金属材料增材制造技术应用现状及发展趋势

文/ 孙子文

0 前言

增材制造技术（又称“3D打印”）被誉为引领产业变革的颠覆性技术之一。区别于传统对原材料切削组装的减材加工过程，增材制造技术通过数字模型文件将金属粉末、塑料等可结合材料熔融、挤压、烧结、光固化等逐点、逐线、逐面堆积，制造出实际物体。增材制造根据数字模型制造出复杂结构，节省材料、可灵活设计和个性化定制。随着新型材料的不断应用和增材制造技术的发展，增材制造技术大量应用在航空航天、生物医疗、交通、智能穿戴等领域。

近年来，增材制造技术越来越受到重视，美国、英国、德国等都提出了增材制造技术研究、产业计划，投入大量人力物力进行产业竞争。我国也对增材制造技术加以支持，《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》重点提及增材制造；《增材制造标准领航行动计划（2020－2022年）》提出推动2～3项我国优势增材制造技术和标准制定为国际标准，增材制造国际标准转化率达到90%，增材制造标准国际竞争力不断提升。北京、广东、陕西等地也根据实际情况不断推动增材制造产业发展，2020年广东省3D打印设备产量增长超过100%。

金属材料广泛应用于工业生产和日常生活的各个领域，金属材料增材制造工艺作为门槛最高、前景最好的技术之一，也应用在多个领域。本文介绍金属材料增材制造的工艺、应用，讨论金属材料增材制造的面临挑战和发展趋势，展望金属增材制造技术的前景。

1 金属材料增材制造工艺

根据热源来分，金属材料增材制造技术可分为激光、电子束、电弧增材制造。激光增材制造主要应用于复杂小件的精密快速成形；电子束增材制造能量密度和能量利用率都较高，使得沉积效率和速率也很高；电弧增材制造主要适用于大尺寸、低精度复杂形状工件的快速成形制造，但由于精度低，成形后通常需要后续处理。

金属粉末的增材制造主要有选区激光烧结、选区激光融化、电子束选区融化等，通过数字模型用高能束进行烧结融化，单层成形后，成形平台下降一个单层的高度，铺粉系统制备一层新的粉末材料，然后高能束照射形成新的单层，循环往复，形成三维实体样品。电弧增材制造主要以电弧为热源，工作时输送金属丝，在热源的加热下形成金属熔液，在规划路线上层层堆积，形成三维实体样品。金属叠层增材制造主要采用薄带为成形材料，根据数字模型将样品的每一层截面数据进行切割，切割后将新的单层材料叠加上去，利用热压、超声等手段使切割后的单层材料粘合在一起，然后重复切割粘合的过程，最终形成三维样品，具有成形速度快、抗压性能好的优点。

2 金属材料增材制造的应用

2.1 航空航天领域

航空航天是较早开展金属增材制造的领域，早期应用在钛合金支架上。钛合金粉末激光增材制造技术制成飞机中央翼缘条构件，可提高材料冶金质量，已在国产飞机上实际应用。钛丝在进行电子束增材制造时，制造过程中熔池前部存在剧烈的合金流体运动，热毛细力是流体运动的主要驱动力，熔滴撞击效应会周期性地影响熔池的传热和流体运动，电子束的高频椭圆扫描可降低熔池的温度梯度和流体流动的幅度。该增材制造技术可用于外太空简单结构及低成本零件的快速制造。电弧增材制造形成的钛合金凝固，不同部位晶体结构不同，在堆积区和熔合区之间有很好的冶金结合。增材制造的钛合金与铸造钛合金相比，抗拉强度提高了3.7%,延伸率提高了37%，拉伸断口为韧窝状的韧性断裂,与铸态合金断口形貌差异明显。钛合金电弧增材制造在提高工件质量的同时，也提高了可加工工件的尺寸和加工速度。

镍合金是一种高温合金。Inconel 718合金增材制造形成的工件抗拉强度和硬度通常介于铸造和锻造Inconel 718的抗拉强度和硬度之间，强度取决于所用的增材制造技术、工艺参数、热处理条件、结构几何形状、加载方向等。Inconel 718合金增材制造的工件表面质量会变差，经后续热处理后缺陷减少，疲劳强度会高于合金本身。Inconel 718合金增材制造的工件使用温度可达700℃，在飞机、涡轮增压器转子等方面有着广泛应用。

