航空發(fā)動機推動著人類的航空歷史，其中的渦輪葉片，燃燒室在其服役時需要承受極度的高溫。高溫合金是指能夠承受650度以上高溫，并能夠在極端壓力和腐蝕環(huán)境下，同時具有良好性能的高性能材料。所以其普遍運用在燃?xì)廨啓C、火箭、飛機發(fā)動機、核電站、軍用車輛和衛(wèi)星等領(lǐng)域。

航空發(fā)動機通常用其推重比（推力/重力）來綜合評定發(fā)動機的水平，出于輕量化和優(yōu)化結(jié)構(gòu)等目的，內(nèi)燃機等高溫零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且對精度要求高。這給傳統(tǒng)的制造工藝帶來了巨大的困難，傳統(tǒng)的制造工藝，鑄造、鍛造與機械加工結(jié)合很難滿足其制造要求。增材制造（3d打?。?yīng)運而生，在制造復(fù)雜幾何形狀的部件時它具有獨特的優(yōu)勢。

增材制造能夠生產(chǎn)具有定制材料構(gòu)成的集成多功能部件，例如梯度材料。圖2由增材制造生產(chǎn)的多功能性燃燒室。傳統(tǒng)上復(fù)雜的航天部件由多個簡單部件組裝在一起，與激光增材制造一體成型相比，這會降低可靠性和幾何精度，同時增加維護(hù)成本。在材料使用方面，增材制造的材料浪費約為5%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的減材制造，后者浪費高達(dá)95%。是第一個獲得美國聯(lián)邦航空局認(rèn)證的商用噴氣發(fā)動機 3D 打印部件。

?通用電氣 (GE) 使用增材制造加工燃料噴嘴（詳見圖2-d）不僅減輕重量（減少25%）并降低燃料消耗，而且將成本效率提高 30%。圖2-e和圖2-f所示的增材制造的燃燒器和噴嘴環(huán)是典型環(huán)保節(jié)能例子，與傳統(tǒng)的鍛造加工相反，后者會浪費大部分材料。此外，飛機的重量減輕通過使用增材制造實現(xiàn)的組件是一種非常有效的措施降低油耗。商用飛機每減輕一公斤可以節(jié)省大約3000美元的燃料，減少碳排放量。

目前金屬激光增材工藝主要有以下兩大類：

?1.選區(qū)激光熔化SLM技術(shù)

Meiners等人為了制造高性能復(fù)雜金屬零件，在1996年首次提出了選區(qū)激光熔化技術(shù)SLM概念。SLM技術(shù)工作流程如圖3所示。首先，將刮刀在基板上鋪上一層金屬粉末，然后用激光束根據(jù)零件的截面形狀以進(jìn)行選擇性的逐點脈沖掃描，使金屬粉末熔化。當(dāng)激光束移開時，這些熔化的金屬粉末會迅速凝固。隨后，激光平臺將降低一個與層厚相對應(yīng)的指定高度。重復(fù)上述過程，直到制造出整個零件。需要注意的是，工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度等，需符合粉末材料和粉末層厚度，以實現(xiàn)致密且無缺陷的零件。選區(qū)激光熔化高精度，需要在保護(hù)氣體中進(jìn)行，以避免高溫氧化。SLM制造的零件通常具有以下特點：

(1)零件密度較高。

(2)由于激光束使零件具有高尺寸精度。

(3)具有非常小的枝晶間距。

但是，SLM 技術(shù)仍然存在缺點：?

(1)由于精度較高，制造的效率較低，能制造相對精密的零件。

(2)SLM過程中的會產(chǎn)生難以消除的粉末球化，產(chǎn)生影響力學(xué)性能的細(xì)孔。

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2.激光金屬沉積LMD技術(shù)

?激光增材制造方式為激光金屬沉積(LMD)示意圖，如圖4所示。激光金屬沉積中工藝參數(shù)對成形后的零部件組織及力學(xué)性能有著重要的影響。一些工藝參數(shù)是受限制于激光立體成形設(shè)備，激光立體成形設(shè)備主要有：

(1)激光器：激光器是激光立體成形設(shè)備中的核心部件，其會輸出高密度的能量熱源用于熔化成形材料，不同的激光器有著不同的波長，會直接影響材料的吸收率。目前出現(xiàn)的激光器類型有 YAG 激光器、CO2 激光器、光纖激光器和半導(dǎo)體激光器。

(2)數(shù)控系統(tǒng)：數(shù)控系統(tǒng)也是激光立體成形設(shè)備中必不可少的部件，主要是控制激光的走向坐標(biāo)。除此之外還控制系統(tǒng)的速率和精度。

(3)送粉系統(tǒng)：送粉系統(tǒng)是激光立體成形設(shè)備中關(guān)鍵的部件，送粉系統(tǒng)包括送粉器、粉末傳輸通道和噴嘴。使用時送粉系統(tǒng)性能狀態(tài)的好壞直接影響成形零部件質(zhì)量。

