航空典型金屬材料增材制造組織、缺陷、表面、構(gòu)型研究進(jìn)展

張學(xué)軍,陳冰清

（1.中國(guó)航發(fā)增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100095；2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 3D 打印研究與工程技術(shù)中心，北京 100095）

金屬增材制造也被稱為3D 打印，是繼鑄造、鍛造之后發(fā)展起來(lái)的又一種先進(jìn)的成形方法。金屬增材制造是基于離散-堆積原理，通過(guò)材料逐層堆積來(lái)實(shí)現(xiàn)零件制造。它是利用切片軟件將成形零件3D 數(shù)模沿橫向切成一系列“薄片”，打印設(shè)備按照規(guī)劃路徑打印出每一層“薄片”，層層“薄片”自下而上疊加形成三維實(shí)體零件[1-3]。

金屬增材制造可根據(jù)送進(jìn)材料方式不同，分為直接能量沉積（directed energy deposition，DED）、粉末床熔融（powder bed fusion，PBF）兩類。根據(jù)熱源和打印材料形態(tài)不同，又細(xì)分為激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）、電子束選區(qū)熔化（electron beam selective melting，EBSM）、激光直接熔化成形（laser direct melting deposition，LDMD）、電子束熔絲沉積成形（electron beam freeform fabrication，EBF）、電弧熔絲成形（wire and arc additive manufacturing，WAAM）等[4-6]。

與傳統(tǒng)鑄造、鍛造方法相比，金屬增材制造技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是：不需要模具、型殼、型芯等輔助制品，制造初始投入少，制造流程短、周期短；研制過(guò)程中可隨時(shí)修改零件3D 數(shù)模，能夠?qū)崿F(xiàn)快速迭代[7-8]。此外，增材制造還有其他優(yōu)勢(shì)，例如材料利用率高、生產(chǎn)成本低、可用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化、一體化設(shè)計(jì)和制造等[9-10]；但不是所有增材制造零件都具有這些優(yōu)勢(shì)，這與零件構(gòu)型、功能、生產(chǎn)批量密切相關(guān)。

增材制造技術(shù)開(kāi)始于20 世紀(jì)80 年代，從2012年開(kāi)始被廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是未來(lái)“顛覆性技術(shù)”之一，吸引了全球多個(gè)大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)、政府機(jī)構(gòu)的廣泛參與。到目前為止，增材制造技術(shù)研究、領(lǐng)域應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)發(fā)展，都取得了顯著進(jìn)展[11-18]。

在航空領(lǐng)域，金屬增材制造零件應(yīng)用發(fā)展很快。國(guó)外，GE、羅羅、普惠、賽峰、波音、空客等開(kāi)展了大量研制工作，其中燃油噴嘴、傳感器外殼、熱交換器、粒子分離器、燃燒室混合器、鈦鋁葉片、整體葉輪、輕質(zhì)接頭、擾流板等實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用[19-21]。國(guó)內(nèi)，中國(guó)航發(fā)、中國(guó)航空工業(yè)、中國(guó)商飛等單位也投入了大量人力物力，研制了噴嘴/噴桿類、管路/殼體類、支板/支架/拉桿類、機(jī)匣/環(huán)形件類、盤/片類、短梁/框梁類、點(diǎn)陣/格柵類等結(jié)構(gòu)和零件，部分零件實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。

在航空領(lǐng)域，金屬增材制造技術(shù)研究不斷深入。國(guó)內(nèi)外在基于增材制造的新材料設(shè)計(jì)和制備、材料和零件打印工藝開(kāi)發(fā)、材料熱處理和零件表面處理、微缺陷和復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)價(jià)、模擬仿真和新設(shè)備開(kāi)發(fā)等方面開(kāi)展了大量的全流程研究工作[22-30]，關(guān)鍵共性技術(shù)被不斷突破，正是這些技術(shù)的研究和突破，推動(dòng)了上述零件在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。

金屬增材制造零件是由成千上萬(wàn)條焊道沿著不同方向堆疊而成，其本質(zhì)是焊接，其內(nèi)在機(jī)制遵循焊接原理和規(guī)律。所以，不管哪個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)研究，都要面對(duì)打印材料和零件的氣孔、裂紋、夾雜、未熔合、變形、性能等問(wèn)題，對(duì)于航空關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，可歸納為兩方面：一是組織、缺陷特征及對(duì)壽命、可靠性的影響規(guī)律；二是影響結(jié)構(gòu)服役性能的要素和控制方法。

針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)航發(fā)增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心開(kāi)展了大量的應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作，本文分析中心近些年獲得的研究數(shù)據(jù)和研究中發(fā)現(xiàn)的一些現(xiàn)象，總結(jié)一些共性規(guī)律，期望能為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用評(píng)價(jià)提供參考。

