1、引言

航空航天制造業(yè)作為高新技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，一直代表著世界各國制造業(yè)的發(fā)展方向，是一個國家制造業(yè)實(shí)力和國防工業(yè)現(xiàn)代化水平的綜合體現(xiàn)；而航空航天高端裝備的服役性能在很大程度上取決于構(gòu)件的性能。航空航天高性能構(gòu)件多服役于極端嚴(yán)苛環(huán)境中，具有超強(qiáng)承載、極端耐熱、超輕量化和高可靠性等特性，對構(gòu)件的材料、結(jié)構(gòu)、工藝和性能等提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。近年來，增材制造技術(shù)（亦稱3D打印技術(shù)）正成為工程、制造、材料、光學(xué)等學(xué)科的研究熱點(diǎn)，基于增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件的材料－結(jié)構(gòu)一體化凈成形，為航空航天高性能構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造提供了新的工藝技術(shù)途徑。增材制造（3D打印）全球權(quán)威發(fā)展報告“ＷｏｈｌｅｒSＲｅｐｏｒｔ”指出，航空航天是增材制造技術(shù)研發(fā)與工業(yè)應(yīng)用最有望獲得突破的領(lǐng)域，增材制造已發(fā)展成為提升航空航天設(shè)計(jì)與制造能力的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，其應(yīng)用范圍已從零部件級（飛機(jī)、衛(wèi)星、高超飛行器、載人飛船的零部件打印）發(fā)展至整機(jī)級（發(fā)動機(jī)、無人機(jī)、微／納衛(wèi)星整機(jī)打印）。增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要得益于其在輕量化高性能材料及結(jié)構(gòu)一體化成形領(lǐng)域取得的顯著效益。

增材制造是國內(nèi)外科技強(qiáng)國競相發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，國家自然科學(xué)基金委員會（NSFC）、美國科學(xué)基金會（NSF）（2010）將增材制造認(rèn)定為20世紀(jì)制造技術(shù)的一項(xiàng)重大創(chuàng)新。“美國制造：國家增材制造創(chuàng)新研究院（ＮＡＭＩＩ）”（2013年）、《德國工業(yè)４.0戰(zhàn)略計(jì)劃實(shí)施建議》（2013年）將增材制造技術(shù)作為新一代革命性技術(shù)以及未來科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新增長點(diǎn)而加以培育和支持。中國政府在《中國制造2025》（2015年）、《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015—2016年）》（2015年）、《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的通知》（2016年）、《加強(qiáng)“從0到1”基礎(chǔ)研究工作方案》（2020年）等科技強(qiáng)國和制造強(qiáng)國戰(zhàn)略行動綱領(lǐng)中，前瞻性地布局了增材制造關(guān)鍵核心技術(shù)，打造及完善增材制造產(chǎn)業(yè)鏈，力求占領(lǐng)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略高地。

基于激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)難加工金屬、合金及金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的直接成形，是增材制造技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域最為熱門的方向之一；而基于激光與粉末的增材制造技術(shù)已形成兩類典型成形工藝，并表現(xiàn)出兩種不同的發(fā)展方向：一類是基于噴嘴自動送粉的激光熔化沉積（LMD）技術(shù)或激光立體成形（LSF）技術(shù)，它利用高能激光熔化同步供給的金屬粉末，采用特制的噴嘴在基板上逐層沉積成形構(gòu)件。LMD沉積層厚度為毫米尺度，制造速度快，適合制造大型構(gòu)件，這是該技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展的主要方向。此外，LMD成形件通常需要進(jìn)行后續(xù)精整加工，以達(dá)到結(jié)構(gòu)控形及尺寸精度的要求。另一類是基于粉床自動鋪粉的選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)或激光粉床熔融（ＬＰＢＦ）技術(shù)，它利用高能激光熔化處于松散狀態(tài)的粉末薄層（厚度通常為20～50μｍ），基于粉床逐層精細(xì)鋪粉、激光逐層熔凝堆積的方式，成形任意復(fù)雜形狀的高致密度構(gòu)件。SLM技術(shù)成形精度高，對特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如懸垂結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)、復(fù)雜曲面、空間點(diǎn)陣等）制造的適用程度高，其發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)中小型復(fù)雜構(gòu)件直接精密凈成形。不論是面向大型金屬構(gòu)件的LMD技術(shù)，還是面向中小型精密金屬構(gòu)件的SLM技術(shù)，均為高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件的低成本、短周期、凈成形制造提供了一體化解決方案，在航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用及發(fā)展前景。對比金屬激光增材制造技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展歷程及現(xiàn)狀可知，德國、美國等國在激光增材制造的原創(chuàng)性工藝技術(shù)、核心光學(xué)部件（如激光器、振鏡等）、高性能金屬粉末材料上有較深厚的研發(fā)積累，而我國的金屬激光增材制造技術(shù)發(fā)展水平近年來顯著提升，金屬增材制造裝備、材料、工藝、軟件等朝著國產(chǎn)化、產(chǎn)品化、專業(yè)化方向不斷推進(jìn)，特別是在航空航天重大需求的牽引下，高性能大尺寸金屬構(gòu)件激光增材制造的工藝研發(fā)及應(yīng)用水平已走在了國際前列。近年來，在國家航空航天重大需求和前沿科學(xué)探索的雙重驅(qū)動下，金屬構(gòu)件激光增材制造研究在材料、結(jié)構(gòu)、工藝、技術(shù)、性能／功能等多方面呈創(chuàng)新發(fā)展之勢。從航空航天領(lǐng)域日益增強(qiáng)的工程需求出發(fā)，面向極端嚴(yán)苛環(huán)境的航空航天構(gòu)件的服役性能要求不斷提升，故要求構(gòu)件的強(qiáng)度、韌性、剛度等力學(xué)性能指標(biāo)顯著提高，并要求構(gòu)件具有防熱、隔熱、減振、抗輻射等特殊功能。只有通過創(chuàng)新發(fā)展增材制造的新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝，才能有望獲取顛覆性的性能和功能，滿足國家航空航天領(lǐng)域重大工程的需求。基于前沿科學(xué)探索與發(fā)展角度，發(fā)表于Sciencs的《金屬的未來》（2011年）一文指出：現(xiàn)代工業(yè)要求結(jié)構(gòu)材料具有高的強(qiáng)度、斷裂韌性及剛度，同時盡可能減重，即要求材料的比強(qiáng)度更高；在提高材料比強(qiáng)度的同時，不損害其韌性和塑性等性能，對提高材料的工程應(yīng)用競爭力至關(guān)重要。同時，Sciencs論文預(yù)測指出，多材料（如具有可控增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合材料）是解決傳統(tǒng)金屬材料比強(qiáng)度和比剛度低、耐蝕性差等劣勢的重要途徑。與前沿科學(xué)探索相一致，隨著現(xiàn)代航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，以鋁、鈦合金為代表的輕質(zhì)高強(qiáng)合金、以Ｎｉ基高溫合金為代表的承載耐熱合金，是各國新材料研發(fā)計(jì)劃中重點(diǎn)發(fā)展的材料之一，也是激光增材制造中重要的應(yīng)用材料。現(xiàn)代航空航天構(gòu)件需同時滿足輕量化、高性能、高可靠性、低成本等一系列苛刻要求，且構(gòu)件的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、設(shè)計(jì)制造難度更大。通過創(chuàng)新和發(fā)展航空航天典型鋁、鈦、鎳基構(gòu)件激光增材制造控形與控性關(guān)鍵技術(shù)，既體現(xiàn)了選材上輕量化、高性能的發(fā)展方向，又凸顯了增材制造技術(shù)本身精密化、凈成形的發(fā)展趨勢，可實(shí)現(xiàn)材料－結(jié)構(gòu)－性能的一體化增材制造以及增材制造技術(shù)在航空航天上的重大工程應(yīng)用。

本文針對航空航天領(lǐng)域三類典型應(yīng)用材料（即鋁、鈦、鎳基合金及其金屬基復(fù)合材料）、四類典型結(jié)構(gòu)（大型金屬結(jié)構(gòu)、復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)、輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、多功能仿生結(jié)構(gòu)等），闡述了近年來國內(nèi)外在面向激光增材制造的新材料制備、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成形件控形與控性、高性能／多功能突破、航空航天領(lǐng)域典型應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展，提出了高性能金屬構(gòu)件激光增材制造的宏／微觀跨尺度形性協(xié)調(diào)機(jī)制，并就激光增材制造技術(shù)未來在材料、結(jié)構(gòu)、工藝、性能等方面潛在的研究方向作一點(diǎn)思考與展望。

2、面向激光增材制造的高性能金屬材料

2.1激光增材制造鋁合金及鋁基復(fù)合材料

對于激光增材制造而言，鋁基材料是典型的難加工材料，這是由其特殊的物理性質(zhì)（低密度、低激光吸收率、高熱導(dǎo)率及易氧化等）決定的。從增材制造成形工藝角度看，鋁合金的密度較小，粉體流動性相對較差，在SLM成形粉床上鋪放的均勻性較差或在LMD過程中粉末輸運(yùn)的連續(xù)性較差，故對激光增材制造裝備中鋪粉／送粉系統(tǒng)的精度及準(zhǔn)確性要求較高。未熔化前，鋁對CO2激光的初始吸收率僅為９％，而其熱導(dǎo)率高達(dá)23７Ｗ／（ｍ·Ｋ），為鐵的3倍、鈦的16倍，通常的低功率CO2激光難以使鋁粉體發(fā)生有效熔化。即便使用短波長、高功率光纖或Ｎｄ∶ＹＡＧ激光使鋁粉發(fā)生初始熔化，其高的熱導(dǎo)率又將使輸入熱量急速傳遞而消耗掉，導(dǎo)致熔池溫度降低、熔池內(nèi)液相的黏度增加；同時，高溫下鋁熔體與氧具有很強(qiáng)的親和力，而激光成形腔體內(nèi)即便通過抽真空或通保護(hù)氣體使氧含量降至10×10－6（體積分?jǐn)?shù)）以下，系統(tǒng)內(nèi)殘余的氧元素也會在熔體表面形成氧化膜，降低熔體的潤濕性和鋪展性，進(jìn)而將促進(jìn)金屬粉末SLM增材制造特有冶金缺陷-----“球化”效應(yīng)及成形件內(nèi)部孔隙、裂紋等的發(fā)生，從而顯著降低激光增材制造構(gòu)件的成形性能。

