由于高價(jià)值零件的高混合低批量生產(chǎn)、集成復(fù)雜零件幾何結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化的制造工作流程的巨大需求，航空航天是增材制造制造（AM）發(fā)展的關(guān)鍵市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力。航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的激光增材制造（LAM）取得了快速而顯著的進(jìn)展，包括先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼、鎳基高溫合金和鈦基合金。盡管研究界對(duì)這三類(lèi)材料進(jìn)行了廣泛的調(diào)查，但對(duì)高強(qiáng)度鋼的LAM缺乏全面的審查，在已發(fā)表的關(guān)于鈦基合金和鎳基高溫合金的審查中也存在差距。
此外，盡管新興材料（如高/中熵合金和異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料）具有良好的機(jī)械性能，但在實(shí)際應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)零件之前，仍然需要嚴(yán)格的表征、測(cè)試、鑒定和認(rèn)證。因此，深入了解這些廣泛使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的工藝參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)-機(jī)械性能之間的關(guān)系，對(duì)于推動(dòng)優(yōu)質(zhì)高價(jià)值合金的發(fā)展仍然十分重要。
本綜述旨在對(duì)上述航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的激光粉末床聚變（LPBF）和激光定向能量沉積（LDED）技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵和深入的評(píng)估。該綜述將總結(jié)這些航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的材料特性、性能范圍，并概述這些材料的研究差距。此外，還強(qiáng)調(diào)了對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的研究機(jī)會(huì)、材料開(kāi)發(fā)和LAM新研發(fā)方法的展望。
圖形摘要，從工藝窗口、微觀結(jié)構(gòu)特征、機(jī)械性能及其相互關(guān)系（內(nèi)圈）等方面全面回顧了激光增材制造（LAM）工藝和關(guān)鍵航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的最新發(fā)展?fàn)顩r。在此基礎(chǔ)上，還強(qiáng)調(diào)了航空航天部件的研究機(jī)會(huì)、材料開(kāi)發(fā)和新研發(fā)方法的前景（外圈）。
1. 介紹
1．1. 增材制造市場(chǎng)趨勢(shì)
作為高價(jià)值產(chǎn)品行業(yè)，航空航天行業(yè)一直是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展和采用的強(qiáng)大推動(dòng)力。隨著航空工業(yè)對(duì)節(jié)能減排、輕量化、可靠性和舒適性的要求越來(lái)越高，飛機(jī)制造需要越來(lái)越多的高性能材料和新設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的制造工藝已經(jīng)達(dá)到了滿(mǎn)足要求的極限。因?yàn)锳M具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和可行性，可以克服制造幾何形狀、材料、性能和功能等復(fù)雜部件所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。因此增材制造(AM)的快速發(fā)展為滿(mǎn)足這些行業(yè)需求提供了可能性。