1 金屬增材制造組織

1.1 組織接續(xù)生長(zhǎng)特征

金屬增材制造是熱源快速熔化金屬形成熔池，熔池連續(xù)快速凝固形成焊道，多條焊道搭接鋪展形成焊層，層層疊加形成結(jié)構(gòu)的過(guò)程，激光選區(qū)熔化堆疊過(guò)程見(jiàn)圖1。熱源快速掃描時(shí)，形成的熔池很小，金屬熔化和凝固速度很快，后一層對(duì)前一層局部重熔，分層掃描凝固過(guò)程不連續(xù)，這個(gè)過(guò)程決定了增材制造組織呈接續(xù)生長(zhǎng)特征。

圖1 激光選區(qū)熔化堆疊示意圖Fig.1 Diagram of selective laser melting（SLM) stack

根據(jù)凝固理論，外延生長(zhǎng)和擇優(yōu)生長(zhǎng)是熔池凝固的典型特征。液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程起始于固液界面處的基體晶粒表面。新晶粒形核后，以與基體晶粒相同的晶體學(xué)取向向熔池中心生長(zhǎng)，即外延生長(zhǎng)。晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中，沿?fù)駜?yōu)生長(zhǎng)方向的長(zhǎng)大速度最快；同時(shí)，垂直于熔池固液界面方向的溫度梯度最大、散熱速度最快，更有利于晶粒生長(zhǎng)。因此，當(dāng)晶粒的擇優(yōu)生長(zhǎng)方向與最大溫度梯度方向一致時(shí)，晶粒生長(zhǎng)速度最快，并阻礙處于不利位向的晶粒生長(zhǎng)，從而形成具有一定取向的柱狀晶組織，即擇優(yōu)生長(zhǎng)（圖2）[31]。增材制造的層層堆疊過(guò)程，就是外延生長(zhǎng)和擇優(yōu)生長(zhǎng)不斷重復(fù)的過(guò)程，最終在縱向形成跨越多層沉積層的柱狀晶（圖3）。

圖2 外延生長(zhǎng)與擇優(yōu)生長(zhǎng)示意圖[31]Fig.2 Schematic diagram of epitaxial crystallization and orientation growth[31]

圖3 TB6 鈦合金激光直接熔化成形組織接續(xù)生長(zhǎng)形貌（1 號(hào)晶粒穿越9 層，2 號(hào)晶粒穿越11 層）Fig.3 Continuous growing microstructure morphology of TB6 titanium alloy formed by laser direct melting deposition(LDMD)（Grain 1 through 9 layers，Grain 2 through 11 layers）

1.2 組織接續(xù)生長(zhǎng)影響因素

（1）合金影響

鎳、鈷、鈦及其合金都有較強(qiáng)的組織接續(xù)生長(zhǎng)能力，激光選區(qū)熔化柱狀晶一般可以穿越2～5 個(gè)焊層，呈相互交叉、嚙合、嵌套狀態(tài)（圖4（a）～（c））。增材制造熔池結(jié)晶遵循金屬凝固理論，取決于凝固前沿溫度梯度G和凝固速度R。與鑄造相比，增材制造熔池尺寸很小，熔池與固態(tài)金屬界面曲率極大，固液界面法線方向連續(xù)變化，當(dāng)最大溫度梯度與界面晶粒易結(jié)晶取向一致時(shí)，晶粒就接續(xù)生長(zhǎng)，不一致時(shí)生長(zhǎng)被抑制，從而形成了相互交叉、嚙合形貌的柱狀晶。另外，激光選區(qū)熔化相鄰兩層焊道存在67°交角，熔池最大溫度梯度方向周期性變化，原有的生長(zhǎng)方向不再是最優(yōu)的結(jié)晶方向，晶粒停止生長(zhǎng)。由于這種周期性變化，促進(jìn)了縱向柱狀晶組織呈交叉、嚙合、嵌套式生長(zhǎng)。鋁合金組織接續(xù)生長(zhǎng)趨勢(shì)一般較弱，只有少數(shù)柱狀晶接續(xù)生長(zhǎng)穿越到下一層（圖4（d））。

圖4 不同合金激光選區(qū)熔化組織接續(xù)生長(zhǎng)特征（a）GH4169，Z 向；（b）TB6，Z 向；（c）GH5188，Z 向；（d）AlMgSc，Z 向Fig.4 Continuous growing microstructure characteristics of different SLM alloys（a）GH4169，Z-direction；（b）TB6，Z-direction；（c）GH5188，Z-direction；（d）AlMgSc，Z-direction

（2）工藝方法和參數(shù)影響

不同成形方法熱源斑點(diǎn)直徑、掃描速度、線能量密度不同，形成的熔池尺度、形狀和凝固速度不同。激光選區(qū)熔化熔池寬度約0.1～0.2 mm，電子束選區(qū)熔化熔池寬度約0.5～2.0 mm，掃描速度快，熔池凝固時(shí)間極短，熔池不穩(wěn)定。激光直接熔化、電子束熔絲、電弧熔絲熔池寬度可達(dá)10 mm 以上，掃描速度慢，熔池凝固時(shí)間較長(zhǎng)，掃描方向變化簡(jiǎn)單，熔池相對(duì)穩(wěn)定。因此，直接能量沉積（DED）相比于粉末床熔融（PBF），更容易建立接續(xù)生長(zhǎng)的條件，一般更容易形成大尺度的柱狀晶。電子束選區(qū)熔化由于有1000～1150 ℃的預(yù)熱，有利于建立穩(wěn)定的結(jié)晶環(huán)境，特別容易形成柱狀晶，單個(gè)柱狀晶可長(zhǎng)至幾到幾十毫米，甚至可長(zhǎng)成單晶組織（圖5）[32]。

