【解析】高性能大型金屬構件激光增材制造若干材料基礎問題

航空、 航天、電力、石化、船舶等現(xiàn)代工業(yè)高端裝備正向大型化、 高參數(shù)、極端惡劣條件下高可靠、 長壽命服役的方向快速發(fā)展，致使其鈦合金、高強鋼、耐熱合金等關鍵金屬構件尺寸越來越大、結構日益復雜、性能要求日益提高，對制造技術的要求越來越高、挑戰(zhàn)日益嚴峻。采用鑄錠冶金＋塑性成形等傳統(tǒng)制造技術生產(chǎn)上述大型、整體、高性能金屬構件，不僅需要萬噸級以上的重型鍛造裝備及大型鍛造模具，技術難度大，而且材料切削量大、材料利用率低、周期長、成本高。事實上，鈦合金等高性能難加工金屬大型關鍵構件制造技術，被公認為是航空、航天、核電、石化、船舶等重大高端裝備制造業(yè)的基礎和核心關鍵技術。

高性能金屬構件激光增材制造（俗稱３Ｄ打�。�，以合金粉末或絲材為原料，通過高功率激光原位冶金熔化／快速凝固逐層堆積。如圖１所示， 直接從零件數(shù)字模型一步完成全致密、高性能大型復雜金屬結構 件的直接近凈成形制造，與鍛壓＋機械加工、鍛造＋焊接等傳統(tǒng)大型金屬構件制造技術相比，該技術具有以下獨特優(yōu)點：
１ ）激光原位冶金／快速凝固“高性能金屬材料制備”與“大型、復雜構件成形制造”一體化，制造流程短。
２ ）零件具有晶粒細小、成分均勻、組織致密的快速凝固非平衡組織，綜合力學性能優(yōu)異。
３）無需大型鍛鑄工業(yè)裝備及其相關配套基礎設施，無需鍛坯制備和鍛造模具制造，后續(xù)機械加工余量小、材料利用率高、周期短、成本低。
４ ）具有高度的柔性和對構件結構設計變化的“超�？焖佟表憫�能力，同時也使結構設計不再受制造技術的制約。
５）激光束能量密度高，可以方便地實現(xiàn)對包括Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ等在內的各種難熔、難加工、高活性高性能金屬材料的激光冶金快速凝固材料制備和復雜零件的直接“ 近凈成形”。
６ ）可根據(jù)零件的工作條件和服役性能要求，通過靈活改變局部激光熔化沉積材料的化學成分和顯微組織，實現(xiàn)多材料、梯度材料等高性能金屬材料構件的直接近凈成形等。

圖１ 致密金屬構件激光熔化沉積增材制造原理示意圖

由于其上述獨特制造技術優(yōu)勢，該技術被譽為是一種“ 變革性”的低成本、短周期、高性能、“控形／控性”一體化、綠色、數(shù)字制造技術，該技術有望為國防及工業(yè)重大裝備中大型難加工金屬構件的制造提供一條快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技術新途徑。正由于該技術在未來航空、航天、核電、石化、船舶等高端重大裝備制造中的巨大發(fā)展?jié)摿�和廣闊發(fā)展前景，近２０年來成為國際材料加工工程與先進制造技術學科交叉領域的前沿研究熱點方向之一， 在世界范圍內受到政府、工業(yè)界和學術界的高度關注。

１ 國內外研究現(xiàn)狀
通過激光熔化／快速凝固逐層堆積原理制造致密金屬構件的技術思路，實際上早在１９７８年美 國聯(lián)合技術研究中心就已提出并被命名為 “激光逐層上釉”工藝 。雖然當時已明確指出了現(xiàn)代金屬構件激光增材制造技術的幾乎全部優(yōu)點，但由于受當時工業(yè)激光器功率及數(shù)控技術水平的限制，該技術并未立即引起人們的注意。