它為高精度制造復(fù)雜、復(fù)合和混合結(jié)構(gòu)提供了前所未有的設(shè)計(jì)自由，這是傳統(tǒng)制造路線(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。AM的上述優(yōu)勢(shì)在航空航天、汽車(chē)、電子、醫(yī)療、軍事、建筑等行業(yè)的廣泛工業(yè)應(yīng)用中得到了充分發(fā)揮和應(yīng)用。全球AM市場(chǎng)規(guī)模從2013年的約30億美元迅速增長(zhǎng)到2019年的118.67億美元，如圖1所示，近年來(lái)年增長(zhǎng)率均超過(guò)20%。隨著AM行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，航空航天行業(yè)在2019年將迅速接近20億美元。
圖1 Wohlers報(bào)告了2014 - 2020報(bào)告總結(jié)了2013-2019年各行業(yè)增材制造的市場(chǎng)規(guī)模
在過(guò)去的30年里，AM在越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域得到了應(yīng)用?！秙tate of the industry》是一份領(lǐng)先的年度“行業(yè)狀況”報(bào)告，它每年進(jìn)行一次調(diào)查，以找出AM的用途。2011年 Wohlers報(bào)告給出了如下關(guān)于AM使用區(qū)域的數(shù)據(jù)。
增材制造目前應(yīng)用的領(lǐng)域，摘自T.Wohlers全球年度進(jìn)展報(bào)告，2011，ISBN 0 975 44 29 - 6-1
１．２． 增材制造對(duì)航空航天工業(yè)的好處
AM在航空航天行業(yè)的應(yīng)用占據(jù)了整個(gè)AM市場(chǎng)的很大一部分，這是由于以下優(yōu)勢(shì)對(duì)該行業(yè)的適用性。
(1）幾何設(shè)計(jì)和優(yōu)化的自由度。AM使增材制造原料轉(zhuǎn)換成自由形式的3D組件，如復(fù)雜的外部形狀和建筑幾何結(jié)構(gòu)。AM還允許拓?fù)鋬?yōu)化，以制造輕量級(jí)組件，通常使用晶格結(jié)構(gòu)，同時(shí)提供同等甚至更高的機(jī)械性能。
（2）功能集成和部件整合。AM能夠生產(chǎn)具有定制材料結(jié)構(gòu)的集成多功能部件，如功能梯度材料（FGM）。圖2a提供了AM為增強(qiáng)功能而生產(chǎn)的功能性多材料燃燒室的示例，其中Inconel沉積在銅合金表面上。此外，還可以通過(guò)使用AM實(shí)現(xiàn)零件整合，從而實(shí)現(xiàn)特征集成，并提高可靠性和性能。
圖2 (a) Inconel-copper多材料燃燒室，以及(b)用于LauncherEngine-2的LAM大型單部分燃燒室，燃燒室高86厘米，出口噴嘴直徑41厘米(來(lái)自L(fǎng)auncher aerospace);(c)伯明翰大學(xué)AMP實(shí)驗(yàn)室LAMed發(fā)動(dòng)機(jī);(d) GE增材制造的噴嘴和(e)燃燒室(來(lái)自GE AM);(f)由LAM生產(chǎn)的Inconel718噴嘴環(huán)(來(lái)自SIMTech)。
傳統(tǒng)上，復(fù)雜的航空航天組件由多個(gè)簡(jiǎn)單零件組裝而成，與激光增材制造（LAM）整合組件相比，這可能會(huì)降低可靠性和幾何精度，同時(shí)增加持續(xù)性維護(hù)成本。如圖2b所示，世界上最大的單部件燃燒室由Launcher aerospace使用LAM制造，用于Launcher Engine-2，為小型衛(wèi)星發(fā)射器提供了最低的推進(jìn)劑消耗和每磅推力成本。將多個(gè)零件整合成一個(gè)整體可以降低成本，實(shí)現(xiàn)高性能再生冷卻設(shè)計(jì)。此外，伯明翰大學(xué)的AMP實(shí)驗(yàn)室也強(qiáng)調(diào)了使用LAM方法將數(shù)千個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)部件合并成多個(gè)部件的可行性，如圖2C所示。
在使用氣體輔助注射成型技術(shù)開(kāi)發(fā)程序時(shí)，經(jīng)常忽略的一個(gè)因素是所涉及的額外成本。除了許可費(fèi)用和專(zhuān)利使用費(fèi)，設(shè)備成本加上過(guò)程中使用的氮?dú)庖脖仨毧紤]在內(nèi)。此外，模具的成本可能會(huì)高于標(biāo)準(zhǔn)注射成型，因?yàn)槌送ㄟ^(guò)噴嘴技術(shù)，氣體噴射噴嘴必須集成到模具中。
這些增加的成本必須收回?？赡苡兄谑栈爻杀镜囊恍┮蛩厥?