相對于鈦基、鎳基等金屬材料對SLM和LMD兩種工藝表現(xiàn)出的廣泛適用性，鋁基材料激光增材制造的研究工作及應(yīng)用驗(yàn)證較多集中在SLM工藝上。目前基于SLM成形的鋁合金及鋁基復(fù)合材料如表1所示。其中，AlSｉ10Ｍｇ和AlSｉ12等Al－Sｉ合金具有良好的鑄造性能和焊接性能，故對SLM這類經(jīng)歷粉末熔化／凝固冶金熱物理過程的增材制造工藝表現(xiàn)出了良好的成形性能。激光增材制造Al－Sｉ系合金的顯微組織演變規(guī)律和調(diào)控機(jī)制較為一致：在激光非平衡快速凝固條件下，SLM成形AlSｉ12呈現(xiàn)為微細(xì)的富鋁胞狀組織，殘余硅顆粒在晶界析出；經(jīng)熱處理后，顯微組織將發(fā)生一定程度的粗化，硅組元從晶胞中繼續(xù)析出并形成硅顆粒。SLM成形AlSｉ10Ｍｇ表現(xiàn)出與AlSｉ12相似的顯微組織特征及演變規(guī)律。需要指出的是，析出硬化AlSｉ10Ｍｇ合金在SLM激光快速凝固過程中并沒有析出Ｍｇ2Sｉ沉淀相，但細(xì)化的亞微米胞狀組織仍為激光成形件提供了較高的強(qiáng)度。激光增材制造工藝參數(shù)（如激光光斑尺寸、激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度等）及掃描策略、成形方向、成形件布局方式等均可顯著影響構(gòu)件的成形質(zhì)量、顯微組織及最終的力學(xué)性能。為綜合評估SLM諸多工藝參數(shù)的耦合作用，可通過“激光線能量密度”（λ＝Ｐ／ｖ）綜合“激光功率Ｐ”和“掃描速率ｖ”的影響，且可通過“激光體能量密度”（ε＝Ｐ／（ｖｈｄ））進(jìn)一步耦合“掃描間距ｈ”和“鋪粉厚度ｄ”的影響，分別用以調(diào)控“線成形質(zhì)量”和“體成形質(zhì)量”，為金屬構(gòu)件SLM激光增材制造的精確化、穩(wěn)定化控制提供關(guān)鍵工藝參數(shù)指標(biāo)，并為激光成形件內(nèi)部顯微組織、冶金缺陷、殘余應(yīng)力及成形性能的“由線及體”的立體控制提供關(guān)鍵方法及科學(xué)機(jī)理。ＡｔｔAlｌａｈ小組研究了SLM工藝參數(shù)對AlSｉ10Ｍｇ致密化行為的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)采用較高的激光功率、較低的激光掃描速度和較小的掃描間距可有效減少或消除成形件內(nèi)部的孔隙，且AlSｉ10Ｍｇ合金獲得良好SLM成形性能所需的體能量密度閾值在60～７5Ｊ／ｍｍ3之間。ＴｈｉｊS等［2４］學(xué)者在SLM激光掃描策略優(yōu)化的研究中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)采用島狀掃描策略進(jìn)行SLM成形時，Al－Sｉ合金的晶體織構(gòu)明顯減弱，沿著成形方向形成較弱的〈100〉立方織構(gòu)，成形件各方向的拉伸強(qiáng)度主要受織構(gòu)的影響，表現(xiàn)為各向同性；然而成形件的韌性卻表現(xiàn)為各向異性，這是由于微觀組織的各向異性使得裂紋通常沿著熔池邊界形成，故平行于掃描方向的延伸率更高。減小掃描路徑長度，可降低相鄰熔道間的熱量損耗，熱量積累更均勻，溫度梯度減小，可降低激光成形件的殘余應(yīng)力。Ｗａｎｇ等研究了掃描策略對SLM成形AlSｉ10Ｍｇ力學(xué)性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)島狀掃描成形試樣的抗拉強(qiáng)度和延伸率高于相同工藝參數(shù)下線性掃描成形試樣。

表1激光增材制造鋁合金及其復(fù)合材料的力學(xué)性能

如表1所示，Al－Sｉ系合金因其鑄造鋁合金的材料本質(zhì)，雖然采用經(jīng)過優(yōu)化的激光增材制造工藝進(jìn)行制備，但抗拉強(qiáng)度很難突破４00Mpa，從而限制了其在航空航天等領(lǐng)域服役性能要求更高的承力構(gòu)件上的使用。為進(jìn)一步獲得更高的力學(xué)性能，近年來Al－Ｃｕ、Al－Ｍｇ和Al－Ｚｎ等鋁合金體系也被用作SLM成形材料，但這類鋁合金中較高的合金元素含量和較寬的冷卻凝固溫度范圍，使得沉淀強(qiáng)化合金在激光增材制造過程中易形成裂紋甚至發(fā)生開裂；且相對于鋁元素，鎂和鋰等合金元素更易在高能激光的高溫作用下發(fā)生氣化蒸發(fā)，從而影響成形件的成分穩(wěn)定性及力學(xué)性能。Ｚｈｕ研究小組發(fā)現(xiàn)：激光體能量密度對Al－Ｃｕ－Ｍｇ（202４鋁合金）SLM致密化行為具有顯著影響，當(dāng)激光體能量密度高于3４0Ｊ／ｍｍ3這一閾值時，可獲得無缺陷、無裂紋的高致密度（相對密度為９９.８％）成形件。激光成形顯微組織由微細(xì)過飽和的胞狀晶－樹枝晶復(fù)合結(jié)構(gòu)組成，在細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制和固溶強(qiáng)化機(jī)制的協(xié)同作用下，成形件的抗拉強(qiáng)度可達(dá)４02Mpa，屈服強(qiáng)度可達(dá)2７6Mpa。202４鋁合金等高強(qiáng)鋁合金較難通過激光增材制造工藝獲得預(yù)期的高性能，這主要是由于該材料的成分和物性參數(shù)并非是專門為激光增材制造設(shè)計(jì)的。因此，對于激光增材制造高強(qiáng)鋁合金而言，成分、物性參數(shù)、相變的設(shè)計(jì)及調(diào)控尤為重要。近年來，人們設(shè)計(jì)了專用面向激光增材制造的稀土元素鈧改性增強(qiáng)的Al－Ｍｇ－Sｃ－Ｚｒ合金粉末，其激光成形件的力學(xué)性能有望獲得突破性提升。SLM成形Al－Ｍｇ－Sｃ－Ｚｒ合金直接沉積態(tài)試件的組織呈典型的雙峰晶粒分布：在熔池邊界處，以初生Al3（Sｃ，Ｚｒ）相和細(xì)小的Al－Ｍｇ氧化物作為形核點(diǎn)，形成等軸晶區(qū)；在熔池中部形成沿溫度梯度生長的柱狀晶區(qū)。激光增材制造Al－Ｍｇ－Sｃ－Ｚｒ合金力學(xué)性能的躍升需輔以適當(dāng)?shù)暮罄m(xù)熱處理工藝。經(jīng)325℃／４ｈ時效處理后，SLM成形Al－Ｍｇ－Sｃ－Ｚｒ合金中的晶粒無明顯粗化現(xiàn)象，其基體內(nèi)可原位析出尺寸為5～10ｎｍ的二次Al3（Sｃ，Ｚｒ）相，該析出相與基體保持共格界面，可有效釘扎位錯，具有顯著的納米彌散強(qiáng)化效應(yīng)，可顯著提升成形件的綜合力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度高于500Mpa，延伸率超過10％）。制備鋁基復(fù)合材料是鋁合金強(qiáng)韌化的重要途徑。鋁基復(fù)合材料兼具輕合金與陶瓷、纖維等增強(qiáng)體的優(yōu)良特性，具有高的比強(qiáng)度、比模量及體積穩(wěn)定性，并具有耐高溫、抗磨損及抗氧化等優(yōu)異的性能以及材料可設(shè)計(jì)性。激光增材制造鋁基復(fù)合材料在選材上突出“多相材料可設(shè)計(jì)性”，在增材制造工藝上強(qiáng)調(diào)“高可控性”，在使用成效上則凸顯“高性能／多功能”，這也代表了增材制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。納米陶瓷增強(qiáng)和原位陶瓷增強(qiáng)可有效改善陶瓷／金屬界面的潤濕性及結(jié)合性，抑制界面上的微觀孔隙及裂紋，提升激光成形件的力學(xué)性能。筆者研究團(tuán)隊(duì)基于SLM過程中高能激光對納米陶瓷微粒完全熔化及潤濕的成形機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了四類陶瓷（包括TiＣ、SｉＣ碳化物，TiＢ2硼化物，AlＮ氮化物，Al2Ｏ3氧化物）、兩類增強(qiáng)方式（包括納米彌散增強(qiáng)和原位析出增強(qiáng)）的鋁基復(fù)合材料的激光增材制造，發(fā)現(xiàn)了高能激光輻照特有的加熱方式（具有逐點(diǎn)逐行區(qū)域化掃描特征）、能量特點(diǎn)（瞬態(tài)升溫可達(dá)5000°Ｃ以上）及冶金機(jī)制（激光快速凝固速率高達(dá)106Ｋ／S）可使鋁基復(fù)合材料的納米／原位陶瓷增強(qiáng)相具有環(huán)狀、條帶狀、層片狀等新穎的微觀結(jié)構(gòu)（如圖1（ａ）、（ｂ）所示），這些新穎的微觀結(jié)構(gòu)顯著區(qū)別于傳統(tǒng)鑄造或粉末冶金鋁基復(fù)合材料的顆粒狀增強(qiáng)結(jié)構(gòu)；揭示了激光增材制造過程中高度非平衡熔池內(nèi)的Ｍａｒａｎｇｏｎｉ流、溫度場、速度場、溶質(zhì)場等冶金熱力學(xué)和動力學(xué)行為對納米／原位陶瓷增強(qiáng)相形成、晶體生長和空間分布起決定性作用；發(fā)現(xiàn)了激光作用下形成的具有獨(dú)特顯微組織及分布的納米／原位陶瓷增強(qiáng)相與鋁基體間具有共格界面且兩相原子匹配性強(qiáng)，在納米／原位陶瓷增強(qiáng)相的作用下，鋁基體可發(fā)生顯著的等軸晶化及晶粒細(xì)化（如圖1（ｃ）所示），基于增強(qiáng)相與基體相的顯微組織調(diào)控可使激光增材制造鋁基復(fù)合材料構(gòu)件的強(qiáng)度和斷裂韌性獲得協(xié)同提升。

