影响因子26.625！吕坚院士团队发表综述：结构材料的增材制造二

江苏激光联盟导读：

2021 年 4 月 1 日，香港城市大学吕坚院士团队在 Materials Science and Engineering: R: Reports 上发表综述论文“Additive manufacturing of structural materials”该论文分别从增材制造领域的发展历史、材料选择、4D 打印、应用前景、和趋势展望等方面做了较为系统的介绍。江苏激光联盟将陆续对其主要内容进行介绍，本文为第二部分。

2.2. 金属材料的增材制造

金属是结构材料中应用最为广泛的传统材料，广泛的经过了传统的制造技术的发展，如铸造，锻造和焊接等。AM技术可以通过制造出复杂的结构来拓展金属的应用范围，减少结构部件的数量和产品的制造成本，减少整个制造流程的时间跨度。因此，AM技术可以改变当前的金属部件的制造循环周期。为完全的开发和利用3D打印技术在实践中的应用，我们必须探究新颖的材料，工艺和结构。如下图1所示为金属AM的轮廓图。

图1. 金属AM技术的轮廓图

2.2.1. 材料，工艺，打印结构和结构-功能性能的发展

2.2.1.1. 用于打印的新颖的材料设计

打印材料的性能强烈的同成品的显微组织和打印的最终制品的性能相关联。许多新颖的金属材料被设计出来用来形成具有优异的显微组织和先进的性能，如图2所示。在当前，许多新颖的金属材料已经已经被设计出来应用于AM技术或者用来提高结构材料的性质，如高强度和高韧性等。

▲图2. 发展起来的用于3D打印的金属设计：(a–c) 新颖的材料系统可以克服负面的效应；(d) 引入纳米颗粒进行打印

AM金属打印的一个限制在于可以打印的材料和合金的种类比较少，在工程实践中应用的典型材料往往并不适合AM技术。直接采用AM技术获得典型合金的理想结构或性能是非常困难的。因此，发展用于AM的新颖的金属材料是近年来的一个研究的热点和焦点问题，同传统的铸造相比较，人们的研究热情非常高涨。均匀分布的纳米颗粒在铸造过程中的均匀分布的纳米颗粒可以有效的获得高的特定的拉伸强度和特定的弹性模量。Martin等人发展了一个办法来拓展金属材料的选择范围以适应更大范围内的AM设备。同铸造一样，AM也包括凝固的过程，从而也可以采用相似的办法来引入纳米颗粒如孕育剂来进行控制凝固。无裂纹的，等轴的和细化的显微组织是可以通过AM技术来获得的，其性能也可以同同传统的锻造合金材料相比较。相似的是，许多研究人员实施了利用纳米颗粒来制造具有精细显微组织的结构和先进的机械性能，例如，In718高温合金， AlSi10Mg和铁素体不锈钢。

不同的AM制造技术具有他们本身独特的特征。大多数的激光或者电子束为基础的AM技术均包括加热和冷却速率的问题，从而在打印的部件中产生高的温度梯度。这很容易导致柱状晶的生成，因此，不理想的各向异性的机械性能就会生成。因此，一些研究人员开始发展新颖的材料体系来克服AM制造技术过程中的负面影响。Zhang等人报道了采用新颖的Ti-Cu合金，该合金具有成分超过冷的能力，可以获得超细的共晶显微组织，而不是柱状晶。超细的共晶显微组织是自激光加工工艺的高的温度梯度所造成的高的冷却速率所造成的。新颖的材料可以探究出AM制造工艺中的新的特征。

2.2.1.2. 新颖的加工工艺

尽管在发展用于AM制造的新颖的材料的过程中，一些研究人员正在致力于发展基于不同的目的的新颖的AM工艺，如图3所示。此处的术语“硬打印合金”是指一个合金在采用常规的AM技术进行打印的时候相对比较困难，例如，非晶合金和高熵合金（high-entropy alloys (HEAs)）。这些新颖的AM工艺是对当前的工艺进行改性或基于硬打印的合金的特征进行发展。例如，采用AM技术制造非晶合金，如采用SLM技术进行打印，将会由于在热影响区的预热而存在部分晶化。Gibson等人则发展了一个新颖的3D打印系统（熔化灯丝的制造）来制造具有复杂结构的非晶合金。Kenel等人和Jakus等人报道了一个混合墨水打印金属氧化物的混合物，随后进行还原合成的工艺。这一策略可以用来制造复杂的金属结构，包括Fe, Ni, FeNi和 FeCoNiCr 等HEAs。裂纹和偏析的控制在AM工艺中是非常必要的，尤其是在高的温度梯度的时候。这些研究人员利用墨水打印来打印复杂的结构和还原烧结来自氧化物中形成金属。这一新颖的策略可以扩展可打印合金的范围。

▲图3. 用于制造金属的新颖的AM制造工艺：(a, b) 用于特定材料的新颖的AM制造工艺；(c) 新颖的制造工艺用于更多材料的AM制造工艺；(d) 新颖的用来提高制造的部件的性能的工艺

与此同时，许多研究人员将目光聚焦在提高打印合金的机械性能上。Chen等人设计了一个后处理的3D打印恢复策略来应用到打印工艺中，未缓和的残余应力-来阻碍单晶形成再结晶。这一技术改变了整个制造工艺并呈现出潜在的应用于AM的优势。包括单晶高温合金的修复，恢复，重塑造形状等。然而，如果这里存在显著的不可克服的鸿沟需要跨域，发展完全的新的AM技术将会是一个新的比较适宜的选择。Yu等人提出了一个新的AM技术，增材搅拌摩擦沉积，并讨论了该技术的优点和缺点，并同当前的AM技术进行了对比。Wang等人实施了一个激光为基础的AM技术来制造不同的材料，包括无裂纹的钢，钛合金和高温合金，具有相对大的尺寸和好的机械性能。一个复合的沉积和微辊压工艺，结合了微铸造，锻造，磨削来提高沉积的精度和显微组织的性能。自从Wu等人揭示了双相纳米结构具有的优异的机械性能，获得3D打印合金具有类似的结构。一些金属玻璃复合材料具有非晶和晶化相，具有高的强度和断裂韧性。

