金属材料在增材制造技术中的研究进展胡　捷，廖文俊，丁柳柳，胡　阳（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海２０００７０）摘要 对金属材料在增材制造技术研究中的发展史进行了概述，并分类描述了不同的成形机制。

重点详细介绍了增材制造技术领域内各类金属材料的研究进展，种类涵盖到钛合金、镍合金、钢、铝合金和硬质合金等材料。

最后提出行业应该更注重“政用产学研”五位一体化，以市场为导向，逐渐形成一系列金属材料的增材制造工艺方法及标准。

关键词 增材制造　钛合金　镍合金　钢中图分类号：ＴＧ１４ 文献标识码：ＡＲｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｎ　Ａｄｄｉｔｉｖｅ　ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＨＵ　Ｊｉｅ，ＬＩＡＯ　Ｗｅｎｊｕｎ，ＤＩＮＧ　Ｌｉｕｌｉｕ，ＨＵ　Ｙａｎｇ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ａｃａｄｅｍｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００７０）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｖｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｍｅｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙ，ｎｉｃｋｅｌ　ａｌｌｏｙ，ｓｔｅｅｌ　ａｎｄ　ｓｏ　ｏｎ，ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ，ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｉｓ　ｉｎｄｉｓｐｅｎｓａｂｌｅ　ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｖｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ ａｄｄｉｔｉｖｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙ，ｎｉｃｋｅｌ　ａｌｌｏｙ，ｓｔｅｅｌ　胡捷：男，１９８８年生，硕士，工程师，研究方向为金属材料的制备和加工　Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｊｉｅ３＠ｓｈａｎｇｈａｉ－ｅｌｅｃｔｒｉｃ．ｃｏｍ０　引言增材制造技术，顾名思义，是指运用离散－堆积的方法将材料一点一点地增加起来的加工技术，主要工艺流程如图１所示。

图１　增材制造的工艺流程Ｆｉｇ．１　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ａｄｄｉｔｉｖｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ早期的增材制造技术主要为原型制造，用于快速响应产品的外观设计，所用材料包括树脂和塑料。

随着市场需求的不断提高，增材制造技术不能仅仅满足于外观要求，还必须逐渐向制造功能件方向转变，由此关于金属材料的研究便不曾间断。

在２０世纪９０年代中期，美国联合技术研究中心（ＵＴＣ）与桑地亚国家实验室（Ｓａｎｄｉａ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ）合作开发了激光工程化近成形制造技术（Ｌａｓｅｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ　ｎｅｔ　ｓｈａ－ｐｉｎｇ，ＬＥＮＳ），该技术使用了Ｎｄ∶ＹＡＧ固体激光器和同步粉末输送系统，用于金属零件的近形制造和局部修复。

与此同时，瑞典的Ａｒｃａｍ公司基于电子束熔炼快速制造技术（Ｅ－ｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｅａｍ　ｍｅｌｔｉｎｇ，ＥＢＭ）发展出金属材料“自由成形技术”（Ｆｒｅｅ　ｆｏｒｍ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ＦＦＦ），可直接由金属粉末生成完全致密零件；国内西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东教授突破了快速原型制造的界限，发展出激光立体成形技术（Ｌａｓｅｒ　ｓｏｌｉｄ　ｆｏｒｍｉｎｇ，ＬＳＦ），获得了形状较为复杂的金属零部件。

随后，美国Ｌｏｓ　Ａｌａｍｏｓ国家实验室开发了直接光学制造（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ　ｌｉｇｈｔ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ＤＬＦ）的金属零件快速成型；美国Ｓｔａｎｆｏｒｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ和Ｃａｒｎｅｇｉｅ　Ｍｅｌｌｏｎ　Ｕｎｉ－ｖｅｒｉｓｉｔｙ合作开发了形状沉积制造技术（Ｓｈａｐｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＳＤＭ）；美国密西根大学研究开发了直接金属沉积技术（Ｄｉｒｅｃｔ　ｍｅｔａｌ　ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ，ＤＭＤ）；德国弗朗和夫研究所（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ）开发了控制金属堆积技术（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｍｅｔａｌ　ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ，ＣＭＤ）；英国Ｂｉｒｍｉｎｇｈａｍ大学的吴鑫华教授提出了受控激光制造技术（Ｄｉｒｅｃｔ　ｌａｓｅｒ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）等［１－４］。