圖1激光增材制造鋁基納米／原位復(fù)合材料的顯微組織調(diào)控。（ａ）環(huán)狀TiＣ納米增強(qiáng)相；（ｂ）條帶狀A(yù)l４SｉＣ４原位增強(qiáng)相；（ｃ）TiＢ2增強(qiáng)作用下鋁基體細(xì)化的等軸晶組織

對于不可焊6系和７系鋁合金等激光增材制造裂紋敏感性特別強(qiáng)的材料，納米顆粒改性和增強(qiáng)的策略是顯微組織改善的良策，可改善激光增材制造試件的成形性能和力學(xué)性能。對于6系和７系鋁合金來說，在SLM激光快速凝固過程中，溶質(zhì)易在凝固界面附近的熔體中偏析，引起顯著的成分過冷，凝固組織易呈樹枝狀晶長大，并在凝固組織間形成較長的液相通道；當(dāng)凝固溫度進(jìn)一步降低時，液相凝固收縮產(chǎn)生孔隙、裂紋甚至熱撕裂。ＭａｒTiｎ等學(xué)者在Ｎａｔｕｒｅ上發(fā)文指出，他們通過納米顆粒改性增強(qiáng)的策略解決了上述問題；他們根據(jù)結(jié)晶學(xué)信息選擇納米鋯粒子作為成核劑，然后通過靜電附著將其組裝到７0７5和6061系鋁合金粉末顆粒表面，最后采用SLM技術(shù)成形。他們發(fā)現(xiàn)，在激光熔池中鋯顆粒與鋁基體發(fā)生反應(yīng)生成的Al3Ｚｒ，提供了大量低能量勢壘非均質(zhì)形核位點(diǎn)，促進(jìn)了微細(xì)等軸晶的形成，從而降低了凝固收縮應(yīng)力的影響，獲得了具有均勻等軸晶組織、無裂紋且強(qiáng)度高的鋁基構(gòu)件，如圖2所示。此外，航空航天等極端嚴(yán)苛的服役環(huán)境對鋁合金構(gòu)件的強(qiáng)度、韌性、模量、剛度等性能指標(biāo)提出了嚴(yán)格要求，因此，高體積分?jǐn)?shù)的陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備具有重要的工程應(yīng)用價值。ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａTiｏｎS報道了Ｌｉｎ等學(xué)者在制備納米TiＣ增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料方面的工作，他們首先制備了具有高體積分?jǐn)?shù)（最高可達(dá)35％）的納米TiＣ增強(qiáng)鋁基納米復(fù)合粉末，然后利用SLM工藝實(shí)現(xiàn)了塊體鋁基復(fù)合材料的制備，成形件的屈服強(qiáng)度高達(dá)1000Mpa，塑性超過10％，楊氏模量約為200ＧＰａ，這是目前結(jié)構(gòu)金屬材料中比楊氏模量、比屈服強(qiáng)度最高的材料；這些性能的提升主要?dú)w因于高密度分散的納米增強(qiáng)顆粒、納米顆粒與鋁基體間的強(qiáng)界面結(jié)合以及激光作用下形成的超細(xì)晶粒。

圖27075鋁合金的SLM增材制造：基于納米顆粒改性實(shí)現(xiàn)柱狀樹枝晶向微細(xì)等軸晶轉(zhuǎn)變及裂紋抑制

2.2激光增材制造鈦合金及鈦基復(fù)合材料

鈦基材料因具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、耐蝕性和生物相容性而被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、食品化工等領(lǐng)域，是激光增材制造經(jīng)常采用的金屬材料。目前激光增材制造鈦基合金的挑戰(zhàn)在于：1）激光增材制造成形完全致密的復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦基構(gòu)件尚存在難度，成形過程中構(gòu)件易產(chǎn)生氣孔、裂紋及表面球化等加工缺陷，這些加工缺陷往往會成為絕熱剪切帶和裂紋萌生源，降低成形件的力學(xué)性能和服役性能。2）激光增材制造過程中極大的冷卻速度（103～10８Ｋ／S）和溫度梯度將誘發(fā)馬氏體相變，使構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力；隨著加工層數(shù)增加，殘余應(yīng)力逐漸增大，從而導(dǎo)致熱裂紋形成，并且成形件易發(fā)生翹曲，這種加工缺陷積累至一定程度時會導(dǎo)致成形件發(fā)生開裂，并嚴(yán)重降低零件的塑性和韌性。3）在激光加工過程中，熱流主要沿著平行于增材制造的方向傳導(dǎo)，導(dǎo)致體心立方（ＢＣＣ）結(jié)構(gòu)的初生β－Ti相沿散熱方向〈001〉β?lián)駜?yōu)生長，并具有很強(qiáng)的外延生長傾向，易形成粗大的柱狀晶組織，從而導(dǎo)致構(gòu)件的顯微組織和力學(xué)性能具有很強(qiáng)的各向異性。

鈦基材料對SLM和LMD兩類激光增材制造工藝均表現(xiàn)出了較強(qiáng)的適用性。目前用于激光增材制造的鈦合金主要集中在工業(yè)純鈦（ＣＰ－Ti）及TC4等傳統(tǒng)鈦基材料上。激光增材制造構(gòu)件的顯微組織調(diào)控是其力學(xué)性能提升的基礎(chǔ)，且與激光工藝參數(shù)密切相關(guān)。基于SLM工藝成形ＣＰ－Ti時，若采用較低的激光線能量密度，熔池熔體在凝固過程中會發(fā)生β－Ti向α－Ti的轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致組織呈較為粗大的板條狀結(jié)構(gòu)；隨著激光線能量密度增加，熔池凝固過程中較大的過冷度導(dǎo)致β－Ti向馬氏體α′－Ti發(fā)生轉(zhuǎn)變，此時成形組織呈顯著細(xì)化的針狀結(jié)構(gòu)。SLM成形TC4構(gòu)件的顯微組織通常為細(xì)小的針狀馬氏體。在增材制造方向上，初生β－Ti晶粒以柱狀晶外延生長，柱狀晶的長度可達(dá)100μｍ，遠(yuǎn)大于SLM每層的鋪粉厚度（通常設(shè)為30μｍ）；柱狀晶的寬度與熔道寬度相當(dāng)，隨著激光能量密度的增加，熔道寬度增大，導(dǎo)致柱狀初生β－Ti晶粒粗化。Ｘｕ等學(xué)者發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化增材制造工藝參數(shù)，可將SLM過程中形成的脆性馬氏體相α′－Ti轉(zhuǎn)化成具有更高韌性的（α＋β）－Ti組織，從而可以省去后續(xù)的熱處理。當(dāng)增材制造層厚設(shè)為30μｍ時，熔池內(nèi)部較大的溫度梯度及冷卻速度，使得凝固組織為馬氏體α′－Ti；隨著層厚增加至60μｍ或９0μｍ，通過調(diào)控激光焦距可使α′－Ti發(fā)生分解，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)化的層狀（α＋β）－Ti組織，有效提升SLM成形TC4構(gòu)件的綜合力學(xué)性能。LMD成形的TC4構(gòu)件通常表現(xiàn)出與SLM工藝成形構(gòu)件相似的顯微組織特征，凝固組織為柱狀初生β－Ti晶粒。在凝固過程中，初生β－Ti晶粒沿增材制造方向穿過若干加工層發(fā)生外延生長，柱狀晶的長度通常為1.5～10ｍｍ，同時在初生β－Ti柱狀晶邊界上可觀察到α－Ti的晶界。通常情況下，LMD成形的TC4凝固組織不均勻：在靠近基板位置處，熔池的冷卻速度較大，會生成較細(xì)小的層片狀α－Ti組織及板條狀α′－Ti馬氏體組織；在構(gòu)件頂部位置，冷卻速度較小，凝固組織為α＋β層狀雙相組織；構(gòu)件中部位置因受到持續(xù)的熱影響作用，鋁元素及釩元素易向α－Ti及β－Ti內(nèi)部偏析，導(dǎo)致成形組織不均勻，且晶粒較粗大，易產(chǎn)生加工缺陷。可見，激光增材制造雖涉及一系列復(fù)雜的工藝參數(shù)，但也為構(gòu)件顯微組織與力學(xué)性能的設(shè)計(jì)和調(diào)控提供了可能。表2所示為不同激光增材制造工藝及后處理工藝條件下鈦合金的力學(xué)性能。可見，激光增材制造鈦合金構(gòu)件的力學(xué)性能與顯微組織具有直接關(guān)系，而組織演變又受控于工藝，故高性能構(gòu)件激光增材制造需要建立材料－組織－工藝－性能的一體化調(diào)控理論及方法。

