高性能大型金屬構(gòu)件激光增材制造:若干材料基礎(chǔ)問題

王華明

北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 空天材料與服役教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

國防科技工業(yè)激光增材制造技術(shù)研究應(yīng)用中心，北京 100191

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(qiáng)鋼、耐熱合金等關(guān)鍵金屬構(gòu)件尺寸越來越大、結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、性能要求日益提高，對制造技術(shù)的要求越來越高、挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻。采用鑄錠冶金+塑性成形等傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)上述大型、整體、高性能金屬構(gòu)件，不僅需要萬噸級(jí)以上的重型鍛造裝備及大型鍛造模具，技術(shù)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(shí)上，鈦合金等高性能難加工金屬大型關(guān)鍵構(gòu)件制造技術(shù)，被公認(rèn)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(chǔ)和核心關(guān)鍵技術(shù)。

高性能金屬構(gòu)件激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，俗稱3D打?。院辖鸱勰┗蚪z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(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件的直接近凈成形制造［1-3］，與鍛壓+機(jī)械加工、鍛造+焊接等傳統(tǒng)大型金屬構(gòu)件制造技術(shù)相比，該技術(shù)具有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：

1）激光原位冶金/快速凝固“高性能金屬材料制備”與“大型、復(fù)雜構(gòu)件成形制造”一體化，制造流程短。

2）零件具有晶粒細(xì)小、成分均勻、組織致密的快速凝固非平衡組織，綜合力學(xué)性能優(yōu)異。

3）無需大型鍛鑄工業(yè)裝備及其相關(guān)配套基礎(chǔ)設(shè)施，無需鍛坯制備和鍛造模具制造，后續(xù)機(jī)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(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變化的“超常快速”響應(yīng)能力，同時(shí)也使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不再受制造技術(shù)的制約。

5）激光束能量密度高，可以方便地實(shí)現(xiàn)對包括 W、Mo、Nb、Ta、Ti、Zr等在內(nèi)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(fù)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(xué)成分和顯微組織，實(shí)現(xiàn)多材料、梯度材料等高性能金屬材料構(gòu)件的直接近凈成形等。

圖1 致密金屬構(gòu)件激光熔化沉積增材制造原理示意圖Fig.1 Schematic of laser melting deposition additive manufacturing for fully-dense metallic components

由于其上述獨(dú)特制造技術(shù)優(yōu)勢，該技術(shù)被譽(yù)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(shù)，該技術(shù)有望為國防及工業(yè)重大裝備中大型難加工金屬構(gòu)件的制造提供一條快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技術(shù)新途徑。正由于該技術(shù)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蛷V闊發(fā)展前景，近20年來成為國際材料加工工程與先進(jìn)制造技術(shù)學(xué)科交叉領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)方向之一，在世界范圍內(nèi)受到政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注［4-16］。

1 國內(nèi)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(gòu)件的技術(shù)思路，實(shí)際上早在1978年美國聯(lián)合技術(shù)研究中心［4，17］就已提出并被命名為“激光逐層上釉”工藝（Laser Layer-glazing TM Process［4］）。雖然當(dāng)時(shí)已明確指出了現(xiàn)代金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)的幾乎全部優(yōu)點(diǎn)，但由于受當(dāng)時(shí)工業(yè)激光器功率及數(shù)控技術(shù)水平的限制，該技術(shù)并未立即引起人們的注意。

隨著高功率工業(yè)激光技術(shù)及快速原型制造（Rapid Prototyping）技術(shù)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(shù)在世界范圍內(nèi)引起了人們的高度關(guān)注，美國Sandia及Los Alamos等國家實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)、密西根大學(xué)，德國亞琛大學(xué)及Fraunhofer激光技術(shù)研究所，英國焊接研究所、伯明翰大學(xué)等研究單位，對該技術(shù)進(jìn)行了大量研究并相繼研發(fā)出了一系列金屬構(gòu)件激光增材制造工藝及設(shè)備。如美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的LENS（Laser Engineered Net Shaping）、Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室的DLF（Directed Light Fabrication）、斯坦福大學(xué)的SDM（Shape Deposition Manufacturing）、密西根大學(xué)的DMD（Direct Metal Deposition）及德國Fraunhofer激光研究所的LMD（Laser Metal Deposition）等，并對包括鈦合金［14-16，18-23］、鎳基高溫合金［6-9］、不銹鋼［10-12］、合金鋼［13-14］及 Re等 難熔金屬［15］等小型金屬構(gòu)件激光直接增材制造技術(shù)進(jìn)行了大量研究探索。