圖5 激光直接熔化和電子束選區(qū)熔化組織接續(xù)生長(zhǎng)特征（a）TB6，激光直接熔化Z 向；（b）GH4169，電子束選區(qū)熔化Z 向；（c）鎳基單晶高溫合金，電子束選區(qū)熔化Z 向[32]Fig.5 Continuous growing microstructure characteristics of alloys formed by LDMD and electron beam selective melting(EBSM)（a）LDMD TB6，Z direction；（b）EBSM GH4169，Z direction；（c）EBSM Ni-base single crystal superalloy，Z direction[32]

1.3 組織對(duì)力學(xué)性能的影響

增材制造組織沿著縱向接續(xù)生長(zhǎng)形成不同尺度的柱狀晶，其尺寸、形貌影響材料的力學(xué)性能。通常，沿著柱狀晶方向的定向凝固合金，強(qiáng)度較高，垂直柱狀晶方向，強(qiáng)度較低[33]；但增材制造形成的柱狀晶不完整，呈交叉、嚙合、嵌套狀態(tài)，即“斷頭晶”，這樣的柱狀晶往往降低了強(qiáng)度，表現(xiàn)為橫向強(qiáng)度高、縱向強(qiáng)度低，且柱狀晶長(zhǎng)寬比越大、越平直，材料橫縱強(qiáng)度差越大。圖6 是GH3625、TA15、TC18、TC4 合金激光直接熔化成形材料在標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度下的橫向和縱向抗拉強(qiáng)度，橫向強(qiáng)度均比縱向高。這是由于激光直接熔化成形的柱狀晶長(zhǎng)寬比大、晶界平直，平直晶界在切向應(yīng)力下更容易滑移開(kāi)裂。圖7 是六種合金激光選區(qū)熔化成形材料在標(biāo)準(zhǔn)熱處理下的橫向和縱向抗拉強(qiáng)度，GH4169、GH3536、GH5188 合金橫向抗拉強(qiáng)度比縱向高，TC4、TA15 合金橫向偏低或相當(dāng)，AlSi10Mg 合金橫向、縱向性能相當(dāng)。這是由于鎳基、鈷基合金激光選區(qū)熔化柱狀晶相對(duì)發(fā)達(dá)，鈦合金柱狀晶不發(fā)達(dá)且呈交叉、嚙合、嵌套狀態(tài)，鋁合金以較為細(xì)小的等軸晶為主，這種組織形貌差異影響了材料的橫向、縱向性能。

圖6 不同合金激光直接熔化成形橫向和縱向性能Fig.6 Transverse and longitudinal mechanical properties of LDMD different alloys

圖7 激光選區(qū)熔化典型合金橫向和縱向性能Fig.7 Mechanical properties of typical SLM alloys in transverse and longitudinal direction

2 金屬增材制造缺陷

2.1 氣孔

氣孔是金屬增材制造最常見(jiàn)缺陷[34-37]，氣孔降低了結(jié)構(gòu)有效工作截面，增加了應(yīng)力集中，過(guò)多的氣孔降低了結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和疲勞性能。增材制造氣孔可以用致密度、數(shù)量、尺寸三個(gè)指標(biāo)描述。

增材制造鈦合金、高溫合金、鋁合金等金屬材料中存在大量氣孔。鎳基高溫合金、鈦合金中，每立方厘米內(nèi)的氣孔數(shù)量約為1000 個(gè)，而鋁合金每立方厘米內(nèi)的氣孔數(shù)量可達(dá)約3000 個(gè)。由于CT 設(shè)備檢測(cè)精度有限，檢測(cè)時(shí)只統(tǒng)計(jì)了直徑大于10 μm 的氣孔。激光選區(qū)熔化氣孔直徑主要分布在10～70 μm 之間，約占總數(shù)的99%以上，分布峰值約20～40 μm，直徑超過(guò)400 μm 的氣孔極少（圖8）。激光直接熔化、電子束熔絲、電弧熔絲成形金屬中氣孔數(shù)量要少得多，但氣孔直徑一般較大，可達(dá)1 mm 以上。

圖8 激光選區(qū)熔化三類合金氣孔數(shù)量和最大直徑（4 批次統(tǒng)計(jì)值）（a）TC4；（b）GH4169；（c）AlSi10MgFig.8 Pore number and maximum diameter of three types of SLM alloys（statistical values of 4 batches）（a）TC4；（b）GH4169；（c）AlSi10Mg