表2激光增材制造鈦及鈦合金的力學(xué)性能

由于激光增材制造過程中熔池的冷卻速度較快，且沿著增材制造方向具有較大的溫度梯度，故而鈦合金的凝固組織往往呈柱狀晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了成形件力學(xué)性能的各向異性。為改善鈦合金激光增材制造過程中產(chǎn)生的各向異性，可從材料設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化兩方面加以改進(jìn)。Ｎａｔｕｒｅ報道了Ｚｈａｎｇ等學(xué)者研發(fā)的可用于激光增材制造的新型Ti－Ｃｕ合金，這類合金可在激光快速凝固過程中獲得細(xì)小等軸的初生β－Ti晶粒，如圖3（ｂ）所示，且成形件內(nèi)部沒有明顯的孔隙及裂紋，在增材制造方向上具有很高的化學(xué)成分均勻性。相比如圖3（ａ）所示的激光增材制造TC4的凝固組織，Ti－８.5Ｃｕ合金中的初生β－Ti晶粒得到了顯著細(xì)化，平均晶粒尺寸降至９.6μｍ。晶粒細(xì)化的主要原因是銅原子固溶在β－Ti基體中，顯著擴(kuò)大了凝固過程中固液前沿的成分過冷區(qū)，且隨著銅在鈦中的含量增加，晶粒細(xì)化效應(yīng)更加顯著。當(dāng)銅的加入量為3.5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，未經(jīng)熱處理的成形樣具有較高的抗拉強(qiáng)度和延伸率，抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為（８6７±８）Mpa和（1４.９±1.９）％。ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａTiｏｎS刊發(fā)了Ｂａｒｒｉｏｂｅｒｏ－Ｖｉｌａ等學(xué)者研發(fā)新型Ti－Ｌａ合金的論文，該文闡明了α相穩(wěn)定元素鑭對鈦合金相變過程及晶粒生長的作用機(jī)制。在鈦中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的鑭可使鈦合金在凝固過程中發(fā)生包晶、包析及共析反應(yīng)（Ｌ1＋β→Ｌａ－ｂｃｃ，Ｌａ－ｂｃｃ＋β→α，Ｌａ－ｂｃｃ→Ｌａ－ｆｃｃ＋α），同時在固／液前沿產(chǎn)生了較大的成分過冷，促進(jìn)了細(xì)小等軸晶的形成。通過包晶反應(yīng)形成的α－Ti與原始β－Ti不具有嚴(yán)格的取向關(guān)系，可使Ti－Ｌａ合金構(gòu)件的各向異性顯著降低。從激光增材制造金屬構(gòu)件的顯微組織調(diào)控規(guī)律來看，晶粒的等軸化和均勻化有利于提升成形件的力學(xué)性能，而這也可通過在激光增材制造工藝中施加復(fù)合能場來實(shí)現(xiàn)。Ｑｉａｎ研究小組通過在TC4構(gòu)件LMD過程中復(fù)合20ｋＨｚ的高頻超聲振動，使顯微組織從柱狀晶完全轉(zhuǎn)變?yōu)榱郊s為100μｍ的細(xì)小等軸晶，如圖４所示。在復(fù)合能場輔助下成形的TC4構(gòu)件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均比直接采用LMD成形的構(gòu)件提高了約12％，且這種基于復(fù)合能場改善顯微組織和力學(xué)性能的方法，對于Ｉｎｃｏｎｅｌ625等鎳基高溫合金材料也同樣適用。

圖3激光增材制造TC4合金與Ti－８.5Ｃｕ合金顯微組織的對比。（ａ）TC4合金呈粗大的柱狀晶組織；（ｂ）Ti－８.5Ｃｕ合金呈細(xì)小的完全等軸晶組織

除了上述基于合金化的思路來研發(fā)激光增材制造新型鈦合金外，制備陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料也是提升鈦基構(gòu)件力學(xué)性能的重要手段。鈦具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，激光增材制造過程中鈦組元易與其他組元發(fā)生原位化學(xué)反應(yīng)，顯著增大了激光成形材料物相和組織的調(diào)控難度，故對于鈦基復(fù)合材料陶瓷增強(qiáng)相的選擇上需慎重。在眾多的陶瓷材料中，TiＣ及TiＢ2被認(rèn)為是最適合用于鈦基復(fù)合材料的陶瓷增強(qiáng)相。它們具有與鈦合金相近的密度及熱膨脹系數(shù)，且具有較高的物理化學(xué)穩(wěn)定性，可與鈦合金形成良好的物理化學(xué)兼容性。Ｌｉｕ等學(xué)者研究了LMD成形TiＣ－Ti6Al４Ｖ復(fù)合材料凝固組織與工藝參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光功率為230Ｗ以及TiＣ陶瓷添加量為10％（體積分?jǐn)?shù)）時，凝固組織中會出現(xiàn)初生球狀TiＣ、共晶TiＣ及共晶球狀TiＣ；隨著激光功率增大，凝固組織中開始出現(xiàn)細(xì)小的初生枝晶TiＣ；隨著激光功率進(jìn)一步增至300Ｗ，這些初生枝晶長大，且數(shù)量增多。這種顯微組織演變的主要原因是TiＣ增強(qiáng)相在不同激光功率下的熔化程度不同。隨著激光功率增大，TiＣ增強(qiáng)相的熔化程度增大，更多的碳原子溶解在熔池中；當(dāng)熔池中的碳原子含量增至一定程度時，初生枝晶TiＣ開始形成并附著在初生球狀TiＣ上。初生TiＣ的產(chǎn)生需要消耗一定的碳原子，導(dǎo)致凝固組織中共晶碳化物的含量降低。不同形態(tài)的TiＣ與鈦基體的結(jié)合能力不同，從而導(dǎo)致了不同的力學(xué)性能。當(dāng)加入15％（體積分?jǐn)?shù)）的TiＣ時，LMD成形TiＣ－Ti復(fù)合材料的抗壓

圖４超聲復(fù)合激光增材制造TC4合金的顯微組織調(diào)控。（ａ）激光熔化沉積復(fù)合高頻超聲振動工藝示意圖；（ｂ）常規(guī)激光熔化沉積TC4合金的粗大柱狀晶組織；（ｃ）超聲復(fù)合激光增材制造TC4合金的細(xì)小等軸晶組織

強(qiáng)度可達(dá)1450Mpa，斷裂應(yīng)變超過13％。筆者研究團(tuán)隊(duì)基于粉體完全熔化機(jī)制采用SLM工藝成形了納米TiＣ增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，研究后發(fā)現(xiàn)：TiＣ納米顆粒經(jīng)激光熔化及凝固析出后，形成了均勻分布的納米層片狀增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并可在較寬的激光線能量密度（0.25～1.0ｋＪ／ｍ）下保持這種新穎的納米增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，從而使激光增材制造構(gòu)件具有優(yōu)異的摩擦磨損性能（摩擦因數(shù)低至0.22，磨損率低至2.８×10－16ｍ3·Ｎ－1·ｍ－1）；隨著激光能量密度進(jìn)一步提高，層片狀納米TiＣ晶粒長大，甚至發(fā)生枝晶生長而失去納米結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致激光成形件的摩擦磨損性能顯著降低。Ａｔｔａｒ等學(xué)者研究了TiＢ2增強(qiáng)相對SLM成形鈦基復(fù)合材料顯微組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)：TiＢ2在SLM成形過程中完全溶解于熔池中，并在后續(xù)凝固過程中以納米級TiＢ的形式析出，形成新穎的Ti－TiＢ納米復(fù)合材料；同時，部分硼原子固溶在層片狀α－Ti中，起到了細(xì)化晶粒的作用；當(dāng)加入體積分?jǐn)?shù)為８.35％的TiＢ時，SLM成形TiＢ2－Ti復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度可達(dá)1636Mpa，斷裂應(yīng)變超過1７％。可見，激光增材制造特有的高能量輸入、瞬間高溫及超快熔化凝固過程，為鈦基復(fù)合材料增強(qiáng)體、基體的物相與組織調(diào)控提供了熱力學(xué)和動力學(xué)條件，并可使激光增材制造構(gòu)件具有顯著區(qū)別于鑄造和粉末冶金等工藝制備的構(gòu)件的顯微組織及力學(xué)性能。

2.3激光增材制造鎳基高溫合金及其復(fù)合材料

鎳基高溫合金自身含有較多的合金元素，其在激光增材制造過程中普遍存在裂紋敏感性強(qiáng)、元素偏析嚴(yán)重、顯微組織各向異性顯著、力學(xué)性能可控性差等問題。一方面，鎳基合金中親氧能力較強(qiáng)的鉻、鋁元素易在高溫作用下與成形氣氛中的氧元素發(fā)生作用，形成微細(xì)氧化物夾渣，然其與基體界面間的潤濕性較差，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生并降低力學(xué)性能；另一方面，碳、鈮、鉬等元素易在晶界聚集，顯著增加低熔點(diǎn)共晶相的含量，加劇了熱影響區(qū)熱裂紋的形成。此外，各類晶界析出物會消耗鎳基體中的強(qiáng)化相形成元素，顯著降低激光增材制造鎳基構(gòu)件的力學(xué)性能。當(dāng)前，鎳基高溫合金激光增材制造主要集中在Ｉｎｃｏｎｅｌ系列合金上，其中沉淀強(qiáng)化型Ｉｎｃｏｎｅｌ７1８和固溶強(qiáng)化型Ｉｎｃｏｎｅｌ625的可焊接性強(qiáng)，亦適用于基于粉末熔化／凝固冶金過程的激光增材制造工藝。激光增材制造Ｉｎｃｏｎｅｌ系列合金的組織在成形方向上為明顯的柱狀晶，具有較強(qiáng)的成形方向〈001〉織構(gòu)，而在水平方向則呈胞狀組織；而且，合金易在晶界析出碳化物、ＬａｖｅS等脆性相。因此，激光增材制造鎳基高溫合金的顯微組織調(diào)控主要是通過優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)而改變?nèi)鄢氐臏囟忍荻取⒛趟俣群屠鋮s速率來實(shí)現(xiàn)的，然后結(jié)合后續(xù)的熱處理工藝來實(shí)現(xiàn)晶粒形狀、尺寸以及析出相形態(tài)、含量及分布的調(diào)控。此外，采用優(yōu)化的激光掃描策略也可改變晶粒的生長織構(gòu)，獲得高強(qiáng)韌鎳基合金材料。激光增材制造鎳基高溫合金工藝優(yōu)化機(jī)制的相關(guān)研究表明：高的掃描速度和低的激光功率會導(dǎo)致較低的激光能量輸入，故熔池熔體的黏度及潤濕性較差，未熔顆粒及不規(guī)則孔隙較多，成形件表面球化缺陷也較嚴(yán)重；隨著掃描速度減小及激光功率增大，熔體的流動性及潤濕性提高，熔體鋪展均勻，成形質(zhì)量提升；過高的激光能量密度會增大熔體的不穩(wěn)定性，易產(chǎn)生氣孔及裂紋等缺陷，影響構(gòu)件的力學(xué)性能。Ｗａｎ等學(xué)者研究了激光掃描策略對Ｉｎｃｏｎｅｌ７1８晶粒形態(tài)及織構(gòu)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)掃描策略可以改變熱流及晶粒的生長方向：進(jìn)行單一線性掃描時，層與層間的熱流方向相似，易形成定向柱狀組織；而在層間旋轉(zhuǎn)９0°掃描時，熱流方向不斷旋轉(zhuǎn)，晶粒生長競爭機(jī)制顯著加強(qiáng)，可以獲得較強(qiáng)的立方織構(gòu)。熱處理可在一定程度溶解拓?fù)涿芘畔啵é南唷ⅵ蚁嗟龋┘疤蓟锏任龀鱿啵岣擀谩浼唉谩鍙?qiáng)化相的含量，提升材料的力學(xué)性能。Ｚｈａｎｇ等學(xué)者發(fā)現(xiàn)SLM成形Ｉｎｃｏｎｅｌ625經(jīng)均勻化熱處理可有效減少元素偏析，消除δ相，使組織更均勻。Sｕｉ等學(xué)者針對LMD成形Ｉｎｃｏｎｅｌ７1８的熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)：在1050℃保溫15ｍｉｎ可以使ＬａｖｅS相由不規(guī)則的長條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的顆粒狀，且隨著保溫時間延長，ＬａｖｅS含量增多；長條狀ＬａｖｅS相易成為裂紋源，同時會使強(qiáng)化相γ″分布不均勻，而細(xì)小的顆粒可隨基體一起變形，并起到強(qiáng)化作用，使試件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到13４1Mpa，延伸率達(dá)到1９.1％。此外，基于高溫高壓處理的熱等靜壓（ＨＩＰ）技術(shù)可以消除激光增材制造鎳基高溫合金構(gòu)件中的殘余孔隙，抑制裂紋萌生及擴(kuò)展，進(jìn)而提高成形件的力學(xué)性能。由表3可知：熱處理可實(shí)現(xiàn)激光增材制造鎳基高溫合金的強(qiáng)化，但會在一定程度上犧牲材料的韌性；同時，后處理需要合理調(diào)控加熱溫度、保溫時間、冷卻介質(zhì)及熱等靜壓的壓力等參數(shù)，成本較高，工藝較復(fù)雜，缺陷形成概率也較大。