在此期間特別引人矚目的是，鈦合金構(gòu)件激光熔化沉積增材制造技術(shù)成為本領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)，這是因?yàn)殁伜辖鹁哂忻芏鹊?、比?qiáng)度高等突出優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作飛機(jī)機(jī)身加強(qiáng)框、主承力梁、航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤等大型關(guān)鍵主承力構(gòu)件［16］，但鈦合金成形加工性能差、制造工藝復(fù)雜，與傳統(tǒng)成形制造技術(shù)相比，采用激光增材制造技術(shù)成形大型鈦合金構(gòu)件具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。特別是1992-2005年期間，美國約翰哈普金斯大學(xué)、賓州州立大學(xué)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(jī)制造商密切合作，在對鈦合金結(jié)構(gòu)件激光增材制造技術(shù)進(jìn)行了大量研究并取得重要進(jìn)展的基礎(chǔ)上，于1998年成立了專門從事航空鈦合金構(gòu)件激光增材制造技術(shù)工程化應(yīng)用的Aero Met公司。其激光增材制造的小型鈦合金全尺寸機(jī)翼構(gòu)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(yàn)考核，2002年制定出了“Ti6Al4V鈦合金激光沉積產(chǎn)品”宇航材料標(biāo)準(zhǔn)并于同年首次實(shí)現(xiàn)了激光增材制造鈦合金小型、次承力構(gòu)件在F/A-18等飛機(jī)上的驗(yàn)證考核和裝機(jī)應(yīng)用［2，23-26］。

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(yīng)力”控制問題而一直未能突破大型主承力關(guān)鍵構(gòu)件的激光增材制造關(guān)鍵技術(shù)。由于未能有效解決構(gòu)件“內(nèi)部質(zhì)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（Open-die Forging）等致密化加工，其高周疲勞等關(guān)鍵力學(xué)性能也未達(dá)到鍛造水平［2］（見圖2），致使激光增材制造構(gòu)件難以應(yīng)用于飛機(jī)關(guān)鍵及主承力構(gòu)件。Aero Met公司已被迫于2005年10月停業(yè)關(guān)閉，國際激光增材制造技術(shù)研究陷入低谷，大部分從事金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)研究的單位均轉(zhuǎn)向激光修復(fù)和再制造領(lǐng)域。

圖2 3種激光增材制造狀態(tài)Ti6Al4V鈦合金構(gòu)件與鍛件及鑄件高周疲勞性能對比［2］Fig.2 High-cycle fatigue properties of three laser additive manufacturing Ti6Al4V alloy comparison to its cast and wrought counterparts［2］

我國從2000年開始，總裝備部、國防科工局、國家“973”計(jì)劃及“863”計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、教育部長江學(xué)者及創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃等國家主要科技計(jì)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(shù)研究進(jìn)行重點(diǎn)支持。清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、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(xué)、北京航空制造工程研究所、北京航空航天大學(xué)等研究單位，在鈦合

金［3，27-30］、鎳 基 高 溫 合 金［31-33］、不 銹 鋼［34-37］、超 高強(qiáng)度 鋼［38-39］、難 熔 合 金［40］、耐 熱 鋼［41］、高 溫 結(jié) 構(gòu)金屬間化合物合金［42-43］、鈦基復(fù)合材料［44］、結(jié)構(gòu)梯度材料［45-46］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(xué)制造出了直徑為191 mm、高為305 mm的W60Ni40鎢鎳合金薄壁復(fù)雜硬X射線望遠(yuǎn)鏡重要構(gòu)件［40］；西安交通大學(xué)對鎳基合金激光熔化沉積凝固組織演化規(guī)律進(jìn)行了長期研究并制造出了高表面質(zhì)量和幾何尺寸精度的復(fù)雜空心葉片樣件［35］；華中科技大學(xué)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(jìn)行了深入研究，并成形出了尺寸達(dá)615 mm×216 mm×236 mm的復(fù)雜構(gòu)件樣件［34］；西北工業(yè)大學(xué)對 TC4、TA15等鈦合金［30］、Rene88DT、IN718 等 鎳 基 高 溫 合 金［33］、NiTi合金［43］及 Ti/Ni梯度材料［45-46］等進(jìn)行了大量激光熔化沉積增材制造和修復(fù)工藝、組織結(jié)構(gòu)和性能的研究，并于2012年為大型客機(jī)研制機(jī)翼上下緣條等大型鈦合金構(gòu)件。