隨著高功率工業(yè)激光技術及快速原型制造技術的發(fā)展，從１９９２年起，基于同軸送粉激光熔化沉積的致密金屬零件激光增材制造技術在世界范圍內引起了人們的高度關注，美國Ｓａｎｄｉａ及Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ等國家實驗室、斯坦福大學、密西根大學，德國亞琛大學及Ｆｒａｕｎ－ｈｏｆｅｒ激光技術研究所， 英國焊接研究所、伯明翰大學等研究單位， 對該技術進行了大量研究并相繼研發(fā)出了一系列金屬構件激光增材制造工藝及設備。如美國Ｓａｎｄｉａ國家實驗室的ＬＥＮＳ、Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ國家實驗室的ＤＬＦ、斯坦福大學的ＳＤＭ、密西根大學的ＤＭＤ及德國Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ激光研究所的ＬＭＤ等，并對包括鈦合金、鎳基高溫合金、不銹鋼、合金鋼及Ｒｅ等難熔金屬 等小型金屬構件激光直接增材制造技 術進行了大量研究探索。 在此期間特別引人矚目的是，鈦合金構件激光熔化沉積增材制造技術成為本領域研究的焦點，這是因為鈦合金具有密度低、比強度高等突出優(yōu)點， 被廣泛用作飛機機身加強框、主承力梁、 航空發(fā)動機整體葉盤等大型關鍵主承力構件 ，但鈦合金成形加工性能差、制造工藝復 雜， 與傳統(tǒng)成形制造技術相比，采用激光增材制造技術成形大型鈦合金構件具有明顯的技術和經(jīng)濟優(yōu)勢。特別是１９９２—２００５年期間，美國約翰哈普金斯大學、賓州州立大學及ＭＴＳ公司 等，與波音、諾克希德·馬丁及諾斯羅普·格魯曼等軍用飛機制造商密切合作，在對鈦合金結構件激光增材制造技術進行了大量研究并取得重要進展的基礎上，于１９９８年成立了專門從事航空鈦合金構件激光增材制造技術工程化應用的ＡｅｒｏＭｅｔ公司。其激光增材制造的小型鈦合金全尺寸機翼構件于２０００年９月分別在波音和諾克希德·馬丁公司通過地面性能試驗考核，２００２年制定出了“Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ鈦合金激光沉積產(chǎn)品”宇航材料標準并于同年首次實現(xiàn)了激光增材制造鈦合金小型、次承力構件在Ｆ／Ａ－ １８等飛機上的驗證考核和裝機應用。但令人遺憾的是，由于未能有效解決激光增材制造過程“ 熱應力”控制問題而一直未能突破大型主承力關鍵構件的激光增材制造關鍵技術。由于未能有效解決構件“ 內部質量”（冶金缺陷、晶粒及顯微組織等）控制等問題，即使再經(jīng)過后續(xù)熱等靜壓（ＨＩＰ）、開模鍛造等致密化加工，其高周疲勞等關鍵力學性能也未達到鍛 造水平（見圖２），致使激光增材制造構件難以 應用于飛機關鍵及主承力構件。ＡｅｒｏＭｅｔ公司已被迫于２００５年１０月停業(yè)關閉，國際激光增材制造技術研究陷入低谷，大部分從事金屬構件激光增材制造技術研究的單位均轉向激光修復和再制造領域。

圖２ ３種激光增材制造狀態(tài)Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ鈦合金構件與鍛件 及鑄件高周疲勞性能對比

我國從２０００年開始，總裝備部、國防科工局、國家“９７３”計劃及“８６３”計劃、國家自然科學基金委員會、教育部長江學者及創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃等國家主要科技計劃， 均一直對基于同步送粉激光熔化沉積的高性能金屬零件激光增材制造技術研究進行重點支持。清華大學、西安交通大學、西北工業(yè)大學、 北京有色金屬研究總院、西北有色金屬研究院、華中科技大學、北京航空制造工程研究所、北京航空航天大學等研究單位，在鈦合 金、鎳基高溫合金、不銹鋼、超高 強度鋼、難熔合金、耐熱鋼、高溫結構金屬間化合物合金、鈦基復合材料、結構梯度材料等高性能金屬材料激光增材制造 工藝、 裝備、組織及性能研究等方面取得了重要研究成果。

