金屬增材制造工藝、材料及成形機(jī)理的研究與應(yīng)用

楊揚(yáng)，張澳，李瑤，黎鑫，吳王平

常州大學(xué)機(jī)械與交通軌道學(xué)院金屬3D打印試驗(yàn)室 江蘇常州 213164

1 序言

3D打印技術(shù)作為快速成形技術(shù)的一種，又稱增材制造（Additive Manufacturing,AM），該技術(shù)利用數(shù)字化CAD三維模型，借助打印設(shè)備將材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件[1]。3D打印技術(shù)適用于制造復(fù)雜的零件，具有制造靈活、一次成形、高精密等特點(diǎn)，同時(shí)使原材料和能源的使用效率得以提高。另外，能根據(jù)消費(fèi)者的需求定制產(chǎn)品，加快新產(chǎn)品的研發(fā)。金屬3D打印材料在諸如航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車制造及模具等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。目前，金屬材料3D打印既可以通過高能束粒子流作為熱源，又可以通過金屬熔融涂層和電化學(xué)沉積技術(shù)對(duì)金屬材料進(jìn)行增材來制造實(shí)體零件[3]。

當(dāng)前，我國正處于加快推動(dòng)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵階段，制造新需求和新模式對(duì)增材制造提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的需求也將持續(xù)增加。國內(nèi)在進(jìn)行金屬增材制造技術(shù)和設(shè)備研發(fā)的同時(shí)引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備并進(jìn)行加工制造。國內(nèi)高校科研院所曾針對(duì)設(shè)備和工藝方面開展了大量基礎(chǔ)理論研究和工程應(yīng)用推廣。另外，科學(xué)家們針對(duì)電化學(xué)沉積金屬增材制造技術(shù)進(jìn)行探索研究。該技術(shù)是基于電化學(xué)反應(yīng)原理，利用一種原子量級(jí)逐層堆疊方式來進(jìn)行金屬基復(fù)合材料制備與零件制造的特種加工技術(shù)，無需熱處理即可生產(chǎn)復(fù)雜、致密的金屬件。該技術(shù)能夠制造具有微米級(jí)特征、復(fù)雜內(nèi)部特征、高純度材料的零件，同時(shí)具有快速可擴(kuò)展、支持大規(guī)模制造的特點(diǎn)，在未來面向金屬微納制造方面頗具發(fā)展?jié)撃堋?/p>

本文針對(duì)金屬增材制造技術(shù)，主要圍繞激光熔化、電子束選區(qū)熔化、金屬熔融涂層和電化學(xué)沉積增材制造技術(shù)等，著重介紹其工藝原理、關(guān)鍵技術(shù)，增材制造技術(shù)制備金屬材料零部件的特性與應(yīng)用、成形機(jī)理以及金屬增材制造技術(shù)存在的主要問題和挑戰(zhàn)，最后對(duì)金屬增材制造技術(shù)領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢(shì)和研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。

2 金屬材料增材制造技術(shù)

2.1 激光增材制造

（1）激光選區(qū)熔化技術(shù) 激光選區(qū)熔化成形技術(shù)（Selective Laser Melting,SLM）原理是將零件三維模型沿一定方向離散成一系列有序的微米量級(jí)薄層，以激光為熱源，逐層熔化金屬粉末，從而直接制造金屬零件。金屬粉末SLM技術(shù)的基本原理如圖1所示。在激光束開始掃描前，工作平臺(tái)安裝基板，將基板調(diào)整到與工作臺(tái)面水平的位置后，再將送粉缸先上升到高于鋪粉輥底面一定高度，利用鋪粉輥滾動(dòng)將粉末帶到工作平面的基板上，形成一個(gè)均勻平整的粉末層。SLM技術(shù)對(duì)原材料存在嚴(yán)格要求：激光選區(qū)熔化由于所使用的粉末尺寸?。ā?0μm），分層?。ā?.05mm），因此具有十分精確的尺寸精度（±0.05mm）和表面質(zhì)量（表面粗糙度≤10μm），能夠?qū)崿F(xiàn)無余量加工。SLM技術(shù)可以解決復(fù)雜金屬構(gòu)件存在的難加工、周期長(zhǎng)、成本高等技術(shù)難題，可以加工出傳統(tǒng)制造方法無法加工的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零件，如輕質(zhì)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)、空間曲面多孔結(jié)構(gòu)、復(fù)雜型腔流道結(jié)構(gòu)等，特別適合空間點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件直接制造，實(shí)現(xiàn)了“材料-結(jié)構(gòu)-功能”一體化設(shè)計(jì)和制造。