表1 是采用微納CT 檢測(cè)?5 m 試樣，獲得鈦合金、鎳基高溫合金、鋁合金的致密度、氣孔數(shù)量、氣孔直徑的多批次統(tǒng)計(jì)值。由表1 可以看出，同種合金不同批次的試樣致密度、氣孔數(shù)量、氣孔直徑差異很大，這與粉末、工藝參數(shù)、掃描策略有關(guān)。

表1 激光選區(qū)熔化三類合金致密度、氣孔數(shù)量和最大直徑（統(tǒng)計(jì)值）Table 1 Density，pore number and maximum diameter of three types of SLM alloys（statistical values）

增材制造氣孔形成有三種途徑：

（1）卷入型氣孔。激光熔化粉末時(shí)形成“匙孔效應(yīng)”，在液態(tài)金屬中的激光束末端形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定的空腔，激光束快速移動(dòng)時(shí)，不穩(wěn)定的空腔被凝固在金屬中而形成氣孔[33]。

（2）帶入型氣孔。氣體主要由空心粉末帶入，粉末熔化后空心粉末內(nèi)的氣體來(lái)不及上浮逸出形成氣孔，氣孔的大小和形貌與空心粉中的孔洞相似。

（3）析出型氣孔。氣體主要來(lái)源于粉末表面吸附、溶解析出、反應(yīng)析出等。氣泡在液態(tài)金屬中經(jīng)歷形核、長(zhǎng)大、逸出過(guò)程，氣泡最終是否形成氣孔，取決于氣泡是否能夠在金屬凝固之前逸出熔池。

激光選區(qū)熔化由于熔化和凝固過(guò)程極快，粉末吸附和溶解的氣體、空心粉中的氣體來(lái)不及長(zhǎng)大和逸出，大多形成了幾至幾十微米隨機(jī)分布的氣孔（圖9）。因此，受潮粉末、空心粉率高的粉末，成形的材料致密度下降、氣孔數(shù)量急劇增加。

圖9 GH4169 合金激光選區(qū)熔化過(guò)程形成的氣孔Fig.9 Pores formed in GH4169 alloy during SLM process

一定范圍內(nèi)的小尺寸氣孔對(duì)靜力學(xué)性能影響不大，99.99%與99.9999%致密度的試樣抗拉強(qiáng)度最大差值為21 MPa（圖10）。圖10 中用致密度反映氣孔的數(shù)量，12 根拉伸試樣中有一根試樣存在兩個(gè)超過(guò)200 μm 的氣孔，最大的為268 μm，其他試樣氣孔均小于200 μm。

圖10 激光選區(qū)熔化GH4169 合金致密度與抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的關(guān)系（a）抗拉強(qiáng)度；（b）伸長(zhǎng)率Fig.10 Relationship between density of SLM GH4169 alloy with tensile strength and elongation（a）tensile strength；（b）elongation

氣孔會(huì)導(dǎo)致材料疲勞壽命表現(xiàn)出較大的波動(dòng)性。同樣是致密度99.99%、氣孔尺寸集中分布于80～130 μm 的3 根TC4 鈦合金試樣，疲勞壽命分 別為5.49×106、1×107及1×107，相差450 萬(wàn)次以上。

氣孔數(shù)量、尺寸、分布影響疲勞壽命，其中氣孔分布影響最大[38-39]。如果氣孔位于表面或近表面，即便尺寸很小，也會(huì)成為疲勞裂紋源；如果氣孔位置在材料內(nèi)部，即使尺寸較大也不易成為裂紋源（圖11）。裂紋萌生階段占整個(gè)疲勞壽命的90%以上，表面和近表面存在氣孔，大大縮短了疲勞裂紋萌生時(shí)間，因此顯著降低疲勞壽命。所以，對(duì)于承受疲勞載荷的零件來(lái)說(shuō)，應(yīng)特別關(guān)注增材制造零件表面和近表面狀態(tài)。

圖11 激光選區(qū)熔化TC4 鈦合金試樣疲勞裂紋源（a）表面氣孔成為疲勞裂紋源；（b）表面其他缺陷成為疲勞裂紋源Fig.11 Fatigue crack source of SLM TC4 titanium alloy sample（a）surface porosity；（b）other defects on surface

2.2 裂紋

增材制造裂紋分為兩類，一類是熱裂紋，另一類是冷裂紋[40-47]。

（1）熱裂紋

增材制造熱裂紋主要是結(jié)晶裂紋，是熔池結(jié)晶后期處在固-液狀態(tài)時(shí)，在枝晶間形成了不連續(xù)的液態(tài)薄膜，焊縫冷卻收縮時(shí)，處于液態(tài)薄膜狀態(tài)的少量金屬在枝晶間既不能自由流動(dòng)填充，又不能承受凝固收縮時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而開(kāi)裂形成了結(jié)晶裂紋。由于這種固-液狀態(tài)下的金屬塑性很低，容易開(kāi)裂，因此稱為脆性溫度區(qū)間[48]。這種裂紋長(zhǎng)度多在晶粒尺度范圍內(nèi)，一般在幾十微米至一百微米之間（圖12）。增材制造鎳基合金、鈷基合金、高強(qiáng)鋁合金、高溫鈦合金等熱裂紋敏感性高的合金時(shí)，容易出現(xiàn)結(jié)晶裂紋。