例如，清華大學制造出了直徑為１９１ｍｍ、高為３０５ｍｍ的Ｗ６０Ｎｉ４０鎢鎳合金薄 壁復雜硬Ｘ射線望遠鏡重要構件；西安交通大學對鎳基合金激光熔化沉積凝固組織演化規(guī)律進行了長期研究并制造出了高表面質量和幾何尺寸 精度的復雜空心葉片樣件；華中科技大學對 ３１６Ｌ等不銹鋼激光熔化沉積工藝、 成形幾何精度和組織性能進行了深入研究，并成形出了尺寸達 ６１５ｍｍ×２１６ｍｍ×２３６ｍｍ的復雜構件樣件；西北工業(yè)大學對ＴＣ４、ＴＡ１５等鈦合金 、Ｒｅ－ｎｅ８８ＤＴ、ＩＮ７１８等鎳基高溫合金、ＮｉＴｉ合 金及Ｔｉ／Ｎｉ梯度材料等進行了大量激光熔化沉積增材制造和修復工藝、 組織結構和性能的研究，并于２０１２年為大型客機研制機翼上下緣條等大型鈦合金構件。 特別值得一提的是，北京航空航天大學與沈陽飛機設計研究所、第一飛機設計研究院、沈陽飛機工業(yè)集團公司、西安飛機工業(yè)集團公司等單位長期“產(chǎn)學研”緊密合作，于２００５年突破了飛機鈦合金小型、次承力結構件激光增材制造關鍵技術并成功實現(xiàn)在型號飛機上的裝機工程應用，使我國成為當時繼美國（２００２年） 之后國際上第２個實現(xiàn)激光增材制造鈦合金小型、 次承力構件實際裝機工程應用的國家。

在此基礎上，２００７年突破了飛機鈦合金大型、 主承力構件激光增材制造工藝、工程成套裝備、構件內部質量及力學性能控制關鍵技術并初步建立了整套技術標準體系，研制出了具有系列核心技術、構件制造能力達４ ０００ｍｍ×３ ０００ｍｍ×２  ０００ｍｍ的飛機鈦合金構件激光增材制造成套裝備系統(tǒng)，制造出了ＴＡ１５、ＴＣ１８、ＴＣ４、ＴＣ２１、ＴＣ１１等鈦合金的大 型、 整體、復雜、主承力飛機加強框等關鍵構件（見圖３）以及Ａ１００等超高強度鋼飛機起落架關鍵構件，２００８年以來先后在包括Ｃ９１９大型客機等大飛機在內的多種型號飛機的研制和生產(chǎn)中工程應 用。這一可喜突破也使我國成為目前世界上唯一突破飛機鈦合金大型整體主承力構件激光增材制造技術并裝機工程應用的國家。

２ 面臨的材料基礎問題  
高性能大型金屬構件的激光熔化沉積增材制 造，通過長期激光逐點掃描、逐線搭接、逐層熔化凝固堆積（增材制造），實現(xiàn)三維復雜零件的“近凈成形”，實際上是激光超常冶金／快速凝固高性能“材料制備”與大型復雜構件逐層增材“直接制造”的一體化過程（即材料制備／零件成形一體化、成形／控性一體化） 。該過程的材料非平衡物理冶金和熱物理過程十分復雜，同時發(fā)生著“激光／金屬（粉末、固體基材、熔池液體金屬等）交互作用”、移動熔池的“激光超常冶金”、移動熔池在超高溫度梯度和強約束條件下的“快速凝固”及逐層堆積三維構件“ 內部質量演化”、復雜約束長期循環(huán)條件下“熱應力演化”等。