圖1 金屬粉末SLM技術(shù)的基本原理

西門子公司采用創(chuàng)新的內(nèi)部幾何設(shè)計(jì)和尾部擴(kuò)散擾流結(jié)構(gòu)，通過SLM技術(shù)制備了鎳基高溫合金渦輪葉片。這些葉片具有復(fù)雜的內(nèi)部通道、交錯(cuò)肋和孔結(jié)構(gòu)，可以最大限度地提高熱傳遞和沖擊冷卻效果。經(jīng)過滿負(fù)荷考核，葉片在1250℃極端溫度和13000r/min旋轉(zhuǎn)速度條件下表現(xiàn)出色。這項(xiàng)研究對(duì)于提高內(nèi)部質(zhì)量控制、推動(dòng)SLM技術(shù)制造鎳基高溫合金葉片的應(yīng)用具有重要意義[4]。

（2）激光直接沉積技術(shù) 激光直接沉積技術(shù)（Direct Laser Deposition,DLD）是基于離散/堆積原理，通過對(duì)零件的三維模型進(jìn)行分層處理，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成加工路徑。在惰性氣氛環(huán)境中，以高能量密度的激光作為熱源，按照預(yù)定的加工路徑，將同步送進(jìn)的粉末或絲材逐層熔化堆積，從而實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接制造與修復(fù)，其原理如圖2所示。激光直接沉積過程中熔池的熱影響區(qū)如圖3所示，從圖3可看出，橫截面主要?jiǎng)澐?個(gè)區(qū)域：沉積層、熔覆層和熱影響區(qū)，層與層之間形成了良好的冶金結(jié)合，將不同材料的金屬粉末或線材按照一定比例混合，可制造出高性能金屬零件。DLD技術(shù)的特點(diǎn)為：①無需模具。②可制備難加工金屬材料。③精度較高，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件近凈成形。④內(nèi)部組織細(xì)小均勻，力學(xué)性能優(yōu)異。⑤可制備梯度材料。⑥可實(shí)現(xiàn)損傷零件的快速修復(fù)。⑦加工柔性高，能夠?qū)崿F(xiàn)多品種、變批量零件制造的快速轉(zhuǎn)換。

圖2 激光直接沉積技術(shù)原理

圖3 激光直接沉積過程中熔池的熱影響區(qū)

鄭凱元等[5]通過研究DLD過程中，掃描速度和激光功率對(duì)Inconel718合金工藝特性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描速度增加時(shí)，可以獲得表面粗糙度值更低、顯微組織更細(xì)密、顯微硬度更高的試樣，但會(huì)增大零件孔隙率。通過提高激光功率，可以降低試樣孔隙率，但晶粒組織更粗大，導(dǎo)致顯微硬度降低。而在高激光功率和高掃描速度下，沉積層的高度和寬度增加，可以獲得表面質(zhì)量較好、孔隙率較低的試樣，但容易產(chǎn)生熱裂紋。因此在DLD過程中，采用提高掃描速度和激光功率的方法可以提高打印效率，但無法兼顧打印金屬零件質(zhì)量。

2.2 電子束增材制造技術(shù)

（1）電子束熔絲沉積成形 電子束熔絲沉積技術(shù)又稱為電子束自由成形制造技術(shù)（Electron Beam Freeform Fabrication,EBFF）。在真空環(huán)境中，高能量密度的電子束轟擊金屬絲表面形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置送入熔池并熔化，同時(shí)熔池按照預(yù)先規(guī)劃的路徑運(yùn)動(dòng)，金屬材料逐層凝固堆積，形成致密的冶金結(jié)合，直至制造出金屬零件。EBFF成形原理如圖4所示[6]。該技術(shù)在高端裝備的研制、生產(chǎn)和使用維護(hù)等方面，都有巨大應(yīng)用價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景[7，8]。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：①成形速度快。②保護(hù)效果好。③自動(dòng)化程度高。④加工精度高。⑤材料利用率和能量轉(zhuǎn)化率高。但也存在不足：制造過程復(fù)雜和效率較低。

圖4 電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)原理[6]

陳家琪[9]以304不銹鋼絲材為成形材料，研究了電子束熔絲沉積對(duì)304不銹鋼性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著加速電壓增大，成形產(chǎn)品的致密度逐漸增加，微觀組織中的鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，且當(dāng)加速電壓過大時(shí)，奧氏體晶界處由于溫度過高，出現(xiàn)了“敏化現(xiàn)象”。此外，由于電子束熔絲沉積特殊的成形工藝，內(nèi)部微觀組織發(fā)生變化，使成形后的304不銹鋼制件具有磁性。雖然熱處理能夠略微降低制件的磁性，但在實(shí)際要求嚴(yán)格的使用環(huán)境下，仍需進(jìn)行退磁處理。