零件合并導(dǎo)致更少的模具，更少的機(jī)器利用率和減少或消除組裝
使用低噸位機(jī)器
質(zhì)量改進(jìn)的部分
減少周期時(shí)間
更少的廢品
更輕的重量(更輕，更少的材料)
（3）材料和能源效率。就材料使用而言，LPBF的材料損耗約為5%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的減法制造，減法制造可產(chǎn)生高達(dá)95%的材料損耗。通用電氣（GE）使用LAM設(shè)計(jì)和加工燃料噴嘴（見(jiàn)圖2d），以減輕重量（25%）并降低燃料消耗，從而將成本效率提高30%。圖2e和圖f所示的片狀燃燒室和噴嘴環(huán)是典型的材料節(jié)約案例，具有近凈形狀形成，與傳統(tǒng)的鍛造鑄錠加工相反，后者將浪費(fèi)大部分材料。
圖2
此外，通過(guò)使用LAM實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件的重量減輕是降低燃油消耗的非常有效的措施。據(jù)報(bào)道，商用飛機(jī)每減輕一公斤重量，每年可節(jié)省約3000美元的燃油，并大幅減少碳排放。
實(shí)驗(yàn)燃燒器的原理圖如圖所示。它的特點(diǎn)是一個(gè)空氣輔助燃料噴嘴，名義上額定每小時(shí)0.5加侖。在本研究中，煤油作為燃料，空氣作為霧化氣體。
實(shí)驗(yàn)用雙同心噴霧燃燒器。尺寸單位為mm
工業(yè)GTs的燃燒室部件，如燃燒器或內(nèi)襯，是大型、厚壁元件，由鑄造或焊接的鎳基或鈷基合金(圖9.9)。這些部件的側(cè)壁與燃燒氣體直接接觸，燃燒溫度為1400-1700°C。15另一方面，墻體通過(guò)壓縮空氣冷卻，將材料的溫度限制在900°C左右的可接受水平，以滿(mǎn)足機(jī)械和環(huán)境負(fù)荷的要求。
HGP中的涂層部件:帶有內(nèi)襯段的燃燒室、帶有涂層葉片和葉片的燃燒器和渦輪。
(4)定制和小批量生產(chǎn)。與傳統(tǒng)制造工藝相比，大批量生產(chǎn)的LAM往往更昂貴。然而，考慮到模具制造、加工工具和庫(kù)存的高投資成本，LAM對(duì)于航空航天行業(yè)常見(jiàn)的小批量定制零件更具成本效益。
傳統(tǒng)的制造工藝路線(xiàn)嚴(yán)重限制了經(jīng)濟(jì)地制造復(fù)雜形狀零件的自由度，尤其是當(dāng)需要小批量時(shí)。生物醫(yī)學(xué)行業(yè)是受傳統(tǒng)制造限制的應(yīng)用的一個(gè)明顯例子，因?yàn)樗枰獮槊總€(gè)患者定制非常復(fù)雜的形狀。替代方法包括逆向工程和快速原型制造，已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注，分層加工方法的發(fā)展逐漸演變?yōu)楦郊又圃臁?/p>
3D打印技術(shù)在任何形式的材料結(jié)構(gòu)（如長(zhǎng)絲、粉末或樹(shù)脂）中的成功在很大程度上取決于加工技術(shù)。因此，通過(guò)工藝參數(shù)選擇合適的材料形式對(duì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于復(fù)合材料而言，確定基體和鋼筋之間的界面至關(guān)重要，因?yàn)楫?dāng)界面足夠堅(jiān)固以避免脫粘和纖維拉拔時(shí)，復(fù)合材料的強(qiáng)度會(huì)提高。其他需要考慮的參數(shù)包括形狀、尺寸、方向和基體鋼筋的分布。材料的微觀結(jié)構(gòu)分析是執(zhí)行的合適方法。
PMMA粉末的掃描電子圖像
例如，上圖顯示了用于評(píng)估選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝的顆粒尺寸和均勻性的PMMA粉末顆粒測(cè)量。選擇性激光燒結(jié)工藝的推薦粒度為50–70μm。然而，微觀結(jié)構(gòu)性能與混合規(guī)律成間接比例，復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)在決定三維結(jié)構(gòu)性能方面具有重要作用。在某些情況下，復(fù)合材料需要均勻分布鋼筋，盡管這很難實(shí)現(xiàn)。除了物理性能外，化學(xué)性能也是3D打印中考慮的關(guān)鍵因素。例如，熱塑性塑料適用于SLS和熔融沉積建模（FDM）。另一方面，熱固性塑料適用于材料噴射和立體光刻（SLA）。金屬采用選擇性激光熔化和粘合劑噴射工藝印刷。砂和粘土等陶瓷可以使用粘結(jié)劑噴射工藝進(jìn)行處理。