材料冶金和熱力耦合等極其復雜的現(xiàn)象耦合發(fā)生并相互強烈影響。對激光增材制造過程“材料物理冶金”和“材料熱物理”等材料科學問題的研究，不僅是切實解決“熱應力控制和變形開裂預防”及構件“內部質量和力學性能控制”等長期制約高性能大型金屬構件激光增材制造發(fā)展和應用“瓶頸難題”的 基礎，更是決定該技術優(yōu)勢能否得以充分發(fā)揮并走向工程應用推廣的基礎。 筆者認為，能否實現(xiàn)鈦合金、鎳基合金、鋁合金、 合金鋼、金屬間化合物合金、難熔合金等高性能難加工金屬大型關鍵構件的激光增材制造及其“成形／成性一體化”主動控制和更快走向工程推廣應用，將在很大程度上依賴于人們對上述不同金屬材料激光增材制造過程中的５大共性材料基礎問題的研究和認識深度。

２．１ 激光／金屬交互作用行為及能量吸收與有效
利用機制   高性能大型金屬構件的激光熔化沉積增材制 造， 依靠吸收的激光能量，將同步輸送的金屬粉末狀或絲材原材料熔化“逐層凝固堆積”，實現(xiàn)三維致密金屬構件的“成形制造”。增材制造效率低，被認為是制約金屬構件激光增材制造技術發(fā)展的主要缺點之一。只有能回答金屬零件激光逐層熔化沉積增材制造過程中，金屬對激光的吸收率是多少、吸收的激光能量中多少用于熔化金屬（有效能量）、多少消耗于構件本體的熱傳導（無效能量）等基本問題，才能解決有效提高金屬構件激光熔化沉積增材制造效率等技術問題。事實上，上述基本問題也是激光表面重熔、表面合金化和熔敷等金屬激光熔化加工領域長期未明確回答的基本問題。

筆者認為，上述問題的解決依賴于人們對金屬構件激光熔化沉積增材制造過程中激光／金屬交互作用（ 包括激光與金屬粉末原材料、金屬固體基底、熔池合金熔體及熔池上方氣體或光致等離子體等的交互作用）及吸收激光能量的非線性傳輸轉化行為進行深入的理論和試驗研究。只有通過研究找出激光能量的主導吸收機制和池底熱傳導的主導控制因素，才能有效實現(xiàn)對激光吸收率、吸收激光能量的有效利用率和金屬構件激光增材制造效率的主動控制。

２．２ 內部冶金缺陷形成機制及力學行為
在高功率激光束長期循環(huán)往復“逐點掃描熔化－逐線掃描搭接－逐層凝固堆積”的大型金屬構件激光熔化沉積增材制造過程中，主要工藝參數(shù)、外部環(huán)境、熔池熔體狀態(tài)的波動和變化、掃描填充軌跡的變換等不連續(xù)和不穩(wěn)定，都可能在零件內部沉積層與沉積層之間、沉積道與沉積道之間、單一沉積層內部等局部區(qū)域產(chǎn)生各種特殊的內部冶金缺陷（ 如層間及道間局部未熔合、氣隙、卷入性和析出性氣孔、微細陶瓷加雜物、內部特殊裂紋等） 并影響最終成形零件的內部質量、力學性能和構件的服役使用安全 。事實上，內部冶金缺陷 控制是一直是關鍵技術之一。

筆者認為，要有效解決上述長期制約大型金屬構件激光增材制造技術發(fā)展和應用的內部缺陷控制問題，實現(xiàn)金屬零件激光增材制造過程內部缺陷主動控制、建立可靠的內部缺陷無損檢驗方法并使激光增材制造金屬構件得到實際工程化應用， 必須針對鈦合金、鎳基合金、鋁合金、合金鋼等不同金屬材料體系，對以下基本問題進行系統(tǒng)深入研究：

１ ）激光增材制造特有的內部冶金缺陷的基本特征、 形成機理及控制方法。
２）激光增材制造特有的內部冶金缺陷在電磁場、超聲波等外物理場或外介質中的物理化學響應行為、無損檢驗特性及方法。
３ ）激光增材制造特有的內部缺陷的微觀力學行為、 對材料及構件力學性能的影響規(guī)律及缺陷損傷容限特性。

