摘要

增材制造（AM），同樣被稱為3D打印，是一個備受關(guān)注的領(lǐng)域，已被公認為是一種以逐層方法生產(chǎn)工程組件的先進工藝。它既為現(xiàn)有設計提供了替代的制造路線，又支持了使用傳統(tǒng)技術(shù)無法實現(xiàn)的復雜性的新設計。在不同的AM加工路線中，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]到在這個新的和令人興奮的領(lǐng)域正在進行許多研究，這篇綜述論文論證了目前的技術(shù)水平，并考慮了未來研究的新途徑。它探索了LAM過程中的關(guān)鍵冶金現(xiàn)象，以及不同LAM技術(shù)路線在粉末床熔合（PBF）或定向能沉積（DED）方面的差異，涉及不同形式的粉末床，粉末進料和送絲組裝。重點介紹了各種實際應用的先進和高適用材料的微觀結(jié)構(gòu)、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(xiàn)場進行評估；強調(diào)了科學理解上的差距，這可能會限制金屬零件設計用LAM技術(shù)的發(fā)展

1.介紹

美國材料與試驗學會（ASTM）將加性制造（AM）定義為“一種將材料連接起來，從3D模型數(shù)據(jù)中制造物體的過程，通常是一層接一層的過程，與減法制造方法相反”。在文獻中也可稱為3D打印、快速原型和直接數(shù)字制造。根據(jù)這個定義，所有類別的材料都可以通過AM處理，包括陶瓷、金屬、復合材料、聚合物和有機結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)的快速成型。隨著時間的推移，這項技術(shù)得到了改進，生產(chǎn)出的零件具有可接受的密度和質(zhì)量，可用于現(xiàn)場應用。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(jù)進給系統(tǒng)（粉末床、粉末進給和線進給）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）等進行分類。

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FSP方法處理FGM的不同步驟。如圖所示，通過加工具有不同深度的后續(xù)不同凹槽，在凹槽內(nèi)預放置不同粉末，并使用具有不同長度銷的不同工具，一個化學成分梯度轉(zhuǎn)變的攪拌區(qū)域逐步產(chǎn)生，而在不同步驟中加工的初始板的厚度沒有任何變化。此外，通過改變凹槽的寬度，可以在每層的每個步驟中控制增強劑的體積分數(shù)。在這種預先放置粉末的板材系統(tǒng)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的晶粒結(jié)構(gòu)細化。這一過程類似于一種增材制造，通過層層改變化學和顆粒結(jié)構(gòu)來達到產(chǎn)品的最終狀態(tài)。因此，可以將其歸類為AFSM技術(shù)生產(chǎn)功能梯度材料的發(fā)展路線。

金屬部件的AM可被視為傳統(tǒng)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(qū)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，但它們確實提供了對金屬增材制造（MAM）各個方面的充分理解。這項技術(shù)可能會極大地改變金屬零件建筑和設計行業(yè)的面貌。因此，大量的研究活動特別針對金屬材料的3D制作引發(fā)了幾篇評論，重點關(guān)注加工參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)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)的新概念和問題

本文概述了有關(guān)AM的文獻，重點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(jù)其原料分為兩類：（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(jié)（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，因此有很好的機會修改工業(yè)產(chǎn)品的設計，實現(xiàn)更輕、更高效的零件，以更低的成本更快地制造產(chǎn)品。成本和時間的減少，同時最大限度地減少與人為相關(guān)的錯誤，以及構(gòu)建幾乎任何形狀的能力，導致對零件組裝的需求減少，產(chǎn)品開發(fā)周期加快，這些是LAM相對于傳統(tǒng)制造技術(shù)的主要優(yōu)勢。與此同時，LAM技術(shù)已變得更適合于工業(yè)應用，尤其是在小規(guī)模生產(chǎn)的行業(yè)，并專注于制造具有定制規(guī)格的獨特產(chǎn)品，尤其是在醫(yī)療和航空航天領(lǐng)域的應用。醫(yī)用和牙科植入物，以及與患者匹配的植入物需要在短時間內(nèi)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)量問題產(chǎn)生了特別的影響，因為它們也加速了患者的愈合過程。

