增材制造制备新材料的研究进展

来源：材料科学与工程

论文信息

增材制造制备新材料的研究进展

第一作者：李能

通讯作者：熊华平

通讯单位：中国航发北京航空材料研究院

DOI：10.1016/j.jmst.2018.09.002

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本文综述了应用增材制造技术制备不同类型新材料的研究进展；特别关注了材料设计、增材制造原料选择、增材制造过程中的冶金行为和合成机理，获得的微观组织和性能，以及这些因素之间的关系；展望了未来的发展趋势，提出了应用增材制造技术“开发新材料”或“创造新材料”的观点。

综述全文共计21000余字，分为12部分进行材料增材制造研究进展的评述，共用41个重要图片和2张重要表格，引用了249篇参考文献。

背景介绍

材料是增材制造技术的基础，新材料的创造有望为增材制造技术增添新的内涵，并扩展这一先进技术的应用领域，从而为增材制造技术的未来发展提供新的机遇。应用增材制造技术“创造材料”的概念是基于从“使用材料”到“开发材料”逐步进化的科学过程。有研究表明，增材制造技术可以从根本上改变或扩展与结构-属性-工艺合成-性能相关的传统材料科学研究和工程应用，多种材料和多尺度结构为优化零件的整体性能提供了可能的途径。

结合材料设计，增材制造技术在新材料研究方面将有非常广泛的应用前景和研究价值。本文较全面地呈现增材制造技术在新材料研究方面的最新研究进展。重点评述了增材制造的材料设计，原料的选择，制造过程中的冶金行为和合成原理，以及由此产生的微观组织和性能，以及这些因素之间的关系。在此基础上，提出今后研究的重要研究方向或思路。

本文亮点

（1） 综述了近年来增材制造技术在制备新材料方面的研究进展；

（2） 从材料冶金、界面反应等角度评述了一些令人鼓舞的结果；

（3） 强调运用增材制造技术“开发新材料”或“创造新材料”的理念；

（4） 提出目前在增材制造领域仍存在一系列有待解决的科学、技术和工程问题。

总结与展望

（1）粉末粒度和粒度分布的影响——粉末颗粒的形状和尺寸是影响增材制造工艺和增材制造部件性能的关键因素。

（2）制备精细微观结构的方法——激光增材制造过程中的原位反应，在原材料中添加难熔颗粒和添加稀土元素是有利于在增材制造构件中形成更精细微观结构的三个重要方法。另一方面，将磁场、振动或其他辅助措施结合到激光增材制造过程中，对改善激光增材制造构件的微观结构和性能具有很大的潜力。综合应用以上这些手段，将研究开发出一系列性能优异的新材料，因此这个领域充满了创新机遇。

（3）通过增材制造工艺创造新材料的前景——功能梯度材料、陶瓷增强金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高熵合金等新材料都是增材制造工艺创造新材料的研究对象。增材制造为设计具有新特性的新型材料提供了全新的可能性，而传统工艺很难实现这种可能性。

（4）广泛应用于受损部件的修复——增材制造技术还可以用于多种材料失效或损伤部件的修复，而且面临巨大的市场，包括航空、航天、船舶、石油和天然气工业中的设备部件，甚至医疗保健行业制品。

（5）深刻理解和应用增材制造新材料的挑战——未来新材料增材制造面临的主要挑战包括：为获得所需的增材制造部件性能而设计的原材料；控制成形过程中的应力和变形、对成形工艺和合成原理的深入理解；微观组织和性能的稳定性和可重复性；计算机模拟和精确预测反应产物的粒径和详细的相组成，将有助于进一步提高增材制造新材料的性能；随着增材制造新材料的研究和应用的不断发展，应建立增材制造新材料的综合力学性能数据库；最后，对增材制造部件的失效分析和寿命预测将变得极其重要。

致谢：该成果受到国家自然科学基金（51775525、51605456和51701198）的资助。

课题组介绍

中国航发北京航空材料研究院3D打印工程技术研究中心，设有航空航天新材料（金属材料、金属基复合材料、铌硅基难熔合金、陶瓷基复合材料、梯度功能材料、满足特殊性能要求的高熵合金材料等）增材制造、复杂结构增材制造、增材制造用合金粉末和丝材制备、增材制造材料与构件的性能表征、增材制造构件缺陷检测、失效损伤部件的增材制造修复与评价、增材制造标准编制等多个研究方向。3D打印中心除了北京航空材料研究院本部外，近年来还开拓建设了镇江基地，总共承担了国家自然科学基金、重点研发项目、预研、关键材料一条龙、航发创新基金、各个型号攻关、北京市科委科技创新、国际合作等多项研究课题，在增材制造应用基础研究及工程化应用方面不断取得创新性成果。