圖12 激光選區(qū)熔化GH3536、GH5188 合金熱裂紋（a）GH3536；（b）GH5188；（1）結(jié)晶裂紋；（2）結(jié)晶裂紋表面Fig.12 Hot crack of SLM GH3536 and GH5188 alloys（a）GH3536；（b）GH5188；（1）crystalline crack；（2）surface of crystalline crack

影響結(jié)晶裂紋的因素主要有合金成分、工藝參數(shù)、成形方法等。合金成分是影響結(jié)晶裂紋的最主要因素。合金中溶質(zhì)元素的種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定著合金的結(jié)晶溫度區(qū)間，不同元素在合金中影響結(jié)晶溫度區(qū)間的程度不同，合金結(jié)晶溫度區(qū)間越大，脆性溫度區(qū)間也越大[49]，結(jié)晶裂紋傾向也越大。優(yōu)化打印工藝參數(shù)能在一定程度上減少結(jié)晶裂紋，但一般無(wú)法完全消除。成形方法主要影響柱狀晶尺寸，柱狀晶尺寸越大，越容易形成結(jié)晶裂紋。

顯然，增材制造熱裂紋提供了疲勞裂紋源，會(huì)顯著降低疲勞壽命，由于熱裂紋尺寸小，常規(guī)無(wú)損檢測(cè)很難發(fā)現(xiàn)，往往會(huì)漏檢，因此承受疲勞載荷結(jié)構(gòu)存在過(guò)早失效隱患；但對(duì)靜強(qiáng)度影響有限，特別是塑性好的材料，拉伸過(guò)程中裂紋張開(kāi)距離增大、尖端鈍化，但長(zhǎng)度不發(fā)生顯著擴(kuò)展（圖13），靜強(qiáng)度的降低主要來(lái)源于熱裂紋減少了材料截面積，因此在短時(shí)、大應(yīng)力、靜載荷環(huán)境下，增材制造零件應(yīng)允許存在一定尺寸和數(shù)量范圍內(nèi)的熱裂紋。

圖13 激光選區(qū)熔化GH3536 合金熱裂紋在不同拉應(yīng)力作用下裂紋張開(kāi)過(guò)程（a）0 MPa；（b）682 MPa；（c）729 MPaFig.13 Hot crack opening process of SLM GH3536 alloy under different tensile stresses（a）0 MPa；（b）682 MPa；（c）729 MPa

（2）冷裂紋

增材制造冷裂紋是由于多道多層成形時(shí)金屬反復(fù)加熱冷卻，在應(yīng)力集中區(qū)域累積殘余應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變超過(guò)了該區(qū)域的塑性而引起的開(kāi)裂。增材制造冷裂紋在鎳基合金、鈦合金、鋁合金、高強(qiáng)鋼及不銹鋼等結(jié)構(gòu)增材制造過(guò)程中都可能會(huì)出現(xiàn)，表現(xiàn)為成形材料室溫塑性越低、結(jié)構(gòu)尺寸越大、過(guò)渡圓角越小、結(jié)構(gòu)截面積急劇突變，越容易出現(xiàn)冷裂紋。冷裂紋可在成形過(guò)程中產(chǎn)生，也可在放置一段時(shí)間后或退火過(guò)程中產(chǎn)生，一般在零件截面突變、小過(guò)渡圓角區(qū)域萌生并擴(kuò)展，最終貫穿局部結(jié)構(gòu)，目視可見(jiàn)。

冷裂紋往往會(huì)導(dǎo)致零件報(bào)廢，造成很大浪費(fèi)。根據(jù)不同成形方法可以選擇預(yù)熱、中間退火、減少熱輸入、優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)等途徑抑制冷裂紋的產(chǎn)生。

2.3 未熔合

增材制造未熔合是指焊道與焊道之間、焊道內(nèi)部局部區(qū)域未完全熔化結(jié)合的現(xiàn)象（圖14）。增材制造未熔合同樣減小了結(jié)構(gòu)承載截面積，降低了結(jié)構(gòu)的承載能力，與增材制造氣孔、熱裂紋相比，有時(shí)危害更大。未熔合大致有兩種形態(tài)，一種是粉末顆粒以獨(dú)立個(gè)體存在的未熔合（圖14（a）、（b）），另一種是多個(gè)粉末顆粒聚集在一起連接成片的未熔合（圖14（c））。前者，粉末顆粒在打印材料中隨機(jī)出現(xiàn)，分布沒(méi)有規(guī)律，這可能與個(gè)別粉末顆粒表面氧化有關(guān)。后者主要由于是打印工藝參數(shù)不當(dāng)、設(shè)備不穩(wěn)定導(dǎo)致的。上述兩種狀態(tài)的未熔合，在激光選區(qū)熔化、激光直接熔化成形方法中比較常見(jiàn)。