特別值得一提的是，北京航空航天大學(xué)與沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所、第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院、沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司、西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司等單位長期“產(chǎn)學(xué)研”緊密合作，于2005年突破了飛機(jī)鈦合金小型、次承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造關(guān)鍵技術(shù)并成功實(shí)現(xiàn)在型號(hào)飛機(jī)上的裝機(jī)工程應(yīng)用，使我國成為當(dāng)時(shí)繼美國（2002年）之后國際上第2個(gè)實(shí)現(xiàn)激光增材制造鈦合金小型、次承力構(gòu)件實(shí)際裝機(jī)工程應(yīng)用的國家。在此基礎(chǔ)上，2007年突破了飛機(jī)鈦合金大型、主承力構(gòu)件激光增材制造工藝、工程成套裝備、構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量及力學(xué)性能控制關(guān)鍵技術(shù)并初步建立了整套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，研制出了具有系列核心技術(shù)、構(gòu)件制造能力達(dá)4 000 mm×3 000 mm×2 000 mm的飛機(jī)鈦合金構(gòu)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(fù)雜、主承力飛機(jī)加強(qiáng)框等關(guān)鍵構(gòu)件（見圖3）以及A100等超高強(qiáng)度鋼飛機(jī)起落架關(guān)鍵構(gòu)件，2008年以來先后在包括C919大型客機(jī)等大飛機(jī)在內(nèi)的多種型號(hào)飛機(jī)的研制和生產(chǎn)中工程應(yīng)用［2］。這一可喜突破也使我國成為目前世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型整體主承力構(gòu)件激光增材制造技術(shù)并裝機(jī)工程應(yīng)用的國家。

圖3 北京航空航天大學(xué)激光增材制造的鈦合金飛機(jī)大型關(guān)鍵主承力構(gòu)件Fig.3 Large critical load-carrying titanium aircraft components made during laser additive manufacturing process at Beihang University

2 面臨的材料基礎(chǔ)問題

高性能大型金屬構(gòu)件的激光熔化沉積增材制造，通過長期激光逐點(diǎn)掃描、逐線搭接、逐層熔化凝固堆積（增材制造），實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜零件的“近凈成形”，實(shí)際上是激光超常冶金/快速凝固高性能“材料制備”與大型復(fù)雜構(gòu)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(fù)雜，同時(shí)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(dòng)熔池的“激光超常冶金”、移動(dòng)熔池在超高溫度梯度和強(qiáng)約束條件下的“快速凝固”及逐層堆積三維構(gòu)件“內(nèi)部質(zhì)量演化”、復(fù)雜約束長期循環(huán)條件下“熱應(yīng)力演化”等。材料冶金和熱力耦合等極其復(fù)雜的現(xiàn)象耦合發(fā)生并相互強(qiáng)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(xué)問題的研究，不僅是切實(shí)解決“熱應(yīng)力控制和變形開裂預(yù)防”及構(gòu)件“內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能控制”等長期制約高性能大型金屬構(gòu)件激光增材制造發(fā)展和應(yīng)用“瓶頸難題”的基礎(chǔ)，更是決定該技術(shù)優(yōu)勢能否得以充分發(fā)揮并走向工程應(yīng)用推廣的基礎(chǔ)。

筆者認(rèn)為，能否實(shí)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(guān)鍵構(gòu)件的激光增材制造及其“成形/成性一體化”主動(dòng)控制和更快走向工程推廣應(yīng)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(chǔ)問題的研究和認(rèn)識(shí)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(jī)制