(5)縮短了制造生命周期。近凈成型LAM組件所需的較低加工時(shí)間的好處可以減少產(chǎn)品制造提前期。Rolls-Royce報(bào)告稱(chēng)，使用LAM可節(jié)省30%的生產(chǎn)時(shí)間，而波音公司則聲稱(chēng)，零件數(shù)量和安裝時(shí)間的減少導(dǎo)致總時(shí)間減少了50%。利勃海爾航空用額外制造的零件取代了傳統(tǒng)的主飛行高壓液壓閥塊組件，該零件重量減輕了35%，組件數(shù)量減少了10個(gè)；因此，將所需的制造時(shí)間減少75%以上。
切斷閥的分解圖
在隔斷閥中，多個(gè)隔膜閥被機(jī)械地集成到一個(gè)閥體中，不同的供應(yīng)商提供不同的配置，并且它們可以由不同的結(jié)構(gòu)材料制成。上圖顯示了一個(gè)典型的塊配置。閥塊在流道中的優(yōu)點(diǎn)包括更低的內(nèi)部體積和顯著減少工藝系統(tǒng)所需的管道。這里討論的閥門(mén)部件對(duì)于單隔膜閥和隔斷閥是一樣的。單閥和隔斷閥的維修和備件基本相同。
1.3. 動(dòng)機(jī)和范圍
在上述優(yōu)勢(shì)的推動(dòng)下，航空航天行業(yè)一直在探索使用AM生產(chǎn)飛機(jī)部件，包括各種鉸鏈、支架、內(nèi)部部件、輕質(zhì)機(jī)身、機(jī)身設(shè)計(jì)，甚至包括發(fā)動(dòng)機(jī)部件，如帶有內(nèi)部冷卻通道的渦輪葉片，燃料噴嘴、壓縮機(jī)和集成管道系統(tǒng)。值得注意的是，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，是現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的寶石。航空發(fā)動(dòng)機(jī)最廣泛使用的高價(jià)值材料是鋼、鎳基高溫合金和鈦合金，如圖3所示。鋁合金和復(fù)合材料不是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要組成部分；此外，還回顧了鋁合金和顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的LAM的最新進(jìn)展。因此，本綜述的重點(diǎn)是高強(qiáng)度鋼、鎳基高溫合金和鈦基合金。
圖3 波音787飛機(jī)通用CF6渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的材料分布適應(yīng)與許可
盡管AM研究團(tuán)體對(duì)這三種材料家族進(jìn)行了廣泛的調(diào)查，但沒(méi)有對(duì)AM高強(qiáng)度鋼進(jìn)行全面的審查，也沒(méi)有對(duì)鈦合金和鎳基高溫合金進(jìn)行最新進(jìn)展審查。例如，最近對(duì)鎳基高溫合金的審查僅集中在Inconel 718上，為進(jìn)一步涵蓋新開(kāi)發(fā)的鎳基高溫合金（例如WSU 150和單晶高溫合金）提供了機(jī)會(huì)。盡管對(duì)Ti-6Al-4V的AM進(jìn)行了大量報(bào)告審查，但對(duì)于Ti-6Al-4V以及TiAl合金等其他Ti合金的典型微觀結(jié)構(gòu)、竣工靜態(tài)機(jī)械性能和片狀Ti合金的疲勞性能，仍然缺乏更廣泛和全面的總結(jié)。
12Cr-l的顯微結(jié)構(gòu)。5Mo-lW鋼(熱處理6455)，在不同溫度下時(shí)效1000小時(shí)，在50%的HNO3中電解腐蝕，極性相反。
在不同溫度下時(shí)效的冷軋12Cr-1.5Mo-lW鋼的微觀結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)時(shí)效溫度升高至700℃（1290℉）時(shí)，顯微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在700℃時(shí)，觀察到一些晶內(nèi)析出物的溶解和晶界析出物的粗化，但在此溫度之前，未發(fā)生明顯的微觀結(jié)構(gòu)變化。通過(guò)x射線(xiàn)衍射確定沉淀主要為M23C6。在725C（1340F）下，觀察到再結(jié)晶和析出物粗化，這兩種效應(yīng)都隨著溫度的升高而加速。