２．３ 移動熔池約束凝固行為及構件晶粒形態(tài)演
化規(guī)律   大型金屬構件的激光逐層熔化沉積增材制造過程， 實際上是激光冶金高溫熔池在固體金屬基底“無界面熱阻”快速導熱、高溫度梯度超高、冷卻速度超快條件下的快速凝固及逐層堆積的過程。移動熔池中合金熔體的冶金動力學行為及其晶體形核和長大過程直接決定了最終增材制造構件的冶金組織（如晶粒尺寸、晶粒形態(tài)、 晶體取向、晶界結構及化學成分均勻性等）和力學性能并表現(xiàn)出對激光增材制造工藝參數(shù)和工藝過程狀態(tài)變化的高敏感性及復雜多變性，給零件內部冶金組織一致性和力學性能穩(wěn)定性控制帶來巨大困難。 顯然，要實現(xiàn)對激光增材制造大型金屬構件凝固組織和力學性能的主動控制，建立構件凝固晶粒形態(tài)和取向及構件不同部位晶粒形態(tài)與取向 的主動控制方法， 須針對鈦合金、鎳基合金、鋁合金、合金鋼等不同金屬材料體系，深入開展以下有關激光增材制造大型金屬構件快速凝固行為、構件凝固組織演化規(guī)律等系列關鍵物理冶金基礎問題的研究：

１ ）大型金屬構件激光熔化沉積增材制造過程移動熔池激光超常冶金動力學特性及其熱質傳輸行為。
２ ）超高溫度梯度和強約束下移動熔池快速凝固非均勻形核與生長動力學特性及熔池局部凝固組織演化規(guī)律。
３ ）移動熔池局部凝固晶粒形態(tài)演化機制和逐層堆積三維零件晶粒形態(tài)選擇規(guī)律。

２．４ 非穩(wěn)態(tài)瞬時循環(huán)固態(tài)相變行為及顯微組織 形成規(guī)律   
制造現(xiàn)代高端裝備關鍵零部件用的鈦合金、鎳基高溫合金、高強鋁合金及高強合金鋼等高性能金屬結構材料，其合金化程度高、固態(tài)相變過程復雜，顯微組織和力學性能表現(xiàn)出對固態(tài)相變的極端多變性和復雜性，固態(tài)相變過程的精確控制已成為控制和挖掘金屬材料性能潛力的重要手段。 金屬構件的激光增材制造過程，實際上是一個幾個熔化“逐點掃描－逐線搭接－逐層堆積”的長期循環(huán)往復過程， 在長時間的增材制造過程中，零件不同部位的每一沉積層的固體材料，在隨后的逐層沉積過程中都經(jīng)歷了多周期、變循環(huán)、劇烈加熱和冷卻的短時熱歷史， 即構件不同部位的材料均經(jīng)受了如圖４所示的一系列短時、變溫、非穩(wěn)態(tài)、強約束、循環(huán)固態(tài)相變過程或微熱處理過程。這種微熱處理的加熱及冷卻速度極快、相變持續(xù)時間極短，而且每一微熱處理的相變溫度、加熱及冷卻速度和相變持續(xù)時間均隨熱循環(huán)次數(shù)的變化而變化， 導致激光增材制造金屬構件的顯微組織結構獨特并表現(xiàn)出對激光增材制造工藝條件的強烈依賴性和多變性。金屬構件激光增材制造過程極端超常條件下的金屬固態(tài)相變動力學特性，將與傳統(tǒng)熱處理固態(tài)相變存在巨大差異，有關上述金屬固態(tài)相變特性的研究尚鮮有報道。

另一方面，激光增材制造過程極端超常的固態(tài)相變動力學條件也為獲得超常特殊顯微組織和力學性能提供了新的機會。 因此，要實現(xiàn)對激光增材制造大型金屬構件固態(tài)相變顯微組織結構和力學性能的主動控制并充分挖掘激光增材制造超常極端固態(tài)相變動力學條件調控顯微組織的獨特潛力， 以下有關金屬激光增材制造過程短時、循環(huán)固態(tài)相變等基礎問題有待深入認識：

