影響因子26.625！呂堅院士團隊發表綜述：結構材料的增材製造二

江蘇激光聯盟導讀：

2021 年 4 月 1 日，香港城市大學呂堅院士團隊在 Materials Science and Engineering: R: Reports 上發表綜述論文“Additive manufacturing of structural materials”該論文分別從增材製造領域的發展歷史、材料選擇、4D 打印、應用前景、和趨勢展望等方面做了較爲系統的介紹。江蘇激光聯盟將陸續對其主要內容進行介紹，本文爲第二部分。

2.2. 金屬材料的增材製造

金屬是結構材料中應用最爲廣泛的傳統材料，廣泛的經過了傳統的製造技術的發展，如鑄造，鍛造和焊接等。AM技術可以通過製造出複雜的結構來拓展金屬的應用範圍，減少結構部件的數量和產品的製造成本，減少整個製造流程的時間跨度。因此，AM技術可以改變當前的金屬部件的製造循環週期。爲完全的開發和利用3D打印技術在實踐中的應用，我們必須探究新穎的材料，工藝和結構。如下圖1所示爲金屬AM的輪廓圖。

圖1. 金屬AM技術的輪廓圖

2.2.1. 材料，工藝，打印結構和結構-功能性能的發展

2.2.1.1. 用於打印的新穎的材料設計

打印材料的性能強烈的同成品的顯微組織和打印的最終制品的性能相關聯。許多新穎的金屬材料被設計出來用來形成具有優異的顯微組織和先進的性能，如圖2所示。在當前，許多新穎的金屬材料已經已經被設計出來應用於AM技術或者用來提高結構材料的性質，如高強度和高韌性等。

▲圖2. 發展起來的用於3D打印的金屬設計：(a–c) 新穎的材料系統可以克服負面的效應；(d) 引入納米顆粒進行打印

AM金屬打印的一個限制在於可以打印的材料和合金的種類比較少，在工程實踐中應用的典型材料往往並不適合AM技術。直接採用AM技術獲得典型合金的理想結構或性能是非常困難的。因此，發展用於AM的新穎的金屬材料是近年來的一個研究的熱點和焦點問題，同傳統的鑄造相比較，人們的研究熱情非常高漲。均勻分佈的納米顆粒在鑄造過程中的均勻分佈的納米顆粒可以有效的獲得高的特定的拉伸強度和特定的彈性模量。Martin等人發展了一個辦法來拓展金屬材料的選擇範圍以適應更大範圍內的AM設備。同鑄造一樣，AM也包括凝固的過程，從而也可以採用相似的辦法來引入納米顆粒如孕育劑來進行控制凝固。無裂紋的，等軸的和細化的顯微組織是可以通過AM技術來獲得的，其性能也可以同同傳統的鍛造合金材料相比較。相似的是，許多研究人員實施了利用納米顆粒來製造具有精細顯微組織的結構和先進的機械性能，例如，In718高溫合金， AlSi10Mg和鐵素體不鏽鋼。

不同的AM製造技術具有他們本身獨特的特徵。大多數的激光或者電子束爲基礎的AM技術均包括加熱和冷卻速率的問題，從而在打印的部件中產生高的溫度梯度。這很容易導致柱狀晶的生成，因此，不理想的各向異性的機械性能就會生成。因此，一些研究人員開始發展新穎的材料體系來克服AM製造技術過程中的負面影響。Zhang等人報道了採用新穎的Ti-Cu合金，該合金具有成分超過冷的能力，可以獲得超細的共晶顯微組織，而不是柱狀晶。超細的共晶顯微組織是自激光加工工藝的高的溫度梯度所造成的高的冷卻速率所造成的。新穎的材料可以探究出AM製造工藝中的新的特徵。