铝合金强度高、耐蚀性好，是航空航天领域常用的轻量化材料。铝合金增材制造技术有选择性激光融化和电弧增材制造，研究主要侧重于工艺参数对工件性能的影响。通过激光融化增材制造技术制造的铝合金天线支撑结构被装在韩国通讯卫星Koreasat-7上，该结构尺寸大、重量轻，大大节约了成本。

2.2 生物医药

由于生物材料结构复杂、病人需求各异、无需大批量生产等因素，增材制造技术非常适合制造生物材料。锌金属具有良好的生物相容性，锌-钕合金激光增材制造中的稀土钕既提高了锌合金的致密度，致密化率达98.71%，成形质量优良，又提高了锌合金的力学性能；此外，钕合金化抑制了促炎因子的释放，从而使锌-钕合金具有良好的抗炎活性，增材制造的锌-钕合金可作为承重骨植入体内，是一种很有前景的骨修复材料。增材制造孔隙结构钛合金结构可植入人体充当关节，当植入体和人体骨骼间缺少体液，会发生干滑动摩擦，从而出现发炎、肿胀等现象。通过研究三角形、正方形和无序3种孔隙结构的摩擦性能，发现三角形孔隙结构位移矢量小于无序孔隙结构，但其旋转矢量和造成的简谐振动频率过高，摩擦力大于无序孔隙结构；正方形孔隙结构因结构稳定性最差，导致磨损量最大；在3种孔隙结构中，无序孔隙结构产生的摩擦热量最少，虽在摩擦力、散热等方面强于三角形，但其磨损量大于三角孔隙结构。

金属增材制造技术在口腔修复体制作中的应用主要集中在金属基底冠、可摘局部义齿的金属支架和种植体。激光增材制造制作的钴铬合金底冠金瓷结合力接近甚至超过传统制作；由于激光增材制造冷却速度快、结构致密无缺陷，激光增材制造制作的钴铬合金强度高于传统铸造；经过恰当的计算机辅助设计、参数设定，激光增材制造的钴铬合金能达到良好的基牙密合性。激光增材制造的钴铬合金可摘局部义齿金属支架在合适度和功能上接近传统支架，但微观结构上更加优良。激光增材制造技术制作的钛合金种植体支架由于快速冷却及晶相组成等因素，拥有更高的致密度和硬度，结构轻巧、生物相容性好。

2.3 交通行业

金属增材制造在轨道交通领域的应用主要在零部件制作和损伤零部件增材修复。金属增材制造在高密度热源下快速熔化、凝固，制造零件微观晶粒细小均匀、溶质偏析较小，能获得超过锻造件力学性能并接近锻造件疲劳性能的金属零部件。国外机车公司在列车后续维护中已使用金属增材制造成形结构复杂的列车轴承，提高轴承抗振动性能和耐磨性能，使用不锈钢增材制造轨道列车转向架抗侧滚扭杆安装座，在拓扑优化设计的基础上打印出具有仿生结构的安装座，在保证原有性能的情况下减重70%。中车株洲电力机车有限公司通过激光增材制造316L不锈钢机车高压接地开关传动件，制成的零件尺寸精度达±0.1 mm，成形过程中熔池冷却速率超过105 K/s，晶粒得到细化，制成的零件抗拉强度和显微硬度超过锻件，克服了原连接件结合部位强度低、易脱落的缺点。金属增材制造可用于轨道交通复杂异形件、连接件的整体成形制造。

金属增材制造修复轨道交通受损的零部件，提高零件使用寿命，降低企业成本。用不锈钢粉激光增材修复有缺陷的棒状车轴，疲劳试验表明增材修复后的车轴耐疲劳性能优于原始车轴零件。随着金属增材修复机车车轴研究的增多，越来越多的金属粉末投入使用，工艺参数也得到优化，力学性能更加优异。激光熔覆增材制造技术在车轴钢表面熔覆镍基粉末，制造出结合牢固的覆盖层，显著提高了涂层硬度，熔覆层的平均硬度是基体硬度的3倍以上。

金属增材制造技术在汽车行业主要应用在产品开发和生产2个阶段。开发阶段使用增材制造技术，可快速制造成形、迅速验证和优化零件设计；在生产阶段涉及小批量复杂零部件时，金属增材制造可较快实现零部件的近净成形。利用金属增材制造技术制造发动机缸盖，形成的产品致密度高，不会出现铸造时可能产生的裂纹和缩孔，性能接近锻件，但省去了传统制造中开模、浇注等系列工序，解决了小批量生产缸盖耗时长问题。发动机缸体和变速箱壳体制造传统上采用铸造方式生产，结合金属增材制造技术和铸造，可在保证产品质量的同时降低成本、缩短工期。