此外，層狀鈦合金中一些最關(guān)鍵的問(wèn)題，例如，如何在其建成狀態(tài)下誘導(dǎo)高延展性以及等軸β和α結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制通常未被考慮。LAM工藝過(guò)程中復(fù)雜的激光-材料相互作用使得很難概括不同航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的工藝參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能之間的關(guān)系。深入了解不同航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料之間的這種關(guān)系，可以推動(dòng)優(yōu)質(zhì)高價(jià)值航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料和先進(jìn)尖端LAM設(shè)備的發(fā)展。然而，現(xiàn)有的綜述傾向于關(guān)注這三種廣泛使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料中的一小部分。
這項(xiàng)工作的動(dòng)機(jī)是對(duì)這些特定高性能合金的LAM進(jìn)行嚴(yán)格和專(zhuān)門(mén)的審查，以總結(jié)其進(jìn)展，并確定研究機(jī)會(huì)和差距。因此，本文對(duì)LAM處理的航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料進(jìn)行了深入的綜述，包括先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼、鎳基高溫合金、鈦合金和鈦鋁化物。
本文綜述和闡述了LAM工藝特點(diǎn)、微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)演變、相形成和轉(zhuǎn)變、力學(xué)性能以及研究趨勢(shì)和前景。還將根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)告繪制這三類(lèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料在加工窗口、強(qiáng)度-延性組合、疲勞性能、室溫/高溫性能等方面的材料特性屬性圖。本評(píng)論旨在為研究人員提供關(guān)鍵航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料激光增材制造的完整最新信息，并鼓勵(lì)在新型先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的激光增材制造方面進(jìn)行更具啟發(fā)性的科學(xué)研究，以促進(jìn)該技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的應(yīng)用。
2.激光增材制造工藝
LAM技術(shù)利用激光束作為能源。綜述了兩種LAM工藝，特別是將粉末分散在襯底上的激光粉末床聚變技術(shù)和以粉末為原料的定向能沉積工藝。根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)F2792-12a的分類(lèi)和定義，兩種LAM工藝被稱(chēng)為激光粉末床熔合（LPBF）和激光定向沉積工藝（LDED）。
缺乏支撐結(jié)構(gòu)也意味著零件可以自由堆放在粉末床中，增加了每次生產(chǎn)中可生產(chǎn)的零件數(shù)量，從而提高了生產(chǎn)率（如下圖）。然而，在從截留體積（如封閉孔隙）和細(xì)通道中去除未熔合粉末方面存在一些設(shè)計(jì)限制。PBF技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以加工的材料范圍廣泛：理論上，任何可以熔化和再溶解的材料都可以與PBF技術(shù)一起使用。但實(shí)際上，目前情況并非如此；本章將討論產(chǎn)生這種情況的原因。
由多個(gè)單獨(dú)部件組成的典型激光燒結(jié)成型裝置。因?yàn)椴恍枰谓Y(jié)構(gòu)，零件可以自由放置在整個(gè)構(gòu)建卷中，而無(wú)需連接到下面的零件。
PBF包括以下過(guò)程：直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、電子束熔煉（EBM）、選擇性激光熔煉（SLM）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）。PBF使用激光源（SLS、SLM、DMLS）或電子束（EBM）直接和選擇性地熔化或燒結(jié)材料層，以形成固體零件，而不是在粘合劑噴射過(guò)程中使用粘合劑。如果采用激光源，則沉積過(guò)程在惰性氣氛（如氬氣或氦氣室）中進(jìn)行，以防止材料在高溫下氧化。使用電子束需要一個(gè)真空室。