(4)氣氛控制系統(tǒng)：氣氛控制系統(tǒng)是激光立體成形設(shè)備中輔助部件。在成形過程中用來保證周圍環(huán)境的氣氛要求，對于一些易氧化的金屬加工，這是必不可少的系統(tǒng)。一般氣氛保護(hù)氣是氬氣。

(5)檢測與反饋控制系統(tǒng)：檢測與反饋控制系統(tǒng)也作為一種輔助系統(tǒng)，實時地監(jiān)控成形過程中的情況，及時做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使成形過程保持穩(wěn)定。

與SLM相比，LMD的生產(chǎn)周期短，成形速度快，能大大降低生產(chǎn)成本，但是激光金屬沉積（LMD）由于粉末和激光束尺寸較大，難以制造幾何形狀極其復(fù)雜的零件，這在一定程度上限制了其應(yīng)用。，時長00:57

以上是總結(jié)了激光立體成形技術(shù)的優(yōu)缺點。

3D打印金屬粉末作為金屬3D打印產(chǎn)業(yè)鏈最重要的一環(huán)，粉末需要滿足粒徑細(xì)小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。所以目前廣泛應(yīng)用航空航天領(lǐng)域的高溫合金粉末不是很多：

鎳基：

(1)HX，又稱HASTELLOY? X 合金，化學(xué)成分為NiCr22Fe18Mo，用于航天、能源、化工、和渦輪零件。由于合金的高強度延展性，在850 °C 溫度下也具有較強的抗氧化性和蠕變壽命。

(2)IN625，又稱Inconel 625。IN625主要用于航空航天工業(yè)、能源工業(yè)、化學(xué)工業(yè)以及制造渦輪零件， 其使用溫度為650℃。

(3)IN718，也稱為Inconel 718，是一種鎳鉻高溫合金，主要用于航空航天工業(yè)，能源工業(yè)、化學(xué)工業(yè)，以及制造渦輪零件。由于其高達(dá) 700 °C 使用溫度和有益的抗氧化性。該合金主要用于制造飛機發(fā)動機組件、燃?xì)廨啓C。?

(4)IN939，也稱為Inconel 939，是一種鎳基高溫合金， 該合金用于航空航天、能源和化學(xué)工業(yè)制造渦輪零件。由于其高強度、延展性使用溫度高達(dá) 700 °C， 該合金主要用于渦輪部件的構(gòu)造。

鈷基：

鈷基高溫合金（CoCrMo）主要應(yīng)用于航空航天和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，也是一種用于選區(qū)激光熔化 (SLM) 3D 打印工藝的增材制造材料。鈷鉻合金 3D 打印的零件具有優(yōu)異的機械性能、耐腐蝕性和耐溫性。

(1)CoCr28Mo6，其具有的優(yōu)越的生物相容性、耐熱性、熱疲勞和抗氧化性，主要用于醫(yī)療工業(yè)制造假肢、植入物和噴氣發(fā)動機。2015年GE通過采用選區(qū)激光熔化（SLM）的方法，采用CoCr合金成功打印出燃油噴嘴，而且實現(xiàn)了量產(chǎn)，至2021，3D打印發(fā)動機燃油噴產(chǎn)量高達(dá)10萬件。?

(2)Co 212、Co 452、Co 502，目前主要應(yīng)用在醫(yī)用材料，如人造牙、人工股骨頭、人工膝關(guān)節(jié)等。

國內(nèi)外現(xiàn)狀：

在 3D 打印技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)層面，美國的兩個世界最大規(guī)模的 3D 打印公司“Stratasys”和 “3D Systems”分別都有數(shù)百種商業(yè)牌號的增材制造材料銷售，可以滿足客戶很多方面的材料需求。這也是它們可以采取“捆綁銷售”設(shè)備與材料的底氣所在。相比較，我國的金屬增材制造領(lǐng)先企業(yè)西安鉑力特公司有 50 余種金屬合金具有成熟的打印工藝，可以用于工業(yè)增材制造應(yīng)用；而塑料 3D 打印領(lǐng)先企業(yè)華曙高科公司可以為客戶提供近 20 種高分子 3D 打印材料。可見，差距還是十分顯著的。這主要是因為這兩個我國 3D 打印領(lǐng)先企業(yè)成立時間比 3D 打印世界巨頭公司“Stratasys”和“3D Systems”晚了二十多年，在體量、積累和技術(shù)實力上都有明顯差距，短期內(nèi)尚無足夠的力量進(jìn)行 3D 打印材料的大規(guī)模開發(fā)。

目前金屬增材制造仍存在很多問題，需要重點關(guān)注的材料科學(xué)問題包括：增材制造全過程非平衡相變及組織演化行為；增材制造熱、組織、應(yīng)力耦合機制及變形、開裂機理；基于金屬增材制造非均勻非平衡組織特征的材料合金化及構(gòu)件強韌化機理；增材制造冶金缺陷形成機制和評價方法。深刻理解這些科學(xué)問題，將為優(yōu)化現(xiàn)有金屬合金的增材制造工藝、大幅度拓展可打印合金的種類，以及大規(guī)模研發(fā)增材制造專用合金奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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