高性能大型金屬構(gòu)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(shí)現(xiàn)三維致密金屬構(gòu)件的“成形制造”。增材制造效率低，被認(rèn)為是制約金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)發(fā)展的主要缺點(diǎn)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(gòu)件本體的熱傳導(dǎo)（無效能量）等基本問題，才能解決有效提高金屬構(gòu)件激光熔化沉積增材制造效率等技術(shù)問題。事實(shí)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(lǐng)域長期未明確回答的基本問題。

筆者認(rèn)為，上述問題的解決依賴于人們對金屬構(gòu)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(zhuǎn)化行為進(jìn)行深入的理論和試驗(yàn)研究。只有通過研究找出激光能量的主導(dǎo)吸收機(jī)制和池底熱傳導(dǎo)的主導(dǎo)控制因素，才能有效實(shí)現(xiàn)對激光吸收率、吸收激光能量的有效利用率和金屬構(gòu)件激光增材制造效率的主動(dòng)控制。

2.2 內(nèi)部冶金缺陷形成機(jī)制及力學(xué)行為

在高功率激光束長期循環(huán)往復(fù)“逐點(diǎn)掃描熔化-逐線掃描搭接-逐層凝固堆積”的大型金屬構(gòu)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(dòng)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(nèi)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(nèi)部等局部區(qū)域產(chǎn)生各種特殊的內(nèi)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(xì)陶瓷加雜物、內(nèi)部特殊裂紋等）并影響最終成形零件的內(nèi)部質(zhì)量、力學(xué)性能和構(gòu)件的服役使用安全［2］。事實(shí)上，內(nèi)部冶金缺陷控制是一直是關(guān)鍵技術(shù)之一。

筆者認(rèn)為，要有效解決上述長期制約大型金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的內(nèi)部缺陷控制問題，實(shí)現(xiàn)金屬零件激光增材制造過程內(nèi)部缺陷主動(dòng)控制、建立可靠的內(nèi)部缺陷無損檢驗(yàn)方法并使激光增材制造金屬構(gòu)件得到實(shí)際工程化應(yīng)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(jìn)行系統(tǒng)深入研究：

1）激光增材制造特有的內(nèi)部冶金缺陷的基本特征、形成機(jī)理及控制方法。

2）激光增材制造特有的內(nèi)部冶金缺陷在電磁場、超聲波等外物理場或外介質(zhì)中的物理化學(xué)響應(yīng)行為、無損檢驗(yàn)特性及方法。

3）激光增材制造特有的內(nèi)部缺陷的微觀力學(xué)行為、對材料及構(gòu)件力學(xué)性能的影響規(guī)律及缺陷損傷容限特性。

2.3 移動(dòng)熔池約束凝固行為及構(gòu)件晶粒形態(tài)演化規(guī)律

大型金屬構(gòu)件的激光逐層熔化沉積增材制造過程，實(shí)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(dǎo)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(dòng)熔池中合金熔體的冶金動(dòng)力學(xué)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(gòu)件的冶金組織（如晶粒尺寸、晶粒形態(tài)、晶體取向、晶界結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分均勻性等）和力學(xué)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(fù)雜多變性，給零件內(nèi)部冶金組織一致性和力學(xué)性能穩(wěn)定性控制帶來巨大困難。

顯然，要實(shí)現(xiàn)對激光增材制造大型金屬構(gòu)件凝固組織和力學(xué)性能的主動(dòng)控制，建立構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)和取向及構(gòu)件不同部位晶粒形態(tài)與取向的主動(dòng)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(guān)激光增材制造大型金屬構(gòu)件快速凝固行為、構(gòu)件凝固組織演化規(guī)律等系列關(guān)鍵物理冶金基礎(chǔ)問題的研究：