下圖顯示了SLM過(guò)程的原理。首先，將金屬顆粒噴涂在基板（基板）頂部。這些粉末隨后被激光熔化，然后凝固形成橫截面。之后，基板向下移動(dòng)一層厚度，并通過(guò)粉末重涂機(jī)構(gòu)將另一層粉末噴涂在印刷部件的頂部。材料再次選擇性地熔化和固化以形成橫截面。多層粉末的連續(xù)熔化和固化導(dǎo)致最終零件的制造。PBF可用于加工多種粉末材料，但常用的材料是金屬和聚合物。粉末通常為球形，SLM的粒徑通常在15-40μm之間，SLS的粒徑通常在20-80μm之間，EBM的粒徑通常在40-100μm之間。
選擇性激光熔化過(guò)程的說(shuō)明。e.louvis, P. Fox, C.J. Sutcliffe, Selective laser melting of aluminum components, J. Mater
2.1. 激光粉末床聚變
為了制造結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的高性能金屬零件，Fraunhofer激光技術(shù)研究所的Meiners等人和大阪大學(xué)的Abe等人于1996年首次提出了LPBF技術(shù)的概念。然而，在LPBF技術(shù)的早期發(fā)展階段，由于粉末未熔合且熔化后易發(fā)生粉末球化，制造零件的密度和強(qiáng)度不足以應(yīng)用。隨著高性能光纖激光器的集成和LPBF工藝的優(yōu)化，LBPF制造的鈦合金、高溫合金、鋼和鋁合金的成形精度、密度和機(jī)械性能得到了顯著提高。此后，LPBF技術(shù)逐漸成為醫(yī)療、汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域的主流商業(yè)化AM技術(shù)之一。
LPBF技術(shù)工作流程如圖4所示。首先，重水器刀片在基板或先前形成的層上鋪展一層金屬粉末。然后根據(jù)零件的二維截面形狀，利用激光束以一定的速率進(jìn)行選擇性逐點(diǎn)輻照掃描，從而使輻照后的金屬粉末熔化。當(dāng)激光束離開(kāi)時(shí)，這些熔化的金屬粉末迅速凝固。隨后，建造平臺(tái)將降低一個(gè)與層厚度相對(duì)應(yīng)的指定高度。重復(fù)上述過(guò)程，直到整個(gè)零件制造完成。需要注意的是，工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度等，需要與粉末材料和粉末層厚度相匹配，以獲得致密且無(wú)缺陷的零件。
圖4 激光粉末床聚變技術(shù)示意圖
整個(gè)LPBF工藝通常在惰性封閉環(huán)境中進(jìn)行，以避免高溫氧化，平均粒徑約為30μm。LPBF制造部件通常具有以下特點(diǎn)：1）可實(shí)現(xiàn)的相對(duì)密度通常高于95%，甚至99.9%。2）較小的激光束尺寸使制造的零件具有較高的尺寸精度（可達(dá)到的最高精度為±0.05 mm）和優(yōu)異的表面質(zhì)量（Ra≤10μm）。3）快速冷卻和凝固速度產(chǎn)生了極其精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)（一次枝晶臂間距通常為幾百納米），這使得鑄造和鍛造零件的機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于或相當(dāng)。
然而，LPBF技術(shù)仍有以下局限性：1）LPBF技術(shù)通常用于制造相對(duì)較小和精確的零件，因?yàn)槠渲圃煨实?，尺寸精度高?） LPBF過(guò)程中的粉末球化也很難消除，導(dǎo)致小孔的形成和機(jī)械性能的惡化。3）由快速加熱和冷卻速率（高達(dá)106–108 K/s）引起的不均勻溫度分布會(huì)導(dǎo)致較大的殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致變形甚至裂紋形成。
2.2. 激光定向能量沉積
激光定向能量沉積（LDED）技術(shù)是20世紀(jì)90年代初由世界各地的許多研究機(jī)構(gòu)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的。因此，它有許多不同的術(shù)語(yǔ)，如激光固體成形、激光金屬沉積、激光工程凈成形等，盡管技術(shù)原理基本相似。在本文中，術(shù)語(yǔ)LDED的使用符合ASTM F2792-12a。粉末基LDED的技術(shù)機(jī)理如圖5所示。LDED將三維（3D）模型離散為二維（2D）層與LPBF類(lèi)似，但LDED可以使用金屬絲或粉末（或兩者）作為原料。添加劑材料被輸送到熔池中，而不是擴(kuò)散到粉末床上。