圖14 增材制造未熔合形態(tài)（a）激光選區(qū)熔化GH4169 合金獨(dú)立粉末顆粒形成未熔合；（b）激光選區(qū)熔化AlSi10Mg 合金獨(dú)立粉末顆粒形成未熔合；（c）激光直接熔化GH3625 合金形成的片狀未熔合Fig.14 Morphologies of incomplete fusion in additive manufacturing（a）incomplete fusion formed by individual powder particles in SLM GH4169 alloy；（b）incomplete fusion formed by individual powder particles in SLM AlSi10Mg；（c）flake incomplete fusion formed in LDMD GH3625 alloy

產(chǎn)生未熔合的主要原因有：線能量密度偏低，粉末未充分熔化；焊道搭接過(guò)少；保護(hù)氣氛不佳；預(yù)置或送進(jìn)的粉末不均勻；液態(tài)金屬流動(dòng)性不佳；粉末被污染等。增材制造零件由成千上萬(wàn)條焊道堆疊而成，零件中出現(xiàn)未熔合的概率很高，特別是增材制造過(guò)程中人為干預(yù)較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且存在眾多交叉焊道、設(shè)備不穩(wěn)定時(shí)，更易出現(xiàn)未熔合缺陷。因此，增材制造工藝驗(yàn)證和打印過(guò)程控制尤為重要。

3 金屬增材制造表面

直接能量沉積成形的零件，表面留有加工余量，需要加工后使用，因此零件最終表面一般為機(jī)加工表面。激光選區(qū)熔化成形的復(fù)雜內(nèi)流道零件，內(nèi)表面無(wú)法有效加工，除了上述表面和近表面氣孔、熱裂紋，還需關(guān)注表面粗糙度問(wèn)題。

3.1 表面形貌

激光選區(qū)熔化成形由于受到傾斜角的影響，同一零件不同區(qū)域表面粗糙度不一致。把零件表面切線與水平方向形成的銳角叫傾斜角，銳角側(cè)表面叫下表面，對(duì)應(yīng)一側(cè)表面為上表面。目前看來(lái)，在不加支撐的情況下，45°傾斜角是衡量是否能打印的分界線，傾斜角大于45°時(shí)可以打印，小于45°時(shí)不易打印。激光選區(qū)熔化表面粗糙度隨著傾斜角增大而下降（表2）。零件中的上表面、垂直側(cè)面無(wú)傾斜角，不會(huì)出現(xiàn)液態(tài)金屬下榻和粘粉現(xiàn)象，表面粗糙度較好。

表2 GH3536 激光選區(qū)熔化板狀試樣不同傾斜角度上下表面粗糙度Table 2 Upper and lower surface roughness of SLM GH3536 plate samples at different tilt angles

零件中流道內(nèi)壁、橫向孔上表面等“上弧頂”區(qū)域，由于傾斜角很小，表面非常粗糙，是激光選區(qū)熔化成形復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)重點(diǎn)考慮的部位（圖15）。

圖15 GH3536 激光選區(qū)熔化橫向孔上表面形貌（a）?5 mm；（b）?3 mmFig.15 Surface morphology of transverse hole of SLM GH3536 alloy（a）?5 mm；（b）?3 mm

除了上述表面粗糙度不一致，激光選區(qū)熔化成形堆疊過(guò)程，還形成特有的表面微觀形貌。圖16是激光選區(qū)熔化成形GH3536 合金的側(cè)表面微觀形貌，可以看到明顯的金屬堆疊流線，同時(shí)嵌有大量的半熔化狀態(tài)粉末顆粒，這不同于傳統(tǒng)的鑄造、機(jī)械加工、擠壓成形表面，它同近表面氣孔、熱裂紋一起，共同影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和功能。

圖16 激光選區(qū)熔化成形側(cè)表面微觀形貌Fig.16 Micro morphology of side surface formed by SLM

3.2 表面影響

綜上所述，激光選區(qū)熔化內(nèi)流道表面需要重點(diǎn)關(guān)注兩方面問(wèn)題：一是表面狀態(tài)對(duì)疲勞等力學(xué)性能的影響；二是表面形貌對(duì)流體阻力、燃燒產(chǎn)物沉積等功能的影響。

材料具有尺寸效應(yīng)，通常情況下，承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)，隨著試樣尺寸增大，疲勞強(qiáng)度降低；承受拉伸和壓縮載荷時(shí)，尺寸變化對(duì)疲勞強(qiáng)度影響不大[50]。圖17 是激光選區(qū)熔化成形TC4 鈦合金縱向試樣表面為打印狀態(tài)和機(jī)械加工狀態(tài)下的疲勞曲線，其中打印狀態(tài)為打印后吹砂處理，機(jī)械加工狀態(tài)為打印后單邊機(jī)械加工去掉0.5 mm 余量。每個(gè)厚度的試樣，均采用疲勞載荷為R=－1 方式加載，用升降法測(cè)得疲勞極限。數(shù)據(jù)表明，隨著試樣厚度增加，機(jī)械加工表面試樣疲勞極限下降，基本符合鑄鍛材料的尺寸效應(yīng)。而打印表面試樣，0.3 mm厚度的疲勞極限最低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同厚度機(jī)械加工表面試樣，隨著試樣厚度的增加，疲勞極限增大，厚度到3.0 mm 時(shí)，打印表面和機(jī)械加工表面試樣疲勞極限接近。