表3激光增材制造鎳基高溫合金及其復(fù)合材料的力學(xué)性能

制備陶瓷增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料是鎳基高溫合金力學(xué)性能提升的另一個重要途徑，可使復(fù)合材料在韌性不降低的前提下具有更高的比強(qiáng)度、比剛度及耐熱性。Ｍａ等學(xué)者制備了Ｎｉ／Al2Ｏ3納米復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)添加納米顆粒后可顯著減小復(fù)合體系的熱影響區(qū)而增大熔化區(qū)，如圖5所示，揭示了激光作用下鎳基納米復(fù)合材料特殊的熔化、凝固特性。此反常現(xiàn)象主要是由于納米顆粒會減小體系的熱導(dǎo)率，進(jìn)而降低對基板的傳熱；同時，納米顆粒可增大熔體的黏度、抑制熱毛細(xì)流動，進(jìn)而減少熔池的熱對流。筆者研究團(tuán)隊(duì)針對ＷＣ、TiＣ等微米陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基（Ｉｎｃｏｎｅｌ７1８、Ｉｎｃｏｎｅｌ625等）復(fù)合材料體系，基于SLM和LMD兩類激光增材制造工藝，通過激光工藝參數(shù)和復(fù)合材料組分調(diào)控，在陶瓷增強(qiáng)顆粒與γ基體間構(gòu)建了（Ti，Ｍ）Ｃ（Ｍ為Ｎｂ、Ｍｏ）梯度界面層，有效控制并消除了界面殘余應(yīng)力、界面微孔及微裂紋等成形缺陷，如圖6（ａ）所示，并揭示了激光作用下梯度界面的形成機(jī)制、顯微結(jié)構(gòu)特征、界面結(jié)合性能；此外，筆者研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)梯度界面可以有效改善陶瓷／基體界面的潤濕行為，平衡兩者的硬度差異，并可起到傳遞載荷、調(diào)節(jié)增強(qiáng)顆粒與基體變形行為的作用。筆者研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于增強(qiáng)相／基體間梯度界面設(shè)計(jì)與調(diào)控實(shí)現(xiàn)顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料構(gòu)件強(qiáng)度和韌性協(xié)同提升的調(diào)控原理，解決了激光增材制造復(fù)合材料構(gòu)件通常面臨的強(qiáng)度升高、韌性降低這一對“強(qiáng)”與“韌”的矛盾。

圖5激光熔化鎳基復(fù)合材料納米粒子的冶金改性機(jī)制

這種在陶瓷增強(qiáng)顆粒與金屬基體之間構(gòu)建梯度界面層的工藝調(diào)控思路，在ＷＣ、TiＣ增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料激光增材制造工藝調(diào)控中也具有普適性和可行性；同時在以傳統(tǒng)微米陶瓷顆粒為增強(qiáng)相的條件下，為抑制復(fù)合材料界面缺陷、提升界面結(jié)合性能及構(gòu)件成形性能提供了有益的思路。Ｈｏ等學(xué)者也發(fā)現(xiàn)在激光增材制造ＷＣ－Ｗ2Ｃ／Ｉｎｃｏｎｅｌ７1８復(fù)合材料中晶粒易在ＷＣ－Ｗ2Ｃ表面形核，并在界面形成擴(kuò)散層，該顯微組織演變源于增強(qiáng)相與基體之間較小的潤濕角及半共格界面。另一方面，筆者團(tuán)隊(duì)研究后發(fā)現(xiàn)，納米TiＣ陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料的激光增材制造，可減小柱狀晶及裂紋形成的概率，基體組織為胞狀晶且增強(qiáng)相分布均勻，如圖6（ｂ）所示。這是由于納米增強(qiáng)顆粒易成為基體熔體的非均勻形核點(diǎn)，從而提高基體的形核率，促進(jìn)胞狀晶形成并細(xì)化組織。基于納米陶瓷復(fù)合及納米改性的思路，通過激光增材制造非平衡快速熔化凝固過程中冶金熱力學(xué)和動力學(xué)行為的理解與調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)對納米顆粒空間分布、晶體生長組織和形態(tài)的調(diào)控與布局，以此亦可實(shí)現(xiàn)激光增材制造鎳基復(fù)合材料構(gòu)件強(qiáng)度和韌性的協(xié)同提升。此外需要指出的是，當(dāng)前激光增材制造復(fù)合材料構(gòu)件的多功能化也是增材制造技術(shù)的一個重要研究方向，筆者通過調(diào)控激光工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了鎳基納米復(fù)合材料表面粗糙度的調(diào)控，獲得了超疏水表面，并使鎳基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐蝕性，如圖6（ｃ）所示。

圖6激光增材制造鎳基梯度界面復(fù)合材料和納米復(fù)合材料的組織與性能調(diào)控。（ａ）微米ＷＣ增強(qiáng)復(fù)合材料的梯度界面；（ｂ）納米TiＣ增強(qiáng)復(fù)合材料的胞狀組織；（ｃ）鎳基納米復(fù)合材料的超疏水表面

3、航空航天典型結(jié)構(gòu)的激光增材制造

3.1大型金屬構(gòu)件的激光增材制造

應(yīng)用于航空、航天、船舶、核電等現(xiàn)代工業(yè)的大型金屬構(gòu)件正朝著復(fù)雜化、一體化、高性能化方向發(fā)展，LMD技術(shù)已證實(shí)可滿足大型金屬構(gòu)件的成形要求。LMD工藝若要在鈦合金、鎳基高溫合金、高強(qiáng)鋼、難熔合金等難加工金屬材料大型關(guān)鍵構(gòu)件上獲得更廣泛的工業(yè)應(yīng)用，仍需進(jìn)一步解決兩大關(guān)鍵難題：一，高能激光長時間劇烈非穩(wěn)態(tài)循環(huán)加熱和高速冷卻條件下，成形材料的晶粒形態(tài)及顯微組織很難控制，以凝固晶粒、內(nèi)部缺陷及顯微組織為核心的冶金質(zhì)量和性能控制是激光增材制造大型金屬構(gòu)件的基礎(chǔ)難題；二，激光增材制造過程中熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、凝固收縮應(yīng)力等多種類型復(fù)雜應(yīng)力的累加與耦合，易導(dǎo)致大型金屬構(gòu)件變形，甚至開裂，大大制約了大型金屬構(gòu)件激光增材制造的控形與控性。

Ｔｏｄｄ研究小組在ＮａｔｕｒｅＭａｔｅｒｉAlS上發(fā)文指出，增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的最大障礙是成形件中的熱應(yīng)力及多種結(jié)構(gòu)缺陷。北京航空航天大學(xué)王華明院士認(rèn)為，內(nèi)應(yīng)力及變形開裂是長期制約金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)發(fā)展的瓶頸。鈦合金密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)，已被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)構(gòu)件、主承力構(gòu)件、起落架等，但其較差的加工性能制約了它的工程應(yīng)用范圍。北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊(duì)突破了飛機(jī)鈦合金大型主承力構(gòu)件激光熔化沉積增材制造的關(guān)鍵工藝技術(shù)，研制出了國際領(lǐng)先的飛機(jī)鈦合金大型結(jié)構(gòu)件激光增材制造工程化成套裝備，該設(shè)備的成形室尺寸為４000ｍｍ×3000ｍｍ×2000ｍｍ。此外，該團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了ＴＡ15、TC4、ＴＣ11等大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)主承力飛機(jī)鈦合金加強(qiáng)框及Ａ－100超高強(qiáng)度鋼飛機(jī)起落架等關(guān)鍵構(gòu)件的激光增材制造，實(shí)現(xiàn)了激光增材制造主承力構(gòu)件的裝機(jī)應(yīng)用，如圖７（ａ）所示。該團(tuán)隊(duì)還提出了大型金屬構(gòu)件LMD成形過程“內(nèi)應(yīng)力離散控制”新方法，形成了大型結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷、質(zhì)量控制及其無損檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)，成形的飛機(jī)鈦合金構(gòu)件的綜合力學(xué)性能達(dá)到或超過了模鍛件。該團(tuán)隊(duì)建立了金屬構(gòu)件激光增材制造過程中凝固晶粒形態(tài)主動控制理論，實(shí)現(xiàn)了具有梯度組織和梯度性能的先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)鈦合金整體葉盤及大型關(guān)鍵主承力構(gòu)件的制造，如圖７（ｂ）所示。該團(tuán)隊(duì)制造的航空發(fā)動機(jī)鈦合金葉片為定向生長的全柱狀晶組織，具有優(yōu)異的高溫持久蠕變性能，輪盤為等軸晶凝固組織，具有優(yōu)異的各向同性力學(xué)性能，如圖７（ｃ）所示。