圖5 激光定向能量沉積工藝示意圖
與LPBF技術(shù)相比，LDED技術(shù)利用更高的激光功率和更大的激光束尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的構(gòu)建效率。此外，LDED非常適合使用多材料同步進(jìn)給的梯度結(jié)構(gòu)制造，以及高性能和高價(jià)值部件的維修。然而，利用LDED技術(shù)制造幾何結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的零件存在一定的困難，這在一定程度上限制了LDED技術(shù)的應(yīng)用。
激光工程凈成形（透鏡）技術(shù)由桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和普惠公司聯(lián)合提出概念，并于1997年獲得Optomec Inc.的許可（美國(guó)專(zhuān)利60464262000）。該過(guò)程的示意圖如下圖所示。與具有粉末床的SLM不同，該組件使用透鏡技術(shù)制造，通過(guò)噴嘴噴射提供粉末，并照射具有高能量密度的激光束，以逐層方式熔化并沉積在構(gòu)建基板上。每層沉積后，構(gòu)建平臺(tái)以受控方式向下移動(dòng)。此過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直到實(shí)現(xiàn)預(yù)期的組件。雖然透鏡技術(shù)基本上是為了生產(chǎn)復(fù)雜的幾何部件而發(fā)展起來(lái)的，但它也非常適合修復(fù)和翻新?lián)p壞的部件和結(jié)構(gòu)。應(yīng)注意的是，透鏡幾乎不需要考慮后處理、部件表面光潔度差以及由于殘余應(yīng)力導(dǎo)致的部件變形等問(wèn)題。
激光工程網(wǎng)成形工藝示意圖
激光工程凈成形（LENS）使用計(jì)算機(jī)控制的激光器，在數(shù)小時(shí)內(nèi)將金屬粉末的氣流焊接到定制零件和制造模具中。這項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)的形狀足夠接近最終產(chǎn)品，從而消除了粗加工的需要。透鏡的用途之一是制造小批量的高密度零件或模具。
每個(gè)噴嘴將金屬粉末流導(dǎo)向其下方的中心點(diǎn)。同時(shí)，該點(diǎn)由高功率激光束加熱。當(dāng)移動(dòng)模型及其基板以提供新的目標(biāo)，在其上連續(xù)沉積金屬時(shí)，激光和射流保持靜止，如下圖所示。首先，在基板上進(jìn)行，然后在構(gòu)建層上進(jìn)行，直到通過(guò)3D金屬產(chǎn)品的生產(chǎn)完成所需的橫截面幾何形狀。這是一個(gè)復(fù)雜的操作，因?yàn)楦邷厥谷廴诮饘匐y以形成精確、光滑的物體。該技術(shù)可用于多種金屬，包括鈦、鋼、銅和鋁。
透鏡技術(shù)：（a）激光工程凈成形圖（b）透鏡制造的詳細(xì)觀察，（c）Optomec透鏡850系。
來(lái)源：Progress and perspectives in laseradditive manufacturing of key aeroengine materials，International Journal of Machine Tools and Manufacture ，
參考文獻(xiàn)：M.S. Pham, C. Liu, I. Todd, J. Lertthanasarn，Damage-tolerant architected materials inspired by crystal microstructure， Nature, 565 (2019), pp. 305-311，C. Tan, Y. Chew, R. Duan, F. Weng, S. Sui, F.L. Ng, Z. Du, G. Bi，Additive manufacturing of multi-scale heterostructured high-strengthsteels，Mater. Res. Lett., 9 (2021),pp. 291-299
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