圖17 TC4 鈦合金激光選區(qū)熔化板狀試樣疲勞性能Fig.17 Fatigue properties of SLM TC4 plate sample

激光選區(qū)熔化氣孔分布不均勻，一般在表面以下0～0.3 mm 內(nèi)形成氣孔富區(qū)集。TC4 鈦合金激光選區(qū)熔化不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。因此，打印表面試樣反常的尺寸效應(yīng)主要受表面狀態(tài)和近表面氣孔富集影響，也就是打印表面、近表面氣孔富集降低了疲勞性能。因此，承受疲勞載荷的零件，應(yīng)根據(jù)打印材料尺寸效應(yīng)的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行零件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。

對(duì)于內(nèi)流道結(jié)構(gòu)，粗糙的內(nèi)表面增加了氣體、液體的流動(dòng)阻力，對(duì)于燃?xì)馔ǖ澜Y(jié)構(gòu)，粗糙的內(nèi)表面會(huì)過(guò)快沉積燃燒產(chǎn)物，這些都會(huì)影響流道件的功能。表面形貌對(duì)內(nèi)流道結(jié)構(gòu)功能影響很復(fù)雜，本文不再贅述。

4 金屬增材制造構(gòu)型

一個(gè)具體零件是否能夠進(jìn)行集成設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)/功能一體化設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，并采用增材制造技術(shù)制造出來(lái)，要考慮兩類問(wèn)題：一是零件構(gòu)型是否滿足打印工藝要求，能否被打印出來(lái)；二是打印出來(lái)的零件力學(xué)性能和功能如何，能否滿足使用要求。

4.1 影響零件構(gòu)型的工藝因素

一個(gè)零件構(gòu)型是否滿足打印工藝要求，能否被打印出來(lái)，要考慮如下工藝因素。支撐的添加和去除、封閉內(nèi)腔粉末的清理、島狀特征及其不穩(wěn)定性、懸垂結(jié)構(gòu)、階梯效應(yīng)、細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)與鋪粉穩(wěn)定性、下表面夾角、孔徑尺寸及走向等，這些工藝因素都直接影響零件能否被順利打印出來(lái)。一個(gè)置于坐標(biāo)系中的復(fù)雜構(gòu)型零件，當(dāng)垂直Z軸切成若干層二維切片時(shí)，總是存在部分二維層片的某些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)處于不利于打印的位置，易產(chǎn)生局部翹曲、變形、開(kāi)裂等問(wèn)題，出現(xiàn)損傷刮刀、彈粉現(xiàn)象，甚至打印中途失敗。因此，工藝設(shè)計(jì)階段應(yīng)進(jìn)行充分評(píng)估，并按照工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查[51]。

殘余應(yīng)力是工藝因素中應(yīng)重點(diǎn)考慮的。增材制造逐層熔化、凝固、堆積的成形過(guò)程，決定了成形零件內(nèi)部必然存在很高的殘余應(yīng)力，過(guò)高的殘余應(yīng)力會(huì)使打印零件變形、開(kāi)裂。增材制造殘余應(yīng)力一旦形成就很難消除，即使采用足夠高的溫度熱處理，由于零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)相互制約和組織的方向性，冷卻后又會(huì)形成新的殘余應(yīng)力，因此熱處理只能起到“削峰”作用。對(duì)于直接能量沉積，采用中間退火方法可降低殘余應(yīng)力峰值，對(duì)于激光選區(qū)熔化應(yīng)控制零件XY向的尺寸，XY向尺寸越大累積殘余應(yīng)力和變形也會(huì)更大。

另外，打印狀態(tài)下的塑性是衡量材料打印工藝性能的重要指標(biāo)，打印狀態(tài)下鎳基合金具有較高的塑性，打印過(guò)程中不易開(kāi)裂；而鈦合金塑性較低，容易開(kāi)裂，因此打印較大尺寸鈦合金零件時(shí)，應(yīng)選擇室溫伸長(zhǎng)率大于10%的合金。

4.2 影響零件構(gòu)型的力學(xué)性能和功能因素

一個(gè)零件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化減重設(shè)計(jì)后，會(huì)獲得不同的構(gòu)型和承載能力。圖18 是對(duì)某TC4 支架零件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化減重設(shè)計(jì)，12 名設(shè)計(jì)師給出了12 個(gè)構(gòu)型，可見(jiàn)在邊界條件一致情況下構(gòu)型并不唯一。圖19 是對(duì)上述12 個(gè)不同構(gòu)型結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞測(cè)試，給出了循環(huán)周次和構(gòu)型質(zhì)量之間的關(guān)系，可見(jiàn)承受疲勞載荷的能力與構(gòu)型質(zhì)量沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖18 不同構(gòu)型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計(jì)Fig.18 Structural optimization mass reduction design of different configurations