（2）電子束選區(qū)熔化技術(shù) 電子束選區(qū)熔化技術(shù)（Selective Electron Beam Melting,SEBM）類似SLM技術(shù)，只不過是通過電子束在偏轉(zhuǎn)線圈驅(qū)動(dòng)下按預(yù)先規(guī)劃的路徑進(jìn)行掃描加工過程均處于10-2Pa以上的真空環(huán)境中，SEBM技術(shù)原理如圖5所示。目前，SEBM技術(shù)使用的原材料大多為不銹鋼金屬和鈦合金粉末，但使用單一材料制備的零件很難滿足一些極端特殊環(huán)境條件下的應(yīng)用，因此今后該技術(shù)應(yīng)該向復(fù)合材料和功能梯度材料等方向發(fā)展，推動(dòng)在航空航天、生物醫(yī)療、汽車制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10]。該技術(shù)特點(diǎn)有：①真空環(huán)境。②電子束掃描控制依靠電磁場(chǎng)，控制靈活，反應(yīng)速度快。③成形速度快。④良好的控溫性能。⑤尺寸精度高。

圖5 SEBM技術(shù)原理

SEBM與SLM相比，具有更快的掃描速度、更高的能量利用率以及更高預(yù)熱能力，因此，它對(duì)于生產(chǎn)高熔點(diǎn)脆性金屬（如中碳高合金H13鋼）特別有利。YANG等[11]對(duì)SEBM制造的H13鋼不同沉積高度進(jìn)行了研究，以評(píng)估其性能。結(jié)果表明，SEBM制造H13樣品的顯微組織由馬氏體、貝氏體和殘留奧氏體組成，具有典型的胞狀/枝晶結(jié)構(gòu)。隨著沉積高度的降低，晶粒形態(tài)退化，晶界發(fā)生碳化物的析出和生長(zhǎng)。因此，樣品在構(gòu)建方向上呈現(xiàn)出梯度硬度結(jié)構(gòu)，表面硬度為（565.6±5.8)HV0.5，隨著與表面距離的增加，硬度降低至（506.7±3.3）HV0.5。

2.3 電化學(xué)增材制造技術(shù)

電化學(xué)增材制造（Electrochemical Additive Manufacturing,ECAM）是一種相對(duì)較新的AM工藝，通過在溶液中還原金屬離子，使其在導(dǎo)電基底表面沉積薄且高度黏附的金屬制件。SURAVANSHI等[12]用納米移液管通過電化學(xué)沉積制備了單個(gè)的銅納米線，其直徑為200nm，長(zhǎng)度可達(dá)10μm。這種制備方法面臨一個(gè)挑戰(zhàn)——移液管尖端附近的高蒸發(fā)率導(dǎo)致堵塞。HU等[13]提出了一種類似彎液月面約束電沉積（Meniscus-Confined Electrodeposition,MCE）來制作維納尺寸銅線。在電位0.2 V 和0.05MCuSO4電解液下，打印制造銅。研究表明，通過MCE法，利用收縮速度來控制銅線的厚度，將移液管的直徑限制在1.6μm，收縮速度在0.3～0.6μm/s，可打印80～1600nm直徑的銅線，其最大沉積速度為1.2μm/s。電化學(xué)增材速度較慢，打印銅的尺寸為微納米級(jí)。為了改善打印速度，可增加電解質(zhì)濃度和添加移液管尺寸，但這可能改變電解質(zhì)、空氣和生長(zhǎng)銅絲之間的三相區(qū)域相平衡熱力學(xué)條件，從而導(dǎo)致彎液月面不穩(wěn)定。

電化學(xué)增材制造通常使用壓電式運(yùn)動(dòng)臺(tái)和超細(xì)電極來實(shí)現(xiàn)微米或納米級(jí)結(jié)構(gòu)金屬材料的制造。銅的有限沉積速率為0.1～0.18μm/s，與上述技術(shù)比較，提高精度與打印速度是主要障礙。此外，電化學(xué)增材制造的結(jié)構(gòu)金屬件都具有有限的幾何復(fù)雜性，大多數(shù)是基于線結(jié)構(gòu)，通常具有多孔和粗糙的形態(tài)，并且打印的結(jié)構(gòu)特性表征有限。因此，有必要開發(fā)較大的ECAM系統(tǒng)裝置，提高沉積速率，能夠打印出更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)金屬件。