1）大型金屬構(gòu)件激光熔化沉積增材制造過程移動(dòng)熔池激光超常冶金動(dòng)力學(xué)特性及其熱質(zhì)傳輸行為。

2）超高溫度梯度和強(qiáng)約束下移動(dòng)熔池快速凝固非均勻形核與生長動(dòng)力學(xué)特性及熔池局部凝固組織演化規(guī)律。

3）移動(dòng)熔池局部凝固晶粒形態(tài)演化機(jī)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(shí)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(guān)鍵零部件用的鈦合金、鎳基高溫合金、高強(qiáng)鋁合金及高強(qiáng)合金鋼等高性能金屬結(jié)構(gòu)材料，其合金化程度高、固態(tài)相變過程復(fù)雜，顯微組織和力學(xué)性能表現(xiàn)出對固態(tài)相變的極端多變性和復(fù)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(gòu)件的激光增材制造過程，實(shí)際上是一個(gè)幾個(gè)熔化“逐點(diǎn)掃描-逐線搭接-逐層堆積”的長期循環(huán)往復(fù)過程，在長時(shí)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(shí)熱歷史，即構(gòu)件不同部位的材料均經(jīng)受了如圖4所示的一系列短時(shí)、變溫、非穩(wěn)態(tài)、強(qiáng)約束、循環(huán)固態(tài)相變過程或微熱處理（Micro-heat Treatment）過程。這種微熱處理的加熱及冷卻速度極快、相變持續(xù)時(shí)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(shí)間均隨熱循環(huán)次數(shù)的變化而變化，導(dǎo)致激光增材制造金屬構(gòu)件的顯微組織結(jié)構(gòu)獨(dú)特并表現(xiàn)出對激光增材制造工藝條件的強(qiáng)烈依賴性和多變性。金屬構(gòu)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(dòng)力學(xué)特性，將與傳統(tǒng)熱處理固態(tài)相變存在巨大差異，有關(guān)上述金屬固態(tài)相變特性的研究尚鮮有報(bào)道。

圖4 金屬構(gòu)件激光熔化沉積增材制造過程中的熱環(huán)循及其循環(huán)微熱處理固態(tài)相變示意圖Fig.4 Schematic of solid-state thermal history and its cyclic micro-heat treatment effect during laser melting deposition additive manufacturing of metallic components

另一方面，激光增材制造過程極端超常的固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)條件也為獲得超常特殊顯微組織和力學(xué)性能提供了新的機(jī)會(huì)。

因此，要實(shí)現(xiàn)對激光增材制造大型金屬構(gòu)件固態(tài)相變顯微組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的主動(dòng)控制并充分挖掘激光增材制造超常極端固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)條件調(diào)控顯微組織的獨(dú)特潛力，以下有關(guān)金屬激光增材制造過程短時(shí)、循環(huán)固態(tài)相變等基礎(chǔ)問題有待深入認(rèn)識(shí)：

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(shí)循環(huán)固態(tài)相變熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)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(yīng)力梯度耦合作用下金屬的短時(shí)循環(huán)固態(tài)相變行為和顯微組織形成機(jī)理等。

2.5 內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律及構(gòu)件變形開裂預(yù)防控制

大型金屬構(gòu)件激光熔化逐層沉積增材制造過程的材料物理、化學(xué)和冶金現(xiàn)象復(fù)雜，成形時(shí)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(shí)非平衡循環(huán)固態(tài)相變（見圖4）。強(qiáng)約束下移動(dòng)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(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力水平很高、演化及交互作用過程極其復(fù)雜的熱應(yīng)力、相變組織應(yīng)力和約束應(yīng)力及其強(qiáng)烈非線性強(qiáng)耦合交互作用和應(yīng)力集中，導(dǎo)致零件嚴(yán)重翹曲變形和開裂［3，15，17-18］。

由于對激光增材制造過程內(nèi)應(yīng)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(rèn)識(shí)，致使國內(nèi)外主要研究對象還限于小型復(fù)雜構(gòu)件。內(nèi)應(yīng)力控制及變形開裂成為長期制約大型金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)發(fā)展的瓶頸難題。筆者認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)對大型金屬構(gòu)件激光增材制造過程內(nèi)應(yīng)力的有效控制、有效預(yù)防大型金屬構(gòu)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(gòu)件的幾何形狀尺寸精度，須深入研究以下4個(gè)有關(guān)激光材料熱物理相關(guān)的基礎(chǔ)問題：