2.2.1.2. 新穎的加工工藝

儘管在發展用於AM製造的新穎的材料的過程中，一些研究人員正在致力於發展基於不同的目的的新穎的AM工藝，如圖3所示。此處的術語“硬打印合金”是指一個合金在採用常規的AM技術進行打印的時候相對比較困難，例如，非晶合金和高熵合金（high-entropy alloys (HEAs)）。這些新穎的AM工藝是對當前的工藝進行改性或基於硬打印的合金的特徵進行發展。例如，採用AM技術製造非晶合金，如採用SLM技術進行打印，將會由於在熱影響區的預熱而存在部分晶化。Gibson等人則發展了一個新穎的3D打印系統（熔化燈絲的製造）來製造具有複雜結構的非晶合金。Kenel等人和Jakus等人報道了一個混合墨水打印金屬氧化物的混合物，隨後進行還原合成的工藝。這一策略可以用來製造複雜的金屬結構，包括Fe, Ni, FeNi和 FeCoNiCr 等HEAs。裂紋和偏析的控制在AM工藝中是非常必要的，尤其是在高的溫度梯度的時候。這些研究人員利用墨水打印來打印複雜的結構和還原燒結來自氧化物中形成金屬。這一新穎的策略可以擴展可打印合金的範圍。

▲圖3. 用於製造金屬的新穎的AM製造工藝：(a, b) 用於特定材料的新穎的AM製造工藝；(c) 新穎的製造工藝用於更多材料的AM製造工藝；(d) 新穎的用來提高製造的部件的性能的工藝

與此同時，許多研究人員將目光聚焦在提高打印合金的機械性能上。Chen等人設計了一個後處理的3D打印恢復策略來應用到打印工藝中，未緩和的殘餘應力-來阻礙單晶形成再結晶。這一技術改變了整個製造工藝並呈現出潛在的應用於AM的優勢。包括單晶高溫合金的修復，恢復，重塑造形狀等。然而，如果這裡存在顯著的不可克服的鴻溝需要跨域，發展完全的新的AM技術將會是一個新的比較適宜的選擇。Yu等人提出了一個新的AM技術，增材攪拌摩擦沉積，並討論了該技術的優點和缺點，並同當前的AM技術進行了對比。Wang等人實施了一個激光爲基礎的AM技術來製造不同的材料，包括無裂紋的鋼，鈦合金和高溫合金，具有相對大的尺寸和好的機械性能。一個複合的沉積和微輥壓工藝，結合了微鑄造，鍛造，磨削來提高沉積的精度和顯微組織的性能。自從Wu等人揭示了雙相納米結構具有的優異的機械性能，獲得3D打印合金具有類似的結構。一些金屬玻璃複合材料具有非晶和晶化相，具有高的強度和斷裂韌性。

其他的應用於AM製造的新穎的技術，如用於多材料製造的組合合金，電化學加工輔助的3D打印和增材製造。激光沉積，電弧熔化和其他技術均可以用來修復部件的缺陷，這就是增材再製造。工業中的部件，如齒輪，模具和起落架，經常會由於日常的使用，在高的衝擊載荷，摩擦和高的載荷情況下出現經常性的損傷。這些增材再製造技術可以塗覆硬的保護塗層，具有冶金結合來提高其硬度，耐磨損性能和其他的性能，由此延長了這些部件的壽命。

除了新穎的實驗辦法來提高增材製造部件的性能外，一些研究人員還極力的研究工藝過程中形成缺陷的原因和優化製造工藝。Khairalla 等人採用高可靠度的模擬技術揭示了飛濺誘導的缺陷形成機制。這可以描述快速的多瞬時動力學過程，甚至到納秒尺度，並且採用同步實驗給予了證實。其他的模擬技術，如採用有限元FEM技術，分子動力學技術MD和密度功能理論（DFT）等均可以模擬不同的尺度，自宏觀到微觀到原子尺度。這些辦法均非常有效，但他們需要進一步的將多個尺度層面的模擬結合在一起進行模擬分析。

因此，發展新穎的打印工藝結合材料的特徵和AM工藝過程的新技術將會拓展可打印材料的應用範圍。

2.2.1.3.新穎的結構

打印的結構主要取決於終端的應用需求。開孔材料不僅可以提供結構材料的性能，同時還可以支撐同內部同表面相關的潛在的應用，如催化劑。這些結構可以非常容易的採用AM技術來進行製造。然而，閉孔材料主要用作結構材料來應用，如輕質的支撐部件或能量吸收部件。其外部的形狀具有一個閉孔的結構，可以採用AM技術來製造，但其內部的空隙則主要靠其他的辦法來控制，如發泡劑。