電化學(xué)增材制造裝置如圖6所示[14]。圖6a～c顯示了電化學(xué)3D打印機(jī)的示意。用開孔海綿填充塑料注射器和噴嘴，填充CuSO4溶液。多孔海綿對(duì)電解質(zhì)是惰性的，其作用是向液壓頭提供足夠的背壓，從而形成穩(wěn)定的彎液月面。在工作電極和輔助電極間施加電位，通過Cu2+離子還原將銅沉積到基底上。通過伴隨的氧化反應(yīng)，從輔助電極同時(shí)補(bǔ)充Cu2+。然后，打印頭按基于3D計(jì)算機(jī)模型生成的路徑定義方向運(yùn)動(dòng)，打印出所設(shè)計(jì)的金屬制件。

圖6 電化學(xué)3D打印機(jī)示意圖[14]

電化學(xué)多金屬4D打印機(jī)的示意如圖7所示[15]。該裝置由一個(gè)帶有兩直線式排列的塑料注射器的試驗(yàn)臺(tái)組成，且兩注射器間隔80mm。一個(gè)注射器裝有CuSO4溶液（藍(lán)色溶液），另一個(gè)注射器裝有NiSO4溶液（綠色溶液）。對(duì)于CuSO4注射器組件，將兩根銅絲插入電解液中，分別作為輔助、參比電極。為了保持兩電極間的距離，將參比電極連接到絕緣支架上。然后輔助電極絲纏繞在絕緣棒上，從而增加了表面積。恒電位儀連接到銅基板工作電極平臺(tái)上，在工作電極表面進(jìn)行電化學(xué)打印金屬件。含有NiSO4溶液注射器的設(shè)置是相似的，但電極材料改為鎳泡沫。打印單元有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向（X軸和Y軸），打印平臺(tái)能夠沿Z軸移動(dòng)。

圖7 低成本電化學(xué)多金屬4D打印機(jī)示意[15]

CHEN等[15]設(shè)計(jì)電化學(xué)打印噴嘴，電解質(zhì)溶液的流速本質(zhì)上是由多孔材料的滲透性控制的，該滲透性在打印過程中可能發(fā)生變化，因此在維持穩(wěn)定的彎液面造成一定的困難。LIU等[16]設(shè)計(jì)一種基于微流控系統(tǒng)的低成本ECAM 3D打印機(jī)，用于制造中型金屬零件。這種打印機(jī)噴嘴與鋼筆進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)相似，如圖8所示。主通道部分和梳子結(jié)構(gòu)組成，工作原理為在打印過程中，容器中的電解質(zhì)在重力和毛細(xì)管作用下通過主通道流至噴嘴的尖端，與工作電極接觸形成閉環(huán)通路。同時(shí)，采用半開放式主通道設(shè)計(jì)，空氣也可以通過主通道流入儲(chǔ)液器內(nèi)，從而提供足夠的背壓，將電解質(zhì)連續(xù)傳輸?shù)酱蛴☆^的尖端。

圖8 鋼筆進(jìn)給系統(tǒng)電化學(xué)3D打印結(jié)構(gòu)示意圖[16]

YAP等[17]采用彎液月面引導(dǎo)電化學(xué)沉積法制備了納米鎳鍍層，并對(duì)鍍層的組織和性能進(jìn)行了研究，試驗(yàn)裝置如圖9所示。在電流1.5～3.0mA范圍內(nèi)，隨著電流的增加，打印層表面逐漸變成顆粒狀的納米顆粒聚集物，打印層表面的顯微硬度逐漸增大。由于打印與空氣接觸后因表面經(jīng)過一定程度的氧化而形成氧化物，且電流參數(shù)變化導(dǎo)致打印層表面出現(xiàn)顆粒狀結(jié)構(gòu)，因此表現(xiàn)出疏水性。

圖9 液滴接觸電化學(xué)打印裝置示意[17]

HIRT等[18]則采用了一種用壓力控制沉積速度的自動(dòng)電化學(xué)增材制造裝置，如圖10所示。該裝置采用原子力顯微鏡的懸臂梁作為打印頭，懸臂梁為中空設(shè)計(jì)，頭部有方形微孔，懸臂外接壓力控制器來控制電解液從微孔中流出。懸臂梁由微移動(dòng)平臺(tái)連接，研發(fā)了LabVIEW控制程序來接收信號(hào)并驅(qū)動(dòng)懸臂梁移動(dòng)。當(dāng)打印金屬接觸懸臂梁微孔時(shí)會(huì)給其一個(gè)撓度，同時(shí)實(shí)時(shí)掃描這個(gè)信號(hào)并由LabVIEW控制程序處理，根據(jù)撓度的大小信號(hào)來控制打印頭的移動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高精確打印金屬件。該設(shè)計(jì)的電化學(xué)打印裝置解決了微線圈制造難題，并可以打印各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬制件（見圖11）。該裝置打印出的金屬制件無需支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)4個(gè)制件同時(shí)打印，打印速度達(dá)3μm3/s，為微米尺度復(fù)雜金屬件的批量制造提供了解決方案。