１ ）激光增材制造過程中長期非穩(wěn)態(tài)熱循環(huán)下金屬的短時循環(huán)固態(tài)相變熱力學及動力學特性。
２ ）激光增材制造過程中長期非穩(wěn)態(tài)熱循環(huán)下金屬固態(tài)相變形核和生長行為、顯微組織特征及演化規(guī)律。
３ ）激光增材制造過程中高溫度梯度和高應力梯度耦合作用下金屬的短時循環(huán)固態(tài)相變行為和顯微組織形成機理等。

２．５ 內應力演化規(guī)律及構件變形開裂預防控制
大型金屬構件激光熔化逐層沉積增材制造過程的材料物理、化學和冶金現(xiàn)象復雜，成形時間長。激光增材制造過程中零件長期經(jīng)歷高能激光束的周期性、劇烈、非穩(wěn)態(tài)、循環(huán)加熱和冷卻及其短時非平衡循環(huán)固態(tài)相變（見圖４）。強約束下移動熔池的快速凝固收縮等超常熱物理和物理冶金現(xiàn)象， 在零件內產(chǎn)生應力水平很高、演化及交互作用過程極其復雜的熱應力、相變組織應力和約束應力及其強烈非線性強耦合交互作用和應力集 中， 導致零件嚴重翹曲變形和開裂。由于對激光增材制造過程內應力演化規(guī)律及其非線性非穩(wěn)態(tài)耦合交互作用下零件變形開裂行為缺乏深入認識， 致使國內外主要研究對象還限于小型復雜構件。

內應力控制及變形開裂成為長期制約大型金屬構件激光增材制造技術發(fā)展的瓶頸難題。筆者認為， 要實現(xiàn)對大型金屬構件激光增材制造過程內應力的有效控制、有效預防大型金屬構 件激光增材制造過程中“變形和開裂”現(xiàn)象的發(fā)生和提高成形構件的幾何形狀尺寸精度，須深入研究以下４個有關激光材料熱物理相關的基礎問題：
１ ）周期性、非穩(wěn)態(tài)、長期熱循環(huán)作用下構件熱／力耦合行為、“熱應力”演化規(guī)律及其與激光增材制造工藝條件和零件結構的關聯(lián)關系。
２ ）周期性、非穩(wěn)態(tài)、循環(huán)加熱和冷卻條件下材料的短時約束固態(tài)相變／力學耦合行為、組織應力形成規(guī)律及控制方法。
３ ）超高溫度梯度作用下移動熔池的“約束快速凝固收縮應力”形成機理及演化規(guī)律。
４）激光增材制造過程中零件熱應力、組織應力、凝固收縮應力的非穩(wěn)態(tài)耦合交互作用、應力集中演化規(guī)律及其作用下的零件變形、開裂行為等。

３ 結束語
１ ）大型金屬構件激光熔化沉積增材制造技術， 是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅�、短流程、低成本�?“控形／控性”一體化、綠色、變革性、數(shù)字制造技術；該技術的發(fā)展有望為工業(yè)高端裝備中鈦合金、 鎳基合金、高強鋁合金、特殊合金鋼等價昂、難熔、難加工、高活性等高性能金屬材料大型關鍵構件的快速、低成本、數(shù)字化制造提供一條技術新途徑。
２） 大型金屬構件的激光增材制造，是激光冶金／快速凝固“高性能材料制備”與逐層堆積“大型構件直接制造” 有機融合的“成形／成性一體化”一體化的過程。
高性能大型關鍵金屬構件激光增材制造技術能否得到快速發(fā)展和工程推廣應用，將在很大程度上取決于人們對激光增材制造過程中，激光／金屬交互作用行為及能量吸收利用機制、內部冶金缺陷形成機制及力學行為、移動熔池約束凝固行為及構件晶粒形態(tài)演化規(guī)律、非穩(wěn)態(tài)循環(huán)固態(tài)相變行為及顯微組織形成規(guī)律、內應力演化規(guī)律及構件變形開裂預防方法等非平衡材料基礎問題的研究深度。

編輯：南極熊
作者：王華明（北京航空航天大學材料科學與工程學院空天材料與服役教育部重點實驗室國防科技工業(yè)激光增材制造技術研究應用中心）