換句話說，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)可以在短時間內(nèi)以合理的價格制造出更多的個性化醫(yī)療和牙科設備。它還可以在惡劣條件下（在孤立地區(qū)）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(yī)學領(lǐng)域的大量關(guān)注，并對主要用于這些行業(yè)的四類材料（鋼、鎳基合金、鈦基合金和金屬基復合材料）進行了積極的研究。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（無缺陷）對應物仍然具有挑戰(zhàn)性。

計算了第12層的熔接區(qū)和σ_xx應力。(Hodge等人)。

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

在由LAM技術(shù)制造的工程部件中實現(xiàn)令人滿意的機械性能是對更廣泛利用的最大挑戰(zhàn)。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制造過程中起著關(guān)鍵作用，必須針對產(chǎn)品的特定粉末和沉積幾何形狀進行控制和優(yōu)化。改變這些關(guān)鍵參數(shù)主要會影響加工環(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，通過改變制造零件的微觀結(jié)構(gòu)，涉及缺陷形成、殘余應力、晶粒尺寸、相變和結(jié)晶織構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征阻礙了制造零件的機械性能。

LAM工藝中的定向傳熱現(xiàn)象通常會導致制造零件中的大規(guī)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)制造的零件的微觀結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(shù)。此外，其他與LAM相關(guān)的問題/缺點（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)注點是金屬部件的LAM、其工藝、微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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)鍵評估將重點放在四類材料上：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)過程中涉及的關(guān)鍵冶金現(xiàn)象以及制造前和制造后的處理情況。從晶粒尺寸、相變、相穩(wěn)定性、織構(gòu)和擇優(yōu)取向、抗拉強度、彈性、流動行為、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(jié)結(jié)果。通過對最新技術(shù)的評估，揭示了文獻中的空白和對該領(lǐng)域進行更深入科學把握的障礙。此外，還強調(diào)了值得進一步研究的主題，這可能有助于LAM領(lǐng)域的發(fā)展。

2.AM系統(tǒng)

AM系統(tǒng)正在迅速部署，許多新系統(tǒng)被設計為以基于層的方式運行。這些系統(tǒng)可以根據(jù)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(shù)進行分類。ASTM F2792標準定義了AM技術(shù)的七個類別，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（見圖1）。根據(jù)工藝中的熱源，AM技術(shù)可進一步分為基于激光、電子束、電弧、等離子體和超聲波的系統(tǒng)。根據(jù)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工藝的另一個典型分類是基于進料模式，即（i）粉末床，（ii）粉末進料，以及（iii）送絲系統(tǒng)。這一重要的分類是本文中公認的安排，也在引入原料的方式上區(qū)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(jié)構(gòu)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)的分類樹。

2.1. 粉末床系統(tǒng)

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(jié)粉末的過程，在一系列源自特定CAD文件（根據(jù)3D對應物的幾何結(jié)構(gòu)或設計定義）的部分中逐層進行。首先，在構(gòu)建臺上沉積一層金屬粉末。通常，滾筒或刮水器葉片會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(jié)掉的粉末。下一層完成后，將構(gòu)建臺降低，或?qū)⒎勰┡_升高，以便將粉末沉積在前一層上。在組件制造完成之前，重復該過程。直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、選擇性激光熔化（SLM）、選擇性激光燒結(jié)（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(tǒng)示意圖

2.2. 送粉系統(tǒng)

基于直接能量沉積（DED）的送粉系統(tǒng)使用熱源將金屬粉末熔合到首選平臺上。細顆粒通過構(gòu)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(tǒng)相比，這些系統(tǒng)通常具有更大的構(gòu)建量，并且可以制造更大的零件。在某些技術(shù)中，噴嘴移動，工件固定；然而，也可以在零件移動時設置固定噴嘴，以創(chuàng)建所需形狀。與傳統(tǒng)制造部件相比，使用DED技術(shù)制造的3D金屬部件的晶粒結(jié)構(gòu)更細，這是因為在凝固過程中熔化后的誘導冷卻速率更高。