金屬增材制造進展綜述：機遇、局限性、性能影響以及潛在解決方案

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導讀：沙特烏姆·庫拉大學、美國阿克倫大學、紐約州立大學及英國曼徹斯特大學的科研人員綜述報道了金屬增材制造的進展：機遇、限制、對性能的影響和潛在的解決方案研究。相關論文以“Advancements in metal additive manufacturing: opportunities, limitations, impact on properties, and potential solutions: a review”為題發(fā)表在《Progress in Additive Manufacturing》上。

如今，增材制造（AM）因其前所未有的定制化和設計自由度而成為領先的數字化制造方法。金屬增材制造（MAM）在關鍵性能應用領域，特別是航空航天工業(yè)中的應用越來越受到關注。優(yōu)異的表面光潔度和微觀結構均勻性是提高抗疲勞性的必要條件，因此表面光潔度差的部件無法用于此類應用。本文深入概述了通過所選AM方法生產的不同材料的最新研究。

本文還重點介紹了各種金屬和合金，強調了它們的特殊優(yōu)點，并解決了相關的難題。討論內容包括通過增材制造技術實現的表面質量和機械性能，以及在航空航天、航天器、醫(yī)療植入物和汽車零件中的實際應用。深入討論了缺陷、加工參數和微觀結構對所生產部件（主要是粉末床熔融（PBF）和定向能沉積（DED））機械性能的影響�？偨Y了目前在后處理方面的發(fā)現，如優(yōu)化這些新型結構的表面質量和機械性能所需的表面硬化處理工藝。此外，還介紹了用于最佳性能參數的新興技術以及金屬AM的潛在研發(fā)前景�？傊�，本文的研究成果能幫助研究人員改善航空航天結構和高性能系統(tǒng)的定制化、個性化和可持續(xù)性，從而減少浪費、節(jié)約材料和提高整體效率。

圖1根據ASTM F42對增材制造工藝的分類。

圖2通過不同增材制造工藝熔化或熔合材料的熱源。

圖3使用增材制造（AM）技術制造的各種結構示意圖。

圖4 PBF工藝示意圖：a選擇性激光熔化（SLM）和b電子束熔化。

圖5使用PBF技術制造的各種組件。

圖6 SEM顯微圖顯示了SLM法制備Ti-6Al-4V樣品的缺陷形貌。

圖7定向能沉積（DED）工藝示意圖：a同軸/多軸粉末噴嘴結構的定向能沉積和b單粉末噴嘴結構的定向能沉積。

圖8使用各種先進定向能沉積技術回收和制造的各種部件示意圖。

圖9斷口形貌分析LMD斷口堆積層中的LOF缺陷和氣體孔隙度a LOF缺陷，b 氣體孔隙度或未熔化粉末。

圖10定向能沉積（DED）孔隙度的來源和類型。

圖11各種表面硬化工藝示意圖。

圖12a NASA HR-1合金在一個直徑6000（1.52米），高度7000（1.78米）的LP-DED整體通道噴嘴中沉積了90天。b經DED程序生成后，采用DED方法修復的受損渦輪葉片。c賓夕法尼亞州立大學應用研究實驗室修復了一個可用的Ti-6Al-4V軸。d混合DEM MORI LASERTEC 65 DED系統(tǒng)具有國家葉片結構，描述了“應用于切削工具的帶有金剛石加固層的金屬碳化物硬質涂層”。

本文回顧了各種增材制造工藝（包括 DED和PBF）的關鍵領域，這些工藝可用于制造高價值結構（如渦輪葉片、燃料噴嘴、熱交換器和航空航天組件的結構部件）中的各種復雜部件，從而實現更輕、更有效的飛機結構。這些部件在運行過程中大多要承受循環(huán)載荷。所有這些部件在用于任何結構之前，都對表面質量和穩(wěn)定性有嚴格的要求，而優(yōu)化增材制造工藝可以滿足這些要求。盡管采用了各種表面改性方法來提高材料的性能，但材料仍然存在壓縮殘余應力、硬度和表面質量分布不均勻的問題，從而影響了材料的疲勞強度。鈦合金、鋼材、鎳基高溫合金和鋁合金的增材制造日益普及，為解決傳統(tǒng)工藝中遇到的難題，這項研究應運而生。
未來研究方向可以采用先進的優(yōu)化算法來預測最適合材料和零件結構的組合參數。集成熱和機械的多物理場模擬工具可提供有關AM工藝的廣泛信息。這種先進的模擬可用于預測微結構演變和殘余應力分布，從而有助于優(yōu)化工藝和減少缺陷。開發(fā)新的有效后處理方法并將其與AM工藝相結合，可以最大限度地降低成本并節(jié)省時間。例如，可以利用由激光拋光和化學處理組成的復合技術來有效提高表面屬性。在制造過程中，可采用實時監(jiān)控和反饋機制來實現質量控制。開發(fā)集成PBF和DED的復合系統(tǒng)可為零件設計和制造提供更大的靈活性。這種系統(tǒng)可以利用PBF的精度來處理復雜的特征，并利用DED的高沉積率來處理較大的部分。未來的研究重點可以放在開發(fā)這些混合工藝上，拓寬AM工藝的能力�？傊�，通過結合不同 AM工藝的優(yōu)勢，可以提高AM部件的效率和質量。


相關論文鏈接：

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