圖10 受力控制電化學(xué)沉積裝置[18]

圖11 受壓力控制電化學(xué)打印裝置打印出的不同金屬制件SEM照片[18]

除以上對(duì)電化學(xué)打印技術(shù)進(jìn)行各個(gè)方面的深入探究外，還有許多學(xué)者對(duì)電化學(xué)打印過程進(jìn)行了仿真模擬來深入研究電化學(xué)打印的機(jī)理。BEHROOZFAR等[19]對(duì)打印過程中的噴嘴直徑和移動(dòng)速度進(jìn)行了模擬，研究發(fā)現(xiàn)，打印制件直徑在噴嘴直徑的0.5～0.9倍，打印制件尺寸隨著噴嘴移動(dòng)速度的增加而減小。CHEN等[14]對(duì)打印過程的噴嘴孔徑、偏壓和電解液濃度進(jìn)行了模擬，并提出了過程監(jiān)測(cè)方法來觀察電化學(xué)打印金屬件表面質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，表面質(zhì)量良好的銅線在制造過程中有平滑的電流，而質(zhì)量差的表面有波動(dòng)的電流。

2.4 其他制造技術(shù)

（1）金屬熔融涂層增材制造 金屬熔融涂層增材制造技術(shù)（Metal Fusion Coating Additive Manufacturing,MFCAM）用于金屬零件的高效制造。MFCAM工藝原理和試驗(yàn)平臺(tái)的原理如圖12所示[20]。MFCAM設(shè)備包括帶有升降桿的壓力控制系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)，帶坩堝的閥桿、氬氣保護(hù)系統(tǒng)和帶移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)器控制系統(tǒng)。在氣體壓力、靜水壓力、動(dòng)推桿和表面張力的共同作用下，熔融金屬在熔覆層中流過通道。當(dāng)熔體與基體或預(yù)凝固層接觸，則在熔體與基體的界面處開始冷卻和凝固。通過金屬熔融涂層工藝，可以在各層間形成良好的冶金結(jié)合。在激光表面熔化過程中形成的淺熔池會(huì)自發(fā)地與金屬涂層熔合在一起。

圖12 金屬熔融增材制造原理圖[20]

FANG等[21]開發(fā)了一種金屬熔融涂層增材制造試驗(yàn)裝置如圖13所示。該裝置上有一金屬熔爐、熔融噴嘴、三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、惰性氣體保護(hù)與過程控制裝置、溫度與壓力測(cè)量裝置。以Sn63Pb37合金為原料，在金屬熔爐進(jìn)行熔煉。熔爐由石墨坩堝和感應(yīng)線圈組成，可提供足夠的能量熔化低熔點(diǎn)金屬。帶有螺紋噴嘴位于坩堝底部，且可拆卸或更新噴嘴的尖端裝置。噴嘴周圍按裝了700W加熱器，并將熱電偶插入熔爐內(nèi)，以精確監(jiān)控溫度。

圖13 試驗(yàn)裝置的原理[21]

（2）線材電弧增材制造 線材電弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)系統(tǒng)原理如圖14所示[22]。WAAM技術(shù)是將焊接方法與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)結(jié)合起來的一種加工技術(shù)，與采用粉末原料的激光、電子束增材制造技術(shù)相比，WAAM的材料利用率更高，成形效率高，設(shè)備成本低，對(duì)成形件的尺寸基本無限制，雖然成形精度稍差，成形件微觀組織粗大，但仍是與激光增材制造方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的一種3D增材成形技術(shù)。WAAM技術(shù)是采用逐層堆焊的方式制造致密金屬實(shí)體構(gòu)件，因以電弧為載能束，熱輸入高，成形速度快，適用于大尺寸復(fù)雜構(gòu)件低成本、高效快速近凈成形。面對(duì)特殊金屬結(jié)構(gòu)制造成本及可靠性要求，其結(jié)構(gòu)件逐漸向大型化、整體化、智能化發(fā)展，因而該技術(shù)在大尺寸結(jié)構(gòu)件成形上具有其他增材技術(shù)不可比擬的效率與成本優(yōu)勢(shì)。

圖14 線材電弧增材制造制造（WAAM）裝置實(shí)物和原理 [22]