其他的应用于AM制造的新颖的技术，如用于多材料制造的组合合金，电化学加工辅助的3D打印和增材制造。激光沉积，电弧熔化和其他技术均可以用来修复部件的缺陷，这就是增材再制造。工业中的部件，如齿轮，模具和起落架，经常会由于日常的使用，在高的冲击载荷，摩擦和高的载荷情况下出现经常性的损伤。这些增材再制造技术可以涂覆硬的保护涂层，具有冶金结合来提高其硬度，耐磨损性能和其他的性能，由此延长了这些部件的寿命。

除了新颖的实验办法来提高增材制造部件的性能外，一些研究人员还极力的研究工艺过程中形成缺陷的原因和优化制造工艺。Khairalla 等人采用高可靠度的模拟技术揭示了飞溅诱导的缺陷形成机制。这可以描述快速的多瞬时动力学过程，甚至到纳秒尺度，并且采用同步实验给予了证实。其他的模拟技术，如采用有限元FEM技术，分子动力学技术MD和密度功能理论（DFT）等均可以模拟不同的尺度，自宏观到微观到原子尺度。这些办法均非常有效，但他们需要进一步的将多个尺度层面的模拟结合在一起进行模拟分析。

因此，发展新颖的打印工艺结合材料的特征和AM工艺过程的新技术将会拓展可打印材料的应用范围。

2.2.1.3.新颖的结构

打印的结构主要取决于终端的应用需求。开孔材料不仅可以提供结构材料的性能，同时还可以支撑同内部同表面相关的潜在的应用，如催化剂。这些结构可以非常容易的采用AM技术来进行制造。然而，闭孔材料主要用作结构材料来应用，如轻质的支撑部件或能量吸收部件。其外部的形状具有一个闭孔的结构，可以采用AM技术来制造，但其内部的空隙则主要靠其他的办法来控制，如发泡剂。

具有开孔结构的材料可以应用在直接接触的，如催化剂的场合，此处需要获得承受载荷的能力并不是其首先需要具备的能力。具有闭孔的结构主要应用在非直接接触的场合，如能量吸收和电磁屏蔽等应用场合。

材料的结构同最终的机械性能密切相关，因为变形路径非常容易的受到结构的影响。设计的结构应该将显微组织也考虑进来。例如，增材制造的部件有时候具有各向异性的性能。如果一个部件进行了很好的设计，其变形就会沿着各向异性的方向具有较高的强度。由此，较高的强度和较低的质量就可以实现。

打印结构会影响变形的路径和进一步的提高结构的性能。许多努力经过实施来比较不同的结构材料的性能，并采用实验和模拟的办法进行了比较。比较的参数也主要同密度，结构方向和晶格结构等。进一步的突破有可能采用其他的方法来实现。Pham等人设计了一个晶格结构，同晶体结构非常相似。结果显示晶体结构相似的结构可以有效的提高材料的机械性能。尽管很少有研究是关于金属的3D打印的，受到自然界的启发而实现的结构和功能应用的案例也多有实施。一些典型的用于AM增材制造的强化机制，包括精细的显微组织，二次相，特殊的显微结构的变形机制，结构因素等均进行了总结。

2.2.1.4. 打印具有功能性能的金属材料

金属不仅具有许多结构应用，同时也具有潜在的功能特性方面的应用，这是因为金属具有独特的物理性质（如导热，导电和超疏水特性）和化学性质（如化学活性），见图4所示。一些功能性能，外加一些结构方面上的性能，金属3D打印后的材料将会展现出独特的优异性能，如可以承受极端的工作条件，电化学性质等和超疏水等性质。新的功能性特征还需要进一步的进行开发和发展。

▲图4. 发展的结构-功能特性的材料：(a, b)在极端状况下的行为；(c–e)催化材料；(f, g) 超疏水材料

▲图5. 3D打印的立方体的晶格结构，排斥水（右侧左边）而右边为一个空心筛球捕获水儿不会发生泄漏（最右边）

此外，功能特性通常是通过材料的固有金属性质所获得的，并采用了进一步的处理。Ambrosi 等人展示了一个电化学方面的应用，采用不锈钢作为电极和Pt, IrO2和 Ni薄膜作为功能涂层。功能应用包括电化学电容器，一个氧进化催化剂，一个PH传感器和一个水电解器。其他的功能性能，如超疏水/超亲水和电磁性能等，均很少被研究。但这些性质对结构材料的应用非常重要。例如，在某些场合，电磁屏蔽，将会提供支撑。3D打印的部件将会将结构性能和电磁性能结合在一起来考虑。其他的功能场合具有相似的要求，如油水的分离。

不像常规的材料可以采用功能性薄膜进行涂层处理，硬打印合金具有独特的功能性能，甚至不需要进一步的进行处理。金属玻璃，又叫非晶合金，具有无序的原子堆积结构，开始成为催化剂领域研究的热点和呈现出优异的催化性能。Liang等人制造了Fe基的金属玻璃（MG）复合材料且具有多孔结构，其在具有硫酸根反应的条件下性能提高了45倍。尽管MG具有部分晶化，MG复合材料仍然是比较适宜的材料选择，如果它的先进性能在制备的时候可以保证的话。这里其实并不需要制备出完全晶化的合金来，制造此类合金对AM来说仍然是一个比较大额问题，这是因为晶化将会在熔点一下发生。

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