1）周期性、非穩(wěn)態(tài)、長期熱循環(huán)作用下構(gòu)件熱/力耦合行為、“熱應(yīng)力”演化規(guī)律及其與激光增材制造工藝條件和零件結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)關(guān)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(shí)約束固態(tài)相變/力學(xué)耦合行為、組織應(yīng)力形成規(guī)律及控制方法。

3）超高溫度梯度作用下移動(dòng)熔池的“約束快速凝固收縮應(yīng)力”形成機(jī)理及演化規(guī)律。

4）激光增材制造過程中零件熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、凝固收縮應(yīng)力的非穩(wěn)態(tài)耦合交互作用、應(yīng)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(jié)束語

1）大型金屬構(gòu)件激光熔化沉積增材制造技術(shù)，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅?、短流程、低成本、“控?控性”一體化、綠色、變革性、數(shù)字制造技術(shù)；該技術(shù)的發(fā)展有望為工業(yè)高端裝備中鈦合金、鎳基合金、高強(qiáng)鋁合金、特殊合金鋼等價(jià)昂、難熔、難加工、高活性等高性能金屬材料大型關(guān)鍵構(gòu)件的快速、低成本、數(shù)字化制造提供一條技術(shù)新途徑。

2）大型金屬構(gòu)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(gòu)件直接制造”有機(jī)融合的“成形/成性一體化”一體化的過程。高性能大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)能否得到快速發(fā)展和工程推廣應(yīng)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(jī)制、內(nèi)部冶金缺陷形成機(jī)制及力學(xué)行為、移動(dòng)熔池約束凝固行為及構(gòu)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(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律及構(gòu)件變形開裂預(yù)防方法等非平衡材料基礎(chǔ)問題的研究深度。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ Lu B H，Li D C.Development of the additive manufacturing（3D printing）technology［J］.Mechanical Building and Automation，2013，42（4）：1-4.（in Chinese）盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術(shù)發(fā)展［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，42（4）：1-4.

［2］ Arcella F G，F(xiàn)roes F H.Producing titanium aerospace components from powder using laser forming［J］.JOM，2000，52（5）：28-30.

［3］ Wang H M，Zhang S Q，Wang X M.Progress and challenges of laser direct manufacturing of large titanium structural components［J］.Chinese Journal of Lasers，2009，36（12）：3204-3209.（in Chinese）王華明，張述泉，王向明.大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造的進(jìn)展及挑戰(zhàn)［J］.中國激光，2009，36（12）：3204-3209.

［4］ Breinan E M，Kear B H.Rapid solidification laser processing at high power density［J］.Materials Processing-Theory and Practices，1983，3：235-295.

［5］ US National Science and Technology Council.National network for manufacturing innovation：a preliminary design［EB/OL］.（2013-01-10）［2014-07-22］.http：//www.whitehouse.gov/sites/default/files/microsites/ostp/nstc_nnmi_prelim_design_final.pdf.

［6］ Gamann M，Bezencon C，Canalis P，et al.Single-crystal laser deposition of super-alloys：processing-microstructure maps［J］.Acta Materialia，2001，49（6）：1051-1062.

［7］ Dinda G P，Dasgupta A K，Mazumder J.Laser aided direct metal deposition of Inconel 625 superalloy：Microstructural evolution and thermal stability［J］.Materials Science and Engineering：A，2009，509（1-2）：98-104.

［8］ Hussein N I S，Segal J，McCartney D G，et al.Microstructure formation in Waspaloy multilayer builds following direct metal deposition with laser and wire［J］.Materials Science and Engineering：A，2008，497（1-2）：260-269.

［9］ Moata R J，Pinkerton A J，Li L，et al.Residual stresses in laser direct metal deposited Waspaloy［J］.Materials Science and Engineering：A，2011，528（6）：2288-2298.

［10］ Susana D，Puskar J D，Brooks J A，et al.Quantitative characterization of porosity in stainless steel LENS powders and deposits［J］.Materials Characterization，2006，57（1）：36-43.