2.4 首饰、服饰

随着社会进步,人们的个性化需求越来越多，市场中心逐渐由企业转移到消费者,设计师也需围绕消费者进行首饰、服饰的设计。增材制造技术可以小批量快速定制，对首饰、服饰设计制造的影响越来越大。金属首饰的增材制造技术主要分为间接法和直接法。间接法先通过增材制造技术制造出蜡模，然后用失蜡法铸造出金属首饰，本质上是高分子材料增材制造与传统铸造的结合；直接法是金属材料在高能束作用下融化在二维平面内，冷却、成形、增厚，一步成型形成金属首饰。金属首饰的一步增材制造主要采用激光选区熔融技术，该方法采用CO2激光器做热源，铺粉烧结后进行下一层的烧结，制作完成后去掉多余粉末，进行打磨抛光便得到所需首饰。该方法制成的首饰有较高的精确度和衔接性，可制造空心、多层镂空、蕾丝状等复杂首饰。贵金属首饰制作可采用叠层增材制造技术，该方法在生产过程中金属变形小，适于制造面积较大、曲面、管状等造型的首饰。除普通首饰增材制造，有工作室还通过增材制造制作了动态机械结构的项链、手链，由独特部件相互交错组成，总体上是一个连续结构，但每个组件是刚性的，无需组装即可使用。

形状记忆合金在加热到一定温度后形状会被记忆，在温度降低后逐渐恢复原状，当温度再次变化后，形状记忆合金的形状也随之改变。越来越多的穿戴品使用形状记忆合金进行增材制造，在织物原材料中加入形状记忆合金线，这些线直径较小，加入记忆合金的服饰在外界刺激下而发生微妙变化，使服饰更具真实感和生命感。

美国国家航空航天局通过金属增材制造出了类似古代锁子甲的“太空盔甲”，通过增材制造将不锈钢制成连续的可折叠编制材料，正反两面性能不同，一面是反射光和热的方块，一面是互相嵌套的圆环来帮助吸收热量，两者有机结合在一起，减少宇航员和飞行器受到太空垃圾的危害。

3 金属材料增材制造的挑战与展望

尽管金属材料增材制造可以快速、小批量制造复杂工件，但它仍面临着一些问题和挑战。金属粉末床烧结增材制造时，形成的零件易粘结粉末颗粒，表面粗糙，需要进行打磨、抛光等后续处理；成形空间真空度较低，成形时熔融的材料易被氧化，需要惰性气体保护；进行激光增材制造时对粉末质量要求高，设备运维成本较高。金属丝材电弧增材制造时，工艺参数会影响热的输入和累积，热输入较大会对精度和性能产生影响。金属丝材电子束增材制造时处于高温、高真空、高辐射的环境，其熔池形态和温度分布不均匀，易出现裂纹、变形、气孔等问题，温度过高时会烧穿钢板和过度渗透，进而影响零件的精度和良品率。金属叠层增材制造形成的零件抗压性能好，但弹性差、抗拉强度低，由于各个方向上的力学性能不同，制成的零件表面通常有波纹，需进行打磨、抛光。金属材料增材制造有金属熔融、冷却、形成新金属层3个过程，由于热梯度和散热不均，增材制造形成的单层材料在层边缘、中间等不同位置存在不同的晶相，会对强度、耐磨性等造成影响，在层交界处进行新金属层沉积时，晶粒组织会发生变化。

近年来，我国在国家层面及广东省都出台了大量政策推动增材制造产业的发展，广东省激光与增材制造产业企业总数和产值分别均占全国的30%以上，形成了以大族激光、纳思达、创鑫激光等为代表的多家上市公司，产业链各环节不断完善，初步形成激光与增材制造材料、扫描振镜、激光器、整机设备、应用开发以及公共服务平台的产业链。根据广东省的优势，金属材料增材制造应重点关注航空航天、生物医疗、工业模具和珠宝首饰制造等领域。

4 结语

金属材料增材制造作为一种受到密切关注的技术，有着广阔的应用前景，同时也面临着一些挑战，如材料成形不均匀、精度低、尺寸小等问题。未来，随着研究和发展的不断深入，金属增材制造工件将越来越大，制造速度越来越快，制造精度越来越高。