具有開孔結構的材料可以應用在直接接觸的，如催化劑的場合，此處需要獲得承受載荷的能力並不是其首先需要具備的能力。具有閉孔的結構主要應用在非直接接觸的場合，如能量吸收和電磁屏蔽等應用場合。

材料的結構同最終的機械性能密切相關，因爲變形路徑非常容易的受到結構的影響。設計的結構應該將顯微組織也考慮進來。例如，增材製造的部件有時候具有各向異性的性能。如果一個部件進行了很好的設計，其變形就會沿着各向異性的方向具有較高的強度。由此，較高的強度和較低的質量就可以實現。

打印結構會影響變形的路徑和進一步的提高結構的性能。許多努力經過實施來比較不同的結構材料的性能，並採用實驗和模擬的辦法進行了比較。比較的參數也主要同密度，結構方向和晶格結構等。進一步的突破有可能採用其他的方法來實現。Pham等人設計了一個晶格結構，同晶體結構非常相似。結果顯示晶體結構相似的結構可以有效的提高材料的機械性能。儘管很少有研究是關於金屬的3D打印的，受到自然界的啓發而實現的結構和功能應用的案例也多有實施。一些典型的用於AM增材製造的強化機制，包括精細的顯微組織，二次相，特殊的顯微結構的變形機制，結構因素等均進行了總結。

2.2.1.4. 打印具有功能性能的金屬材料

金屬不僅具有許多結構應用，同時也具有潛在的功能特性方面的應用，這是因爲金屬具有獨特的物理性質（如導熱，導電和超疏水特性）和化學性質（如化學活性），見圖4所示。一些功能性能，外加一些結構方面上的性能，金屬3D打印後的材料將會展現出獨特的優異性能，如可以承受極端的工作條件，電化學性質等和超疏水等性質。新的功能性特徵還需要進一步的進行開發和發展。

▲圖4. 發展的結構-功能特性的材料：(a, b)在極端狀況下的行爲；(c–e)催化材料；(f, g) 超疏水材料

▲圖5. 3D打印的立方體的晶格結構，排斥水（右側左邊）而右邊爲一個空心篩球捕獲水兒不會發生泄漏（最右邊）

此外，功能特性通常是通過材料的固有金屬性質所獲得的，並採用了進一步的處理。Ambrosi 等人展示了一個電化學方面的應用，採用不鏽鋼作爲電極和Pt, IrO2和 Ni薄膜作爲功能塗層。功能應用包括電化學電容器，一個氧進化催化劑，一個PH傳感器和一個水電解器。其他的功能性能，如超疏水/超親水和電磁性能等，均很少被研究。但這些性質對結構材料的應用非常重要。例如，在某些場合，電磁屏蔽，將會提供支撐。3D打印的部件將會將結構性能和電磁性能結合在一起來考慮。其他的功能場合具有相似的要求，如油水的分離。

不像常規的材料可以採用功能性薄膜進行塗層處理，硬打印合金具有獨特的功能性能，甚至不需要進一步的進行處理。金屬玻璃，又叫非晶合金，具有無序的原子堆積結構，開始成爲催化劑領域研究的熱點和呈現出優異的催化性能。Liang等人制造了Fe基的金屬玻璃（MG）複合材料且具有多孔結構，其在具有硫酸根反應的條件下性能提高了45倍。儘管MG具有部分晶化，MG複合材料仍然是比較適宜的材料選擇，如果它的先進性能在製備的時候可以保證的話。這裡其實並不需要製備出完全晶化的合金來，製造此類合金對AM來說仍然是一個比較大額問題，這是因爲晶化將會在熔點一下發生。

未完待續！江蘇激光聯盟歡迎您的繼續關注！

下期預告

本文爲江蘇省激光產業技術創新戰略聯盟原創作品，如需轉載請標明來源，謝謝合作支持！