［11］ Wang L，F(xiàn)elicelli S D，Pratt P.Residual stresses in LENS-deposited AISI 410 stainless steel plates［J］.Materials Science and Engineering：A，2008，496（1-2）：234-241.

［12］ Yu J，Rombouts M，Maes G.Cracking behavior and mechanical properties of austenitic stainless steel parts produced by laser metal deposition［J］.Materials and Design，2013，45：228-235.

［13］ Amano R S，Rohatgi P K.Laser engineered net shaping process for SAE 4140 low alloy steel［J］.Materials Science and Engineering：A，2011，528（22-23）：6680-6693.

［14］ Kadiri H E，Wang L，Horstemeyer M F，et al.Phase transformations in low-alloy steel laser deposits［J］.Materials Science and Engineering：A，2008，494（1-2）：10-20.

［15］ Milewski J O，Thoma D J，F(xiàn)onseca J C，et al.Development of a near net shape processing method for rhenium using directed light fabrication［J］.Materials and Manufacturing Process，1998，13（5）：719-730.

［16］ Boyer R R.An overview of titanium use in the aerospace industry［J］.Materials Science and Engineering：A，1996，213（1-2）：103-114.

［17］ Kear B H，Breinan E M.Layerglazing，a new process for production and control of rapidly chilled metallurgical microstructure［J］.Metals Technology，1979，6（4）：121-129.

［18］ Baufeld B，Brandl E，van der Biest O.Wire based additive layer manufacturing：Comparison of micro-structure and mechanical properties of Ti-6Al-4V components fabricated by laser-beam deposition and shaped metal deposition［J］.Journal of Materials Processing Technology，2011，211（6）：1146-1158.

［19］ Brandl E，Palm F，Michailov V，et al.Mechanical properties of additive manufactured titanium （Ti-6Al-4V）blocks deposited by a solid-state laser and wire［J］.Materials and Design，2012，32（10）：4665-4675.

［20］ Gockel J，Beuth J.Understanding Ti-6Al-4V micro structure control in additive manufacturing via process maps［C］//24th International SFF Symposium-An Additive Manufacturing Conference.Austin，TX，2013：666-674.

［21］ Clark D，Whittaker M，Bache M R.Microstructural characterization of a prototype titanium alloy structure processed via direct laser deposition（DLD）［J］.Metallurgical and Materials Transactions：B，2012，43（2）：388-396.

［22］ Wang F D，Williams S，Colegrove P，et al.Microstructure and mechanical properties of wire and arc additive manufactured Ti-6Al-4V［J］.Metallurgical and Materials Transactions：A，2013，44（2）：968-977.

［23］ Arcella F G，Abbott D H，House M A，et al.Titanium alloy structures for airframe applications by the laser forming process［C］//41st Structures，Structural Dynamics，and Materials Conference and Exhibit.Atlanta，GA，2000：1465-1473.

［24］ Abbott D.Aero Met implementing novel Ti process［J］.Metal Powder Report，1998，53（2）：24-26.

［25］ Keicher D M，Smugeresky J E.The laser forming of metallic components using particulate materials［J］.JOM，1997，49（5）：51-54.

［26］ Kobryn P A，Semiatin S L.The laser additive manufacture of Ti-6Al-4V［J］.JOM，2001，53（9）：40-42.

［27］ Santos E C，Shiomi M，Osakada K，et al.Rapid manufacturing of metal components by laser forming［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006，46（12-13）：1459-1468.

［28］ He R，Wang H M.Fatigue crack nucleation and propagation behaviors of laser melting deposited Ti-6Al-2Zr-Mo-V alloy［J］.Materials Science and Engineering：A，2010，527（7-8）：1933-1937.

［29］ Liu C M，Wang H M，Tian X J，et al.Subtransus triplex heat treatment of laser melting deposited Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe near beta titanium alloy［J］.Materials Science and Engineering：A，2014，590：30-36.

［30］ Zhang S，Lin X，Huang W D，et al.Heat treatment microstructure and mechanical properties of laser solid forming Ti-6Al-4V alloy［J］.Rare Metals，2009，28（6）：537-544.