圖19 結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計(jì)與承載能力的關(guān)系Fig.19 Relation between mass reduction design of structural optimization and load carrying capacity

上述研究表明，零件承載能力取決于構(gòu)型的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。因此，打印出來(lái)的零件力學(xué)性能和功能能否滿足使用要求，要考慮如下因素：（1）尺寸效應(yīng)，重點(diǎn)關(guān)注薄壁結(jié)構(gòu)、細(xì)桿狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)尺寸效應(yīng)的具體數(shù)值進(jìn)行評(píng)估；（2）組織方向性，重點(diǎn)關(guān)注組織生長(zhǎng)方向與主應(yīng)力方向之間的關(guān)系；（3）過(guò)渡圓角R，在設(shè)計(jì)和制造零件時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)盡量大的過(guò)渡圓角，可有效降低應(yīng)力集中，降低零件服役過(guò)程中局部開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)；（4）內(nèi)流道穹頂面，頂部存在的粘粉和塌陷問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致形成非標(biāo)準(zhǔn)圓，且成形過(guò)程中階梯效應(yīng)明顯，都會(huì)改變?cè)袃?nèi)流道形貌，減小流道截面積，增加流阻。

5 金屬增材制造結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響四要素

綜上所述，影響金屬增材制造結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的因素眾多，主要包括四個(gè)方面：組織、缺陷、表面、構(gòu)型。這四個(gè)因素單純?cè)诓牧霞?jí)試樣中體現(xiàn)不出其影響，只有在增材制造具體結(jié)構(gòu)中才會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。組織包括晶粒生長(zhǎng)方向、物相組成、晶粒尺寸等；缺陷包括在結(jié)構(gòu)不同區(qū)域中的缺陷分布、缺陷類型、缺陷尺寸等；表面包括結(jié)構(gòu)中不同表面的粗糙度、表面形貌等，均與結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)；構(gòu)型包括結(jié)構(gòu)的增材制造工藝可實(shí)現(xiàn)性、結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布以及綜合性能水平等。

因此，設(shè)計(jì)、制造、評(píng)價(jià)金屬增材制造結(jié)構(gòu)，應(yīng)將結(jié)構(gòu)置于坐標(biāo)系中，分區(qū)研究組織方向、缺陷分布、表面狀態(tài)、零件構(gòu)型，以及這些因素在應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)中對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和功能的交互影響，這四個(gè)因素共同影響結(jié)構(gòu)的服役性能，稱之為金屬增材制造結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響四要素（圖20）。

圖20 金屬增材制造結(jié)構(gòu)四要素（a）組織；（b）缺陷；（c）表面；（d）構(gòu)型Fig.20 Four factors of metal additive manufacturing structures（a）microstructure；（b）defects；（c）surface；（d）configuration

6 總結(jié)與展望

金屬增材制造是繼鑄造、鍛造之后發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的成形方法，具有廣泛的應(yīng)用前景。鑄造、鍛造經(jīng)過(guò)了數(shù)百年發(fā)展，人類在生產(chǎn)實(shí)踐中積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)形成完備的技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)體系，而增材制造研究和應(yīng)用才剛剛起步，缺乏工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)，需要持續(xù)研究和積累，特別是航空領(lǐng)域，對(duì)增材制造技術(shù)研究需求更為緊迫：

（1）組織性能。低熱裂紋敏感性的高溫高強(qiáng)增材制造專用材料設(shè)計(jì)技術(shù)；提升高溫結(jié)構(gòu)材料持久、蠕變性能途徑；高溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定性等。

（2）缺陷。為從原材料端進(jìn)行有效的質(zhì)量控制，需明確粉末物理特征對(duì)成形制件中致密度、氣孔的影響規(guī)律；增材制造成形設(shè)備種類繁多，需研究材料-設(shè)備-工藝影響缺陷的關(guān)聯(lián)關(guān)系；需建立在線監(jiān)測(cè)及反饋技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決成形過(guò)程中遇到的問(wèn)題，提高產(chǎn)品合格率；缺陷閉合界面狀態(tài)及再次萌生裂紋傾向等。

（3）表面。增材制造表面特征與鑄造、鍛造不同，需研究表面特征對(duì)流體流阻的影響規(guī)律；增材制造零件多具有復(fù)雜內(nèi)腔，加工可達(dá)性差，難以進(jìn)行光整處理，盡量通過(guò)優(yōu)化工藝保證內(nèi)表面質(zhì)量要求。

（4）構(gòu)型。需系統(tǒng)開(kāi)展結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征與零件承載能力之間的關(guān)系研究，為增材制造零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)和準(zhǔn)則以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等。

另外，還需考慮組織、缺陷、表面與壽命之間的關(guān)系等綜合問(wèn)題，需通過(guò)開(kāi)展充分研究系統(tǒng)和準(zhǔn)確建立針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)增材制造零件的評(píng)價(jià)方法和質(zhì)量性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解決。

隨著研究不斷深入和工程應(yīng)用中的不斷驗(yàn)證，上述問(wèn)題將會(huì)陸續(xù)被認(rèn)識(shí)和解決。