（3）擠出工藝的金屬增材制造 圖15所示為擠出工藝的金屬增材制造工藝[23]。其中圖15a所示為柱塞擠出型增材制造工藝。該結(jié)構(gòu)裝置配有加熱元件，金屬材料將經(jīng)熔化過程，直到可以將其推出噴嘴。該裝置主要部件是執(zhí)行器、柱塞、加熱器、噴嘴和打印平臺(tái)。這種類型的裝置與柱塞型擠出機(jī)相同，當(dāng)材料進(jìn)入導(dǎo)套和加熱室時(shí)，流動(dòng)打印過程開始。然后，在加熱過程中，柱塞推動(dòng)材料前進(jìn)。加熱溫度需高于材料的熔點(diǎn)。當(dāng)材料熔化時(shí)，它可以流入噴嘴并創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象作為路徑規(guī)劃。圖15b所示為長(zhǎng)絲基材料擠出型金屬增材制造工藝。熔融金屬絲制造是一種流行的3D打印技術(shù)，該工藝安全、制造工藝簡(jiǎn)單，且使用的部件便宜。在打印過程中，材料由輥式擠出機(jī)驅(qū)動(dòng)，以便長(zhǎng)絲可以向下進(jìn)入噴嘴。該裝置主要部件是進(jìn)料輥、加熱器、噴嘴和打印平臺(tái)。加熱器用于材料熔化并進(jìn)入噴嘴，噴嘴將在熔化低熔點(diǎn)合金后逐層打印。圖15c所示為螺桿擠出型金屬增材制造工藝。進(jìn)入系統(tǒng)的物料以顆粒進(jìn)料的形式進(jìn)入輸送機(jī)結(jié)構(gòu)，以螺桿的形式將物料輸送到噴嘴，該工作類似于塑料注塑成形工藝。

圖15 擠出工藝的金屬增材制造工藝[23]

（4）超聲波增材制造技術(shù) 超聲波增材制造技術(shù)（Ultrasonic Additive Manufacturing，UAM）是一種利用超聲波焊接原理與機(jī)械化卷帶分層相結(jié)合的固態(tài)增材制造技術(shù)[24]。UAM打印原理如圖16所示。使用UAM制造的金屬零件通常在垂直于焊接界面（Z方向）加載時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)度低，但該技術(shù)可以與纖維嵌入相結(jié)合來制造復(fù)合材料，使UAM有別于其他增材制造技術(shù)。

圖16 UAM打印原理[24]

3 金屬材料增材制造成形機(jī)理

雖然實(shí)現(xiàn)增材制造的技術(shù)方法有多種，但加工成形原理基本一致，增材制造金屬件的性能由熱源屬性、材料特性及工藝參數(shù)所決定，而熱源類型及送粉裝置是區(qū)分各種增材制造技術(shù)的最根本的因素。在選擇性激光燒結(jié)成形（Selective Laser Sintering,SLS）過程中，激光在每一個(gè)粉末上停留的時(shí)間都極短（0.5～25ms）。由于激光燒結(jié)件存在孔隙率高、微觀裂紋明顯、氧化夾渣嚴(yán)重等工藝缺陷，所以必須采用粉末部分熔化的方式來實(shí)現(xiàn)成形過程。在打印初始階段，當(dāng)激光能量注入某一片燒結(jié)區(qū)域時(shí)，低熔點(diǎn)黏結(jié)金屬粉末先發(fā)生熔化，隨著更多的液相形成，原始粉末的剛性骨架發(fā)生坍塌。當(dāng)黏結(jié)金屬完全熔化時(shí)，液相包裹并潤(rùn)濕固相，把未熔化的高熔點(diǎn)粉末黏結(jié)起來成為原型件。這樣形成的原型件大多具有殘余孔洞，需進(jìn)行后處理來提高其致密度和力學(xué)性能。SLS加工過程中金屬粉末的熔化機(jī)理如圖17所示。

圖17 選擇性激光燒結(jié)成形熔化機(jī)理[25]

SLM技術(shù)克服了其不能采用純金屬粉末、成形致密度及力學(xué)性能差、后處理工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，采用的材料能擴(kuò)展到多種純金屬或合金材料。SLM加工過程中金屬粉末的熔化機(jī)理如圖18a、b所示。SLM技術(shù)采用激光熔化金屬粉末，其熔池形成過程主要分為3個(gè)階段：①部分粉末顆粒表面開始局部熔化，此時(shí)有了液相出現(xiàn)，會(huì)黏附顆粒使其表面微熔粘結(jié)（見圖18a）。②更多的金屬粉末吸收能量后逐步熔化，面積逐步擴(kuò)大，到達(dá)一定程度后就形成了熔池。在熔池中，輻射能量分布不均勻，熔池內(nèi)部出現(xiàn)對(duì)流，使液態(tài)金屬成分均勻，有利于形成均勻組織（見圖18b）。③熔池中有對(duì)流，表面出現(xiàn)張力，會(huì)吸引周圍的固體粉末進(jìn)入熔池，加快熱傳遞，使液態(tài)金屬更快速的凝固。