圖片圖７大型整體金屬構(gòu)件的激光熔化沉積LMD增材制造。（ａ）鈦合金飛機(jī)大型關(guān)鍵主承力構(gòu)件；（ｂ）航空發(fā)動機(jī)梯度性能鈦合金整體葉盤；（ｃ）輪盤－葉片梯度過渡區(qū)的凝固晶粒組織

西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東、林鑫教授團(tuán)隊(duì)面向中國Ｃ９1９中型客機(jī)的需求，利用LMD增材制造技術(shù)制造了TC4合金體系Ｃ９1９飛機(jī)翼肋緣條，其長為3100ｍｍ，如圖８（ａ）所示，探傷和力學(xué)性能測試結(jié)果皆符合中國商飛的設(shè)計(jì)要求。在構(gòu)件力學(xué)性能的考核中，LMD增材制造TC4合金試件的高周疲勞性能優(yōu)于實(shí)測鍛件，且抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的批次穩(wěn)定性優(yōu)于3％。近年來，隨著高功率激光器、高速掃描振鏡等硬件的不斷升級，SLM裝備的研制水平持續(xù)提高，該團(tuán)隊(duì)研制的SLM裝備成形尺寸可達(dá)600ｍｍ×600ｍｍ×600ｍｍ。采用四激光器、四振鏡協(xié)同可以提升增材制造的效率，相比單激光、單振鏡加工效率可提升100％～200％。大型SLM裝備的發(fā)展為結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的大型整體金屬構(gòu)件的成形開辟了新途徑，該團(tuán)隊(duì)基于SLM成形的鈦合金風(fēng)扇葉片包邊長度可達(dá)1200ｍｍ，具有復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，且成形尺寸精度較高，如圖８（ｂ）所示；基于SLM成形的鎳基高溫合金發(fā)動機(jī)機(jī)匣尺寸達(dá)到了Ф5７6ｍｍ×200ｍｍ，為發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用驗(yàn)證提供了重要的技術(shù)支撐。

圖８大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的LMD及SLM增材制造。（ａ）LMD成形Ｃ９1９鈦合金翼肋緣條，長為3100ｍｍ；（ｂ）SLM成形鈦合金風(fēng)扇葉片包邊，長為1200ｍｍ；（ｃ）SLM成形鎳基高溫合金發(fā)動機(jī)機(jī)匣，尺寸為Ф5７6ｍｍ×200ｍｍ

3.2復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)的SLM

隨著航空航天領(lǐng)域?qū)岫瞬考坌阅芤蟮娜找嫣岣撸w結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造越來越受到重視，其內(nèi)含復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)、多孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等難加工結(jié)構(gòu)，已超出傳統(tǒng)工藝的成形制造能力，而基于SLM高精度增材制造技術(shù)可使這些復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)的快速制造成為可能。近年來，航空航天領(lǐng)域采用SLM技術(shù)成形的典型整體構(gòu)件包括火箭推進(jìn)器耐高溫部件、發(fā)動機(jī)燃油噴嘴、燃燒室導(dǎo)流襯套等。美國國家航空航天局（ＮＡSＡ）和ＡｅｒｏｊｅｔＲｏｃｋｅｔｄｙｎｅ公司合作，基于SLM增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了液氧、氣態(tài)氫火箭助推器的整體制造。助推器是火箭發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，在制造成本中占最大部分。ＮＡSＡ和ＡｅｒｏｊｅｔＲｏｃｋｅｔｄｙｎｅ公司在嚴(yán)格的測試環(huán)境中對激光增材制造的助推器整體結(jié)構(gòu)開展了點(diǎn)火試驗(yàn)，如圖９（ａ）所示，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)減重、制造效率和服役性能的顯著提升。整體結(jié)構(gòu)的增材制造技術(shù)已證實(shí)對未來的空間探索至關(guān)重要。借助于激光增材制造技術(shù)，ＮＡSＡ提出了火箭發(fā)動機(jī)核心部件“制造速度提升10倍、生產(chǎn)成本降低50％以上”的目標(biāo)，其基于SLM技術(shù)成形的如圖９（ｂ）所示的火箭發(fā)動機(jī)燃燒室銅襯套整體構(gòu)件是其近年來的成功實(shí)踐。該整體構(gòu)件面向的是導(dǎo)電、導(dǎo)熱性很強(qiáng)的銅合金，該合金是典型的激光增材制造難加工材料。該整體構(gòu)件是基于ＧＲＣｏ－８４銅合金采用SLM工藝，經(jīng)25８ｈ、８255層增材制造而成的。火箭發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)推進(jìn)劑的燃燒溫度超過了2７60℃，故在銅合金襯套內(nèi)部一體化成形了200多個隨形冷卻流道，溫度在－1７3℃以下的氫在流道中循環(huán)冷卻，以防止構(gòu)件在服役過程中發(fā)生熔化。對于襯套整體構(gòu)件內(nèi)部幾何形狀復(fù)雜的微細(xì)流道，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及激光增材制造成形質(zhì)量，將直接決定發(fā)動機(jī)燃燒室的冷卻效率及其服役性能和壽命。對于輕量化薄壁構(gòu)件內(nèi)部的一體化隨形冷卻流道，其延伸和布局路徑受整體結(jié)構(gòu)形狀的約束，同時流道的尺寸和結(jié)構(gòu)也制約著整體構(gòu)件的激光成形性，故而向增材制造技術(shù)的發(fā)展提出了更大挑戰(zhàn)及更高要求。

圖９ＮＡSＡ基于SLM成形的銅合金整體構(gòu)件及性能測試。（ａ）ＮＡSＡ和ＡｅｒｏｊｅｔＲｏｃｋｅｔｄｙｎｅ公司開展的激光增材制造構(gòu)件點(diǎn)火試驗(yàn)；（ｂ）火箭發(fā)動機(jī)燃燒室銅合金襯套整體構(gòu)件

美國通用電氣（ＧＥ）公司基于SLM增材制造技術(shù)研發(fā)了先進(jìn)渦槳發(fā)動機(jī)（ＡＴＰ）內(nèi)部新型燃油噴嘴，如圖10所示，這是近年來復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)增材制造航空工業(yè)應(yīng)用的典型案例。燃油噴嘴一般位于發(fā)動機(jī)燃燒室之前，其主要作用是提供燃料的輸送。在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，空氣經(jīng)各級葉片的壓縮之后被輸送到發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)，與此同時燃料通過燃油噴嘴霧化或氣化并被輸送到燃燒室內(nèi)，點(diǎn)火后燃料在燃燒室中充分燃燒，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，燃油噴嘴對加速混合氣體形成，保證燃料穩(wěn)定燃燒和提高燃燒效率具有重要作用。燃油噴嘴作為典型的復(fù)雜裝配體，無論是成形制造還是裝配組裝，工序多，工裝多，耗時長，成本高，且加工精度及穩(wěn)定性很難達(dá)到使用要求，對于傳統(tǒng)制造技術(shù)來說都是一大挑戰(zhàn)。針對這一難題，ＧＥ公司采用SLM技術(shù)加工Ｉｎｃｏｎｅｌ７1８鎳基高溫合金，實(shí)現(xiàn)了燃油噴嘴的整體設(shè)計(jì)與制造，將原先20個小部件的“組件”變成一個整體化燃油噴嘴構(gòu)件，如圖10（ｃ）所示。這不僅可以消除不同部件之間冗余的連接結(jié)構(gòu)，還可對燃油噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而在從高到低的較寬燃油流量下實(shí)現(xiàn)良好的霧化效果，并抑制燃油霧化不充分的問題，進(jìn)而減少積碳。ＧＥ公司基于增材制造技術(shù)整體設(shè)計(jì)制造的這款燃油噴嘴實(shí)現(xiàn)了25％的減重效果，同時縮短了制造周期，降低了生產(chǎn)成本，且增材制造燃油噴嘴的使用壽命提升了5倍以上。目前，ＧＥ公司這款燃油噴嘴的生產(chǎn)能力為每年35000～４0000件，已應(yīng)用在空客Ａ320ｎｅｏ、波音７3７ＭＡＸ、商飛Ｃ９1９和波音７７７－８等機(jī)型上。

圖10ＧＥ公司基于SLM技術(shù)制造的航空發(fā)動機(jī)燃油噴嘴構(gòu)件［110］。（ａ）先進(jìn)渦槳發(fā)動機(jī)（ＡＴＰ）；（ｂ）燃油噴嘴在發(fā)動機(jī)內(nèi)的工作原理；（ｃ）激光增材制造燃油噴嘴構(gòu)件

3.3輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的SLM

對于航空航天飛行器而言，減重是永恒不變的主題，而傳統(tǒng)制造方法已將零件減重的可能性發(fā)揮到了極致。將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)相結(jié)合，可使構(gòu)件具有高比強(qiáng)度和高比剛度等優(yōu)異的力學(xué)特性。激光增材制造技術(shù)因具有疊層自由制造的工藝特性，賦予了復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)極高的設(shè)計(jì)及成形自由度，可成形傳統(tǒng)加工方法難以成形的輕量化復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。近年來，激光增材制造成形復(fù)雜構(gòu)型輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)已成為熱點(diǎn)研究方向之一，可為航空航天等領(lǐng)域輕量化金屬構(gòu)件性能及功能的突破帶來新契機(jī)。Ｔａｎｃｏｇｎｅ－ｄｅｊｅａｎ等美國學(xué)者將經(jīng)典八隅體桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)用于激光增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)出了在動態(tài)和靜態(tài)載荷下均具有優(yōu)異的能量吸收功能的八隅體金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，成形結(jié)構(gòu)在應(yīng)變速率高達(dá)103S－1條件下仍具有良好吸能效果。除了將傳統(tǒng)經(jīng)典結(jié)構(gòu)應(yīng)用于激光增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，基于自然啟迪的創(chuàng)新點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也為構(gòu)件性能帶來了突破。Ｐｈａｍ等英國學(xué)者基于金屬晶體硬化機(jī)制，借鑒金屬晶格微尺度結(jié)構(gòu)及位錯、晶界等多種強(qiáng)化機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種仿晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)規(guī)則的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)異的耐損傷特性，如圖11所示。此外，基于拓?fù)鋬?yōu)化的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正成為金屬構(gòu)件輕量化及強(qiáng)韌化的重要途徑之一。ＰａｎｅSａｒ等英國學(xué)者詳盡闡述了拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在激光增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的策略及應(yīng)用，并發(fā)現(xiàn)經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的比剛度較傳統(tǒng)規(guī)則的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)至少提高了４0％～50％。可見，增材制造技術(shù)在航空航天點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域已展現(xiàn)出一定的發(fā)展與應(yīng)用潛力，并以輕量化和高性能作為主要考核目標(biāo)。