［31］ Li J，Wang H M.Microstructure and mechanical properties of rapid directionally solidified Ni-base superalloy Rene 41 by laser melting deposition manufacturing［J］.Materials Science and Engineering：A，2010，527（18-19）：4823-4829.

［32］ Zhang Y W，Zhang S Q，Wang H M.Microstructure and mechanical properties of directional rapidly solidified Nibase superalloy Rene95 by laser melting deposition manufacturing［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2008，37（1）：169-172.（in Chinese）張亞瑋，張述泉，王華明.激光熔化沉積定向快速凝固高溫合金組織與性能［J］.稀有金屬材料與工程，2008，37（1）：169-172.

［33］ Liu F，Lin X，Leng H，et al.Microstructure changes in a laser solid forming Inconel 718 superalloy thin wall in the deposition direction［J］.Optics and Laser Technology，2013，45：330-335.

［34］ Ma M M，Wang Z M，Zeng X Y，et al.Control of shape and performance for direct laser fabrication of precision large-scale metal parts with 316L stainless steel［J］.Optics and Laser Technology，2013，45：209-216.

［35］ Lu Z L，Li D C，Lu B H，et al.Investigation into the direct laser forming process of steam turbine blade［J］.Optics and Laser in Engineering，2011，49（9-10）：1101-1110.

［36］ Zhang Y J，Yu G，He X L，et al.Numerical and experimental investigation of multilayer SS410 thin wall built by laser direct metal deposition［J］.Journal of Materials Processing Technology，2012，212（1）：106-112.

［37］ Song M H，Lin X，Huang W D，et al.Influence of forming atmosphere on the deposition characteristics of 2Cr13 stainless steel during laser solid forming［J］.Journal of Materials Processing Technology，2014，214（3）：701-709.

［38］ Yan M，Zhang S Q，Wang H M.Solidification microstructure and mechanical properties of corrosion-resistant ultrahigh strength steel Aer Met 100 fabricated by laser melting deposition［J］.Acta Metallurgica Sinica，2007，43（5）：472-476.（in Chinese）顏敏，張述泉，王華明.激光熔化沉積Aer Met 100耐蝕超高強(qiáng)度鋼的凝固組織及力學(xué)性能［J］.金屬學(xué)報(bào)，2007，43（5）：472-476.

［39］ Dong C，Zhang S Q，Li A，et al.Microstructure of ultrahigh strength steel 300M fabricated by laser melting deposition［J］.Acta Metallurgica Sinica，2008，44（5）：598-602.（in Chinese）董翠，張述泉，李安，等.激光熔化沉積300M超高強(qiáng)度鋼的顯微組織［J］.金屬學(xué)報(bào)，2008，44（5）：598-602.

［40］ Zhong M L，Liu W J，Ning G Q，et al.Laser direct manufacturing of tungsten nickel collimation component［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，147（2）：167-173.

［41］ Wang Y D，Tang H B，Wang H M，et al.Microstructure and mechanical properties of laser meting deposited 1Cr12Ni2WMo VNb steel［J］.Materials Science and Engineering：A，2010，527（18-19）：4804-4809.

［42］ Qu H P，Wang H M.Microstructure and mechanical properties of laser meting deposited gamma-TiAl intermetallic alloys［J］.Materials Science and Engineering：A，2007，466（1-2）：187-194.

［43］ Xu X，Lin X，Huang W D，et al.Microstructure evolution of laser solid forming of Ti-50wt%Ni alloy［J］.Journal of Alloys and Compounds，2009，480（2）：782-787.

［44］ Liu D，Zhang S Q，Wang H M，et al.Microstructure and tensile properties of laser melting deposited TiC/TA15 titanium matrix composites［J］.Journal of Alloys and Compounds，2009，485（1-2）：156-162.

［45］ Lin X，Yue T M，Huang W D，et al.Microstructure and phase evolution in laser rapid forming of a functionally graded Ti-Rene88DT alloy［J］.Acta Materialia，2006，54（7）：1901-1915.

［46］ Qu H P，Zhang S Q，Li A，et al.Microstructure and mechanical properties of laser melting deposition（LMD）Ti/TiAl structural gradient material［J］.Materials and Design，2010，31（1）：574-582.