圖18 SLM加工過程中金屬粉末的熔化機(jī)理

電化學(xué)增材制造是通過在外電場(chǎng)作用下電流經(jīng)過電解質(zhì)溶液時(shí)，溶液中正負(fù)離子遷移在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)而形成金屬沉淀，將每一層金屬沉淀按需排布和逐層疊加從而形成納米級(jí)三維金屬制件。以銅鎳雙金屬片的制造工藝為例：銅鎳雙金屬片的制造工藝如圖19所示[15]。由圖19可見，一個(gè)注射器注滿CuSO4電解質(zhì)，而另一個(gè)注射器是NiSO4電解質(zhì)。首先，從CuSO4電解質(zhì)沉積銅層（見圖19a）。在這里，通過平衡電解質(zhì)的液壓頭與電解質(zhì)的表面張力和打印噴嘴中多孔介質(zhì)的背壓，在噴嘴和基板之間形成穩(wěn)定的彎液月面。隨后施加恒定電位，將Cu2+還原為金屬銅。同時(shí)，消耗的Cu2+通過電極的氧化保持溶液濃度。隨后進(jìn)行電化學(xué)打印鎳鍍層，逐層進(jìn)行交替打印銅鎳雙金屬層，從而實(shí)現(xiàn)銅鎳雙金屬片的制造。

圖19 銅鎳雙金屬片電化學(xué)增材制造工藝[15]

4 常見金屬材料在增材制造中的應(yīng)用

金屬增材制造技術(shù)可制備出各種不同金屬結(jié)構(gòu)件，材料種類繁多，本文將介紹常見的金屬材料及其相關(guān)性能與應(yīng)用，如鈦合金、鎳基合金、不銹鋼、低熔點(diǎn)金屬等。

4.1 鈦合金

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、高溫力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。但高昂的加工成本和較長(zhǎng)的交貨周期，限制了其應(yīng)用范圍，對(duì)于有定制化要求的航空航天和生物醫(yī)用領(lǐng)域更是突顯了傳統(tǒng)加工方式的弊端[26-31]。用SLS制備Ti6Al4V合金，其拉伸變形性能是有限的，由于固有的脆性機(jī)制，因此導(dǎo)致應(yīng)變失效值僅為1%～4%[32]。采用SLM技術(shù)制備TiC/Ti復(fù)合材料，當(dāng)激光強(qiáng)度從400J/m增至1200J/m的過程中，TiC增強(qiáng)相呈現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)，從納米結(jié)構(gòu)到超細(xì)疊層納米結(jié)構(gòu)，最終呈現(xiàn)連續(xù)網(wǎng)狀分布和樹枝狀形貌，且復(fù)合材料的硬度逐漸提高[33]。RODRIGUEZ等[34]介紹了SEBM技術(shù)制備Ti6Al4V合金，并對(duì)其拉伸行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，構(gòu)件的斷裂機(jī)制與拉伸應(yīng)變速率有關(guān)，在準(zhǔn)靜態(tài)加載速率下，斷開形貌呈現(xiàn)出等軸尺寸的韌窩；然而在高速應(yīng)變加載速率下，會(huì)發(fā)生剪切斷裂，且出現(xiàn)了孔洞。TAN等[35]采用SEBM技術(shù)制備出梯度微觀組織結(jié)構(gòu)的Ti6Al4V合金制件，從底部到頂部晶粒尺寸由小變大，等軸晶演變成柱狀晶結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能也呈現(xiàn)出梯度性。

4.2 鎳基高溫合金

鎳具有很好的可塑性、耐蝕性和磁性等性能，主要被用于鋼鐵、鎳基合金、電鍍及電池等領(lǐng)域，廣泛用于飛機(jī)、雷達(dá)等各種軍工制造業(yè)，以及民用機(jī)械制造業(yè)和電鍍工業(yè)等。近年來，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)高溫合金的強(qiáng)韌性、疲勞性能等多方面提出了更高的要求，這種情況下鎳基合金的快速成形研究變得活躍。如何控制冶金缺陷和熔凝組織，使構(gòu)件達(dá)到優(yōu)異性能是研究中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[36-39]。使用不同激光功率打印出的整體和定制試樣在室溫下的拉伸性能、硬度和孔隙率見表1[40]。