圖11基于金屬晶體硬化機(jī)制設(shè)計(jì)的仿晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的增材制造。（ａ）仿金屬微晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；（ｂ）單相與多相晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變差異；（ｃ）數(shù)值模擬得到的仿密排六方晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（ＨＣＰ）的應(yīng)力分布

激光增材制造點(diǎn)陣構(gòu)件已在國際民航客機(jī)制造領(lǐng)域獲得了實(shí)際工程應(yīng)用，空客商業(yè)飛機(jī)機(jī)艙隔板是近年來的成功案例。該結(jié)構(gòu)主要用于隔離機(jī)艙乘客區(qū)與乘務(wù)員區(qū)域，同時還兼具應(yīng)急擔(dān)架和機(jī)組人員安全座椅的功能，如圖12（ａ）所示，故要求該構(gòu)件在保證強(qiáng)度的同時盡可能減重。空客公司基于SLM技術(shù)設(shè)計(jì)和制造了仿生點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)機(jī)艙隔板，如圖12（ｂ）所示。在成形材料上，此隔板構(gòu)件選用新型輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金SｃAlｍａｏｌｌｙ［115－116］，該合金為稀土元素鈧微合金化Al－Ｍｇ合金，具有較低的密度（2.6７ｇ／ｃｍ3）和良好的SLM加工工藝性能。鈧元素可顯著細(xì)化鋁合金晶粒，故SLM成形合金構(gòu)件具有優(yōu)良的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度約為520Mpa，延伸率約為13％），可作為未來輕量化結(jié)構(gòu)件及點(diǎn)陣構(gòu)件的理想材料。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，空客研發(fā)人員基于生物啟迪實(shí)現(xiàn)了跨尺度仿生點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖12（ｃ）所示，在宏觀尺度上基于“黏菌自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”算法實(shí)現(xiàn)了主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該算法以最小的行數(shù)連接一組點(diǎn)并使每個點(diǎn)至少與兩條線相連，因此在一條線出現(xiàn)失效時該點(diǎn)仍連接在整個設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，可保障整體構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在微觀尺度上，該構(gòu)件借鑒了骨骼生長的生物靈感，完成了超過66000個網(wǎng)格的排布，實(shí)現(xiàn)了微觀網(wǎng)格稠密度與應(yīng)力分布相匹配，最終使得跨尺度仿生點(diǎn)陣構(gòu)件較原蜂窩復(fù)合材料隔板結(jié)構(gòu)在相同沖力下（９ｇ重力加速度）的位移減少了８％（９ｍｍ）。在成形工藝上，該構(gòu)件采用SLM技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件一體化高效成形，如圖12（ｄ）所示，最終的機(jī)艙隔板構(gòu)件由112個部件組裝而成，相較于原蜂窩復(fù)合材料隔板構(gòu)件減重４5％（30ｋｇ），從而可使空客每年節(jié)省４65000ｔ二氧化碳排放量，并有望批量化應(yīng)用于Ａ320客機(jī)上。

圖12空客公司基于SLM技術(shù)設(shè)計(jì)制造的新型仿生點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)機(jī)艙隔板。（ａ）機(jī)艙仿生隔板結(jié)構(gòu)圖；（ｂ）機(jī)艙仿生隔板實(shí)物圖；（ｃ）跨尺度仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（ｄ）機(jī)艙仿生隔板零部件選區(qū)激光熔化成形實(shí)物圖

3.４多功能仿生結(jié)構(gòu)的SLM

激光增材制造金屬構(gòu)件正從高性能化向多功能化發(fā)展，Ｎａｔｕｒｅ以“推開3D打印的限制”為題發(fā)表評述指出，材料和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造將助力3D打印技術(shù)的發(fā)展，并建議“向自然界‘借’材料、‘借’結(jié)構(gòu)”，道法自然，突出生物仿生（ｂｉｏｍｉｍｉｃｒｙ）、生物靈感（ｂｉｏ－ｉｎSｐｉｒｅｄ），以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。未來增材制造的發(fā)展將更加凸顯材料的創(chuàng)造、結(jié)構(gòu)的仿生以及多功能的集成優(yōu)化。生物系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)十億年的進(jìn)化和自然選擇，已形成并優(yōu)化了其復(fù)雜的多層級組織結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最優(yōu)的性能／功能來應(yīng)對環(huán)境的變化。許多生物系統(tǒng)具有獨(dú)特的多功能組合，而這往往是人工合成材料難以實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)代分析表征技術(shù)已證實(shí)，天然材料的優(yōu)異性能或特殊功能，是依靠其內(nèi)部復(fù)雜的多層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其尺度范圍通常橫跨納米尺度到宏觀尺度。對于性能／功能驅(qū)動的增材制造，基于生物靈感的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是創(chuàng)新增材制造結(jié)構(gòu)的重要途徑之一，并有望實(shí)現(xiàn)增材制造結(jié)構(gòu)性能／功能的躍升。

Ｎａｔｕｒｅ刊發(fā)的題為《生物材料進(jìn)化的啟迪及其應(yīng)用》綜述性論文認(rèn)為，生物材料蘊(yùn)含著大量的源自于自然界的成分與結(jié)構(gòu)信息，并指出盡管生物材料的化學(xué)成分一直是其設(shè)計(jì)關(guān)注的焦點(diǎn)，但對于其在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，應(yīng)更關(guān)注其在結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、力學(xué)性能、功能等方面的物理屬性及響應(yīng)。Sciencs以《賦予遠(yuǎn)古材料新的機(jī)會》為題刊發(fā)綜述性論文，該文指出，蜘蛛網(wǎng)所具有的高強(qiáng)度和高延展性的優(yōu)異組合是迄今為止人工合成材料無法獲取的；從材料本質(zhì)上而言，蜘蛛絲實(shí)際上是一種相對簡單的蛋白質(zhì)，但生物結(jié)構(gòu)賦予其高性能及多功能。這種基于生物啟迪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿生優(yōu)化，有望用于構(gòu)建多功能的材料及構(gòu)件系統(tǒng)。仿生的本質(zhì)是學(xué)習(xí)天然結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法及材料布局，這是一個從納／微觀尺度向宏觀尺度連續(xù)演變的大跨尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉAlS刊發(fā)的綜述性論文《仿生材料微／納米制造：自然結(jié)構(gòu)仿生的方法綜述》”給出了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般性方法，其程序包括：基于預(yù)期獲取的獨(dú)特功能在生物系統(tǒng)中尋找生物靈感；建立跨尺度仿生結(jié)構(gòu)與宏觀性能／功能之間的關(guān)系；設(shè)計(jì)遴選合適的材料及工藝；構(gòu)建仿生結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)所需的功能。同時，該論文指出仿生設(shè)計(jì)在原理上很簡單，但在實(shí)際制造中卻有相當(dāng)難度，原因主要是多材料合理匹配與布局的挑戰(zhàn)及微／宏大跨尺度仿生結(jié)構(gòu)制造工藝的約束性。

筆者研究團(tuán)隊(duì)基于下一代高超音速飛行器、空間探測器等航空航天裝備的整體化、多功能化發(fā)展趨勢及潛在工程應(yīng)用，面向減振抗沖擊、隔熱／防熱等綜合功能需求，創(chuàng)新發(fā)展了仿生結(jié)構(gòu)及材料布局，實(shí)現(xiàn)了仿生結(jié)構(gòu)的激光整體增材制造及其多功能化，其中涉及結(jié)構(gòu)、材料、工藝、功能等多因素的耦合、匹配及一體化調(diào)控。面向減振抗沖擊功能，一是考慮口足目生物口蝦蛄（別稱皮皮蝦）尾節(jié)，如圖13（ａ）所示，其獨(dú)特的生物結(jié)構(gòu)能使其抵抗競爭捕食過程中超過1500Ｎ、23ｍ／S的沖擊力，其能量吸收機(jī)理類似于沙袋，本身吸收和消散能量，而不使能量反向傳遞。通過解析皮皮蝦尾部的宏觀構(gòu)型，筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種仿生雙向波紋板結(jié)構(gòu)，揭示了高度和波長兩個結(jié)構(gòu)變量對仿生結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的比能量吸收（SＥＡ）、沖擊力效率（ＣＦＥ）及應(yīng)力分布的影響規(guī)律，該結(jié)構(gòu)的SＥＡ可達(dá)到４5Ｊ／ｇ，ＣＦＥ最高為８5％，這表明其具有優(yōu)良的能量吸收能力及抗沖擊穩(wěn)定性。二是考慮水蜘蛛在水下構(gòu)建的住所———潛水鐘，如圖13（ｄ）所示，其能長時間承受不同流速、不同方位水流的沖擊，具有優(yōu)異的韌性和抗沖擊能力，并具有桁架結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的輕量化特征。針對仿生水蜘蛛潛水鐘網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)尺寸跨度大、懸垂結(jié)構(gòu)多、加工難度大等難題，筆者團(tuán)隊(duì)研究了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)單元特征對SLM成形構(gòu)件尺寸精度、致密化行為和壓縮性能的影響規(guī)律，揭示了仿生網(wǎng)殼構(gòu)件在壓縮過程中的變形行為及斷裂機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)隨著網(wǎng)殼支柱直徑增加，主導(dǎo)斷裂機(jī)制從應(yīng)力控制斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榭紫堵士刂茢嗔选Ｈ强紤]到黃道蟹蟹鉗具有密集螺旋排布的多孔道結(jié)構(gòu)特征，筆者團(tuán)隊(duì)通過建立參數(shù)化仿生結(jié)構(gòu)三維模型，基于SLM工藝研究了旋轉(zhuǎn)增量和孔道分布特征對仿生蟹鉗結(jié)構(gòu)變形行為的影響規(guī)律；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SLM成形件截面熔池堆疊方式呈顯著的螺旋特征，較小的旋轉(zhuǎn)增量易導(dǎo)致試件在壓縮過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞／失效，并發(fā)現(xiàn)基于仿生設(shè)計(jì)引入的孔道結(jié)構(gòu)因在壓縮變形過程中發(fā)生彈性屈曲而顯著提高了SLM成形件的韌性。針對隔熱／防熱功能，考慮到挪威雪杉能在極寒環(huán)境下生存并能抵御強(qiáng)風(fēng)的特點(diǎn)，筆者團(tuán)隊(duì)以其莖干截面顯微結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)靈感，構(gòu)建了一種兼具承載及隔熱／防熱功能的可重復(fù)使用的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，建立了以梯度分布的中空管為功能層并配合兩個面板層形成夾層的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率僅為2.321Ｗ／（ｍ·Ｋ），比壓縮強(qiáng)度高達(dá)９８.９９Mpa／（ｇ／ｃｍ3），仿挪威雪杉熱防護(hù)結(jié)構(gòu)可兼具良好的力學(xué)性能和熱防護(hù)性。可見，仿生設(shè)計(jì)為功能驅(qū)動的增材制造結(jié)構(gòu)優(yōu)化及多功能化提供了新途徑，但“結(jié)構(gòu)易仿、制造不易、科學(xué)更難”，其中涉及的關(guān)鍵科學(xué)難題包括：仿生微結(jié)構(gòu)與構(gòu)件典型功能的映射關(guān)系及優(yōu)化模型；仿生設(shè)計(jì)的跨尺度結(jié)構(gòu)激光增材制造工藝約束性及成形機(jī)制；激光增材制造仿生結(jié)構(gòu)的多功能一體化評價方法及響應(yīng)機(jī)制等。因此，增材制造新技術(shù)與仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相輔相成、相得益彰，而關(guān)鍵科學(xué)問題的研究則貫穿于材料－結(jié)構(gòu)－功能一體化的全過程各領(lǐng)域。