如今，在国内以金属激光熔覆（Ｌａｓｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ，ＬＣ）、金属材料选区激光熔化（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｌａｓｅｒ　ｍｅｌｔｉｎｇ，ＳＬＭ）或烧结（Ｓｅ－ｌｅｃｔｉｖｅ　ｌａｓｅｒ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＳＬＳ）技术占据市场主导地位，ＳＬＳ技·９５４·金属材料在增材制造技术中的研究进展／胡　捷等术路线如图２所示。

虽然众多的研究院所和学者给金属材料增材制造技术分门别类地冠以了不同的名称，但其中的成形原理却不外乎几类。

图２　ＳＬＳ技术路线Ｆｉｇ．２　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｒｏｕｔｅ　ｏｆ　ＳＬＳ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ增材制造技术的最大特点在于能够可受控地自由添加材料，要做到这一点需要先将所添材料变成流体状态。

金属材料的熔化或气化都需要很高的能量，所以一般选择高能束粒子流作为热源，例如激光束或电子束等。

根据受热程度的不同，金属材料可能发生全部熔化、部分熔化或者不熔化。

对于纯金属而言，温度高于熔点，材料即可发生完全熔化；对于多组元单一高熔点合金而言，材料熔凝过程存在一个固液共存区间，温度需要略高于固相线温度，使材料发生非均匀熔化，随后通过液相浸润晶界和热量的扩散，剩余固相便发生重排熔解。

在ＳＬＭ、ＬＥＮＳ、ＬＳＦ和ＥＢＭ等成形工艺中常采用以上材料体系粉末。

当材料是多组分的混合料时，由于各组分具有不同熔点，低熔点材料部分会优先熔化，成为粘结剂，而高熔点材料部分作为结构材料，保留其固相核心。

通常高熔点材料是金属，低熔点材料是有机树脂或者金属，例如３Ｄｓｙｓｔｅｍ公司的ＲａｐｉｄＳｔｅｅｌ和ＣｏｐｐｅｒＰｏｌｙａｍｉｄｅ材料系列和ＥＯＳ公司的钢、镍与青铜混合粉体系等。

这种被液相包裹、润湿从而粘结固相颗粒，实现致密化的过程称为液相烧结，常用工艺有金属材料ＳＬＳ。

此外，关于金属材料固相烧结或化学反应结合为机制的增材制造工艺研究也有所报道，Ｋｒｕｔｈ给予了详细描述和分类［５］。

之所以会有不同的成形机制和工艺主要在于材料种类的多样性。

国内外研究人员仍在不断地开发出新的材料体系以满足于市场的需求，以下就逐一介绍增材制造技术中几类重要的金属材料。

１　钛合金钛合金具有比强度高、耐蚀性好、高温力学性能优良等特点，被广泛应用于各行各业。

但高昂的加工成本和较长的交货周期，限制了其应用范围。

特别地，对于有定制化要求的航空航天和生物医用领域更是突显了传统加工方式的弊端。

钛合金是增材制造技术中率先被广泛研究和应用的合金材料。

Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ（ＴＣ４）合金在航空工业中主要用于框架、梁、接头、叶片等部件上。

该合金具有良好的热塑性和可焊性，非常适合于激光束或电子束快速成形工艺。

美国ＡｅｒｏＭｅｔ公司是史上第一家运用激光快速成形技术实现钛合金构件装机应用的单位，但其ＴＣ４构件即使经过热等静压（ＨＩＰ）或开模铸造加工，性能也达不到锻件标准，无法作为主承力构件。

在“十五”期间，北京航空航天大学王华明教授团队突破激光熔化沉积关键技术，成功制造ＴＣ４钛合金，其室温及高温拉伸、高温蠕变、高温持久、光滑疲劳、缺口疲劳等力学性能均显著超过锻件，该结构件已实现在飞机上的装机应用。

西北工业大学黄卫东教授对ＴＣ４激光立体成形件进行研究，无论是沉积态还是热处理态的力学性能都优于锻造退火态标准和美国ＡｅｒｏＭｅｔ公司激光成形件。

此外，北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室利用电子束熔融工艺快速制备了性能优异的ＴＣ４钛合金试样。

