合(he)增(zeng)材制(zhi)造(zao)控形(xing)、控性(xing)技术，实(shi)现材(cai)料−结(jie)构(gou)−性(xing)能一(yi)体(ti)化(hua)增材制造技术(shu)的(de)应(ying)用(yong)。

参(can)考(kao)文献(xian)

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