表1 增材制造鎳基高溫鉻鎳鐵合金材料力學(xué)性能[40]

4.3 不銹鋼

在增材制造技術(shù)發(fā)展史上，鋼也是被廣泛用于成形研究的重要材料，可分為不銹鋼、高強(qiáng)鋼和模具鋼。304和316L奧氏體不銹鋼粉末是最先研發(fā)用于激光成形的不銹鋼材料，現(xiàn)已成為增材制造市場(chǎng)上典型的加工材料。MOWER等[32]采用SLS技術(shù)制備316L不銹鋼，結(jié)果顯示，制件具有較高的韌性，其屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化比鍛造鋼和退火鋼要高。GU[33]采用SLM技術(shù)制備多孔316L不銹鋼構(gòu)件，原材料為球形顆粒，平均直徑為75μm，同時(shí)添加0.05%～0.1%H3BO4和KBF4，可獲得多孔的不銹鋼制件。FARSHIDIANFAR等[41]采用實(shí)時(shí)檢測(cè)激光加熱冷卻溫度，來評(píng)價(jià)冷卻速率對(duì)316L不銹鋼的物相、微觀組織結(jié)構(gòu)、硬度和晶粒尺寸等影響。同時(shí)，增材制造不銹鋼金屬件，內(nèi)部存在一些缺陷，如未熔融的球形顆粒、空洞或微裂紋等，這直接影響了金屬件的服役要求，同時(shí)會(huì)進(jìn)一步影響制件在腐蝕環(huán)境中的耐蝕性[42]。

4.4 低熔點(diǎn)金屬

鋁合金的熔點(diǎn)較低，快速熔凝過程中溫度梯度相對(duì)較小，成形件不易變形開裂，適用于SLS和SLM等工藝。使用AlSi12合金粉末激光成形修復(fù)ZL104合金和7050鋁合金，修復(fù)部位的力學(xué)性能甚至超過基體[43]。采用SLM工藝進(jìn)行AlSi10Mg合金粉末成形研究，獲得較好組織結(jié)構(gòu)的鋁合金部件；另有AlSi7Mg、AlSi9Cu3、AlMg4.5Mn4和6061等鋁合金材料也已被研究和應(yīng)用[44]。增材制造技術(shù)制備低熔點(diǎn)合金還涉及Cu-Sn、Ni-Al、Nb-Ti-Si等金屬間化合物材料和一些梯度材料的成形研究[42]。秦繼昊等[45]采用Sn99.3Cu0.7金屬絲為材料，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了單層沉積和多層沉積金屬件，驗(yàn)證了低溫金屬熔融沉積成形工藝在PCB板和金屬三維成形方面應(yīng)用的可行性。BLAND等[46]研究了SLM技術(shù)制備低孔隙率鋁制件，且介紹了3D打印制備出多種材料組成的金屬制件。

5 結(jié)束語

3D打印所涉及的主要材料有高分子材料、金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料、生物材料和智能材料。金屬3D打印因本身的材料屬性，對(duì)應(yīng)于不同的材料其都有特定的應(yīng)用領(lǐng)域范圍。金屬3D打印技術(shù)還面臨很多的問題，例如：內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律及構(gòu)件變形開裂預(yù)防控制，由于激光輸出較高能量熔覆金屬粉末，同時(shí)金屬粉末又快速降溫，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致金屬制件產(chǎn)生微裂紋；金屬增材制造要求金屬粉末具有嚴(yán)格的形狀和尺寸，以制備出致密的、具有一定力學(xué)性能的金屬制件，而如何生產(chǎn)和制備出符合要求的金屬粉末原材料是影響金屬增材制造的一大難點(diǎn)；激光增材制造技術(shù)制備大型金屬構(gòu)件時(shí)，熱量傳遞問題難以克服，支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及成本和設(shè)備尺寸限制大等問題嚴(yán)重制約了金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用。

此外，改進(jìn)和創(chuàng)新3D打印設(shè)備也是未來金屬3D打印研究的一個(gè)重要方向。通過發(fā)展新技術(shù)，提高金屬3D打印的速度和產(chǎn)能，制造出具有更高精度和表面粗糙度的產(chǎn)品，從而進(jìn)一步推動(dòng)金屬3D打印技術(shù)的應(yīng)用。電化學(xué)增材制造是一個(gè)相對(duì)較新的金屬增材制造形式，相較于其他技術(shù)，該技術(shù)優(yōu)勢(shì)是不需要熱處理，這使得系統(tǒng)成本更低且更安全，但是仍然需要克服沉積速度方面的挑戰(zhàn)。