在国外，美国材料与试验协会已出台标准ＡＳＴＭ－Ｆ２９２４－１４“ＳｔａｎｄａｒｄＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ａｄｄｉｔｉｖｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｉｔａｎｉｕｍ－６Ａｌｕｍｉ－ｎｕｍ－４Ｖａｎａｄｉｕｍ　ｗｉｔｈ　Ｐｏｗｄｅｒ　Ｂｅｄ　Ｆｕｓｉｏｎ”针对ＴＣ４钛合金的铺粉熔覆工艺，这也是增材制造行业为数不多的涉及到具体材料的标准。

可以说，运用增材制造方法制备ＴＣ４钛合金的工艺技术相当成熟，已全面进入市场销售和生产服务。

随后的研究会着重于ＴＣ４成分和工艺参数的进一步优化［６－１０］。

Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｚｒ－１Ｍｏ－１Ｖ（ＴＡ１５）合金属于高Ａｌ当量的近α型钛合金，具有良好的热强性、可焊性和工艺塑性。

和ＴＣ４一样，作为飞机和发动机结构用重要钛合金材料，也已实现在飞机上的装机应用。

激光快速成形ＴＡ１５钛合金的各项性能（包括铣削、镗削、钻削和攻丝等切削工艺性能）与锻件无显著差异［１１］。

退火热处理后的ＴＡ１５合金厚壁件的拉伸力学性能优于锻造退火态的标准［１２］。

Ｔｉ－６Ａｌ－３．５Ｍｏ－１．８Ｚｒ－０．３Ｓｉ（ＴＣ１１）合金主要用于飞机叶片，属于α＋β两相合金，合金中加入少量Ｓｉ增强抗蠕变性能。

２０１０年，贵州黎阳航天动力有限公司与北航一同开展了“大型钛合金整体叶盘激光快速成形技术研究”项目，完成了《ＴＣ１１钛合金整体叶盘激光快速成形制件及零件技术条件》和实体零件的制造，力学性能达到锻件技术标准。

Ｔｉ－４Ａｌ－１．５Ｍｎ（ＴＣ２）合金属于中强钛合金，具有良好的可焊性，主要用作连接管路。

该合金变形能力较差，压力加工成形较困难。

增材制造技术无疑给该合金的制造增添了一缕曙光。

激光熔化沉积退火态ＴＣ２钛合金的室温拉伸性能优异，但其塑性存在明显各向异性。

后处理过程中，退火温度升高增加试样件强度，但不损失其韧性；当退火温度为９５５℃时，经空冷获得的试样件缺口冲击韧度值最高，达到８８８ｋＪ／ｍ２。

Ｔｉ－６Ａｌ－２．５Ｍｏ－２Ｃｒ－０．５Ｆｅ－０．３Ｓｉ（ＴＣ６）是一种密度低、强度高、耐腐蚀的两相钛合金。

其材料成本昂贵，且难以进行锻造加工成形。

经普通退火处理的ＴＣ６钛合金半成品能够满足飞机结构件３００℃以下的使用温度要求。

利用激光立·０６４·材料导报　　２０１４年１１月第２８卷专辑２４体成形工艺制备ＴＣ６钛合金，沉积态和退火态构件均能达到锻件标准。

Ｔｉ－５．５Ａｌ－４Ｓｎ－２Ｚｒ－１Ｍｏ－０．３Ｓｉ－１Ｎｄ（Ｔｉ６０）和Ｔｉ－６Ａｌ－２．８Ｓｎ－４Ｚｒ－０．５Ｍｏ－０．４Ｓｉ－０．１Ｙ（Ｔｉ６００）合金是６００℃高温钛合金主要研究对象，分别由中国科学院金属所和西北有色金属研究院研制。

前者工作温度可达６００℃，用于航空发动机高压段的压气机盘、鼓筒和叶片等零件，随后在此基础上又研制出Ｔｉ－５．８Ａｌ－４．０Ｓｎ－３．５Ｚｒ－０．４Ｍｏ－０．４Ｓｉ－０．４Ｎｂ－０．４Ｔａ（Ｔｉ６０Ａ）钛合金；后者可在６００～６５０℃长期使用，蠕变性能非常优异，适用于高温下持久承力部件。