圖13激光增材制造輕量化抗沖擊仿生功能結(jié)構(gòu)。（ａ）皮皮蝦尾節(jié)宏觀形貌；（ｂ）仿生雙向波紋板抗沖擊結(jié)構(gòu)SLM加工；（ｃ）仿生雙向波紋板結(jié)構(gòu)高度和波長參數(shù)對沖擊力效率（ＣＦＥ）的影響；（ｄ）水蜘蛛及其在水下構(gòu)建的住所———潛水鐘；（ｅ）SLM成形仿生網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；（ｆ）仿生網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的壓縮力－位移曲線

４、結(jié)束語

增材制造具有豐富的科學(xué)內(nèi)涵，主要體現(xiàn)在：1）圍繞“增”字，涉及“工藝調(diào)控基礎(chǔ)”，激光增材制造涉及高能激光與金屬粉體的作用機(jī)理及復(fù)雜構(gòu)件逐層堆積工藝的調(diào)控機(jī)制，特別是對于激光與粉末物質(zhì)的作用，其尺度是幾十至數(shù)百微米的顆粒量級，是一個典型的介于微觀和宏觀之間的“介觀”尺度問題；2）圍繞“材”字，涉及“材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”，主要涉及激光增材制造金屬、合金及金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備方法及成形機(jī)制，其中激光成形材料顯微組織調(diào)控是典型的“微觀”尺度問題；3）圍繞“制造”一詞，則涉及“結(jié)構(gòu)與性能／功能基礎(chǔ)”，尤其是增材制造構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能／功能調(diào)控，是典型的“宏觀”尺度問題。可見，激光增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢是實(shí)現(xiàn)微觀－介觀－宏觀跨尺度的材料－結(jié)構(gòu)－工藝－性能／功能一體化，這是由其科學(xué)內(nèi)涵所決定的。思考激光增材制造技術(shù)未來的研究與發(fā)展趨勢，下列方向值得進(jìn)一步關(guān)注：

1）以高性能／多功能為驅(qū)動的激光增材制造材料－結(jié)構(gòu)－工藝一體化及性能／功能的主動實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的材料－結(jié)構(gòu)－性能／功能一體化的思路，是在選材的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝來獲取一定的性能／功能；在這種“自上而下”的方法中，性能／功能的實(shí)現(xiàn)是被動的，也存在反復(fù)試湊與優(yōu)化的過程。而未來激光增材制造技術(shù)的發(fā)展則可從擬實(shí)現(xiàn)的性能／功能出發(fā)來主動選擇材料，并強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的廣義性（除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料、工藝甚至性能／功能本身都需要設(shè)計(jì)）及增材制造工藝的可控性（達(dá)到高速、高效、高精度、高可靠性的效果），進(jìn)而主動實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。特別是在航空航天領(lǐng)域機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜度不斷提高、構(gòu)件性能／功能集合度不斷增強(qiáng)的發(fā)展趨勢下，采用這種性能／功能驅(qū)動的“自下而上”的材料－結(jié)構(gòu)－工藝一體化的思路，對于在復(fù)雜加工系統(tǒng)中主動實(shí)現(xiàn)增材制造構(gòu)件的高性能和多功能化具有重要意義。

2）面向激光增材制造的“多相材料”和“多材料”設(shè)計(jì)、制備與成形，以實(shí)現(xiàn)將“合適的材料添加到合適的位置”。面向激光增材制造的新型二元或多元合金、納米顆粒改性金屬基復(fù)合材料、原位增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料等“多相材料”（ｍｕｌTiｐｈａSｅｍａｔｅｒｉAl）的設(shè)計(jì)與制備，是解決傳統(tǒng)金屬材料比強(qiáng)度和比剛度低、耐蝕性差等劣勢的有效途徑，而激光成形材料本身仍是均質(zhì)材料。一方面，多相材料的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)可以通過材料設(shè)計(jì)軟件和高通量實(shí)驗(yàn)方法加以定制，定量預(yù)測材料成分和組元對激光加工性能和增材制造構(gòu)件性能的影響規(guī)律，目標(biāo)是在短時間內(nèi)篩選出具有預(yù)期特性及性能的多相材料，以提高激光增材制造新材料的研發(fā)成效。另一方面，隨著強(qiáng)化相粒子（如陶瓷顆粒、稀土元素及原位形成的化合物等）相繼被引入到激光增材制造高性能金屬構(gòu)件中，強(qiáng)化相的形成機(jī)制、分散狀態(tài)及界面結(jié)合性能等問題制約著增材制造構(gòu)件的高性能化，故可采用原位分析技術(shù)（如高速同步輻射Ｘ射線顯微成像技術(shù)、中子小角散射實(shí)驗(yàn)技術(shù)等）研究強(qiáng)化相的運(yùn)動與分布行為、冶金缺陷形成規(guī)律及顯微組織演變規(guī)律，這對于深入理解激光增材制造材料的成形機(jī)制及性能提升機(jī)制具有重要作用。而從“多相材料”躍升至“多材料”（ｍｕｌTiｐｌｅｍａｔｅｒｉAlS）增材制造，則是在同一個成形構(gòu)件內(nèi)部的不同位置布局不同的打印材料，真正實(shí)現(xiàn)將“合適的材料添加到合適的位置”，以應(yīng)對構(gòu)件不同部位的性能／功能需求。這對激光增材制造的裝備和工藝提出了變革性要求，打印裝備中的粉末輸運(yùn)系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、粉末搜集系統(tǒng)及對應(yīng)的軟件控制系統(tǒng)均需重新設(shè)計(jì)，以應(yīng)對多材料打印的需求。同時，在打印工藝上，多材料布局依賴于對激光增材制造工藝更為精準(zhǔn)的微／宏觀跨尺度調(diào)控與優(yōu)化。

3）基于激光增材制造創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的高性能化和多功能化，以凸顯“獨(dú)特的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的功能”。隨著激光增材制造技術(shù)的日臻成熟，特別是面向航空航天領(lǐng)域的嚴(yán)苛的服役環(huán)境需求，成形材料及構(gòu)件的力學(xué)性能已不再是唯一的追求目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)材料／構(gòu)件的多功能化正成為重要的發(fā)展趨勢。借助增材制造技術(shù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多材料一體化成形能力，通過仿生結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、超材料、超結(jié)構(gòu)等創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有望實(shí)現(xiàn)增材制造材料／構(gòu)件在光、聲、熱、電、磁等功能領(lǐng)域的突破，甚至是顛覆。激光增材制造創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多功能設(shè)計(jì)、多材料布局、工藝精準(zhǔn)調(diào)控是構(gòu)件實(shí)現(xiàn)材料－結(jié)構(gòu)－功能一體化的重要方向。基于多物理場的數(shù)值模擬仿真，融合機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生等新興的人工智能技術(shù)，可為功能化材料／結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論指導(dǎo)；多材料打印、微／宏觀大跨尺度結(jié)構(gòu)打印、多工藝混合多進(jìn)程打印等創(chuàng)新增材制造技術(shù)的研發(fā)，可為功能化材料／結(jié)構(gòu)的成形提供技術(shù)支撐。

４）面向全尺寸構(gòu)件和全工藝流程的激光增材制造工藝仿真、監(jiān)測及優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)與方法。激光增材制造數(shù)值仿真需要考慮高能激光輻照下非平衡熔池內(nèi)多相能量、動量和質(zhì)量的多形式物理冶金行為，當(dāng)前的數(shù)值仿真物理模型普遍為成形數(shù)道或數(shù)層的計(jì)算當(dāng)量，需進(jìn)一步拓寬至全尺寸構(gòu)件級成形過程的熱場、流場、相場和應(yīng)力場的調(diào)控研究，進(jìn)而需進(jìn)一步合理匹配物理模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。另一方面，需基于數(shù)值仿真方法研究增材制造構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征、成形工藝、成形環(huán)境對成形質(zhì)量和成形穩(wěn)定性的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對成形質(zhì)量、成形效率及潛在的成形風(fēng)險等問題的預(yù)判。未來在航空航天等領(lǐng)域的增材制造技術(shù)研究與應(yīng)用方面，應(yīng)建立成形構(gòu)件的材料數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、工藝策略數(shù)據(jù)庫等仿真數(shù)字平臺與成形設(shè)備、成形過程監(jiān)控等成形平臺的數(shù)字孿生集成化，實(shí)現(xiàn)成形構(gòu)件虛擬制造評估與生產(chǎn)過程仿真評估；通過機(jī)器學(xué)習(xí)建立成形設(shè)備參數(shù)、過程監(jiān)控與監(jiān)測指標(biāo)評判方法，為激光增材制造工藝優(yōu)化、成形質(zhì)量提升、制造穩(wěn)定性調(diào)控提供預(yù)判方法及現(xiàn)場技術(shù)支撐。

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