金属增材制造工艺、材料及结构研究进展_张朝瑞.pdf

年 月第 卷 第 期机床与液压 .：.本文引用格式：张朝瑞，钱波，张立浩，等金属增材制造工艺、材料及结构研究进展机床与液压，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家重点研发计划项目（；）；国家自科基金青年科学基金项目（）作者简介：张朝瑞（），男，硕士研究生，研究方向为金属增材制造工艺。：.。通信作者：钱波，副教授，主要研究方向为增材制造工艺与软件。：.。金属增材制造工艺、材料及结构研究进展张朝瑞，钱波，张立浩，茅健，樊红日（上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海）摘要：金属增材制造技术相比于传统制造技术有很大的优势，已经在很多领域得到了应用。基于金属增材制造工艺、材料以及结构的研究现状，分析当前的研究热点以及发展趋势。结果表明：金属增材制造当前的研究热点是材料应用、仿真模拟、智能检测和热处理强化，而且质量评估没有统一的标准；金属增材制造未来发展的趋势是建立标准材料工艺数据库、多材料打印工艺研发、仿真优化模拟、智能化监测管理和热处理强化工艺研发。关键词：金属增材制造；选区激光熔化；工艺研发中图分类号：，（，）：，：；前言增材制造（，）又称为 打印（），是一种新兴的工业制造技术，融合了计算机技术、材料工程、激光技术以及数控技术，以数字三维建模为基础，保存成 文件格式导入到打印机中，使用金属材料或者非金属材料按照层层叠加，其原理如图 所示，是一种自下向上材料累加生长的制造方法，可快速生产工件。增材制造相对于传统的减材制造（，）和成形制造（，）简化了生产流程，避免了生产周期长、成本高、难以生产复杂零件等缺点，已经广泛应用到航空航天、船舶制造、石油化工、生物医疗等领域，极大地促进了制造业的发展，成为了“第三次工业革命”的重点发展对象。图 增材制造技术原理.金属增材制造技术是指以金属材料为加工原材料，借助于激光、电子束、电弧等作为加工能量源，按照零件的结构层熔化金属粉末最终加工完成零件。金属增材制造技术突破了许多传统制造技术难以制造复杂零件的局限性，很多内部空腔结构的零件都能够通过使用它来加工完成。使用金属增材制造技术，可以快速生产结构复杂、材料昂贵的零件，也可以快速生产小批量定制零件，很大程度缩短了生产周期，降低了生产成本。金属增材制造技术作为新兴的制造技术，对未来的制造产业发展具有很大的潜力，在 中国制造 中，它被列为重点发展技术，为推动增材制造技术的发展提供了支持和保证。金属增材制造技术工艺金属增材制造技术从 世纪 年代发展至今，已经 余年，其原理是通过三维建模软件将零件进行实体建模，然后利用切片软件进行切片保存成 格式的文件，再将它导入打印系统内调整工艺参数和路径规划，控制系统将按照工艺参数和路径规划控制激光器进行逐层扫描打印，层层累加直到打印完成。目前，金属增材制造技术主要分为 种：（）利用能量源选择性熔化粉末层，也称为粉末床熔合技术（，），主要代表工艺有选择性激光烧结（，）、选择性激光熔化成形（，）、直接金属激光烧结（，）和电子束熔化成形（，）；（）使用聚焦的能量源熔化材料，常用的工艺主要有激光工程化净成形（，）、直接金属沉积（，）、电子束自由成形制造（，）和电弧增材制造（，）。.选区激光熔化技术（）选区激光熔化技术是当前最常用的一种加工工艺，其原理是利用高强度激光能量源对金属粉末层按照路径规划逐层快速扫描熔化，然后经工作缸、送粉缸和刮刀通过程序联动完成铺粉工作，设备原理如图 所示。选区激光熔化技术生产效率高，可以在很短时间内制造出致密度极高的金属零件，缩短生产周期。选区激光熔化技术在成形的过程中，高能量激光束在极短的时间内与金属粉末发生作用，金属粉末吸收热量熔化然后快速冷却凝固，成形原理如图 所示，在这一过程中容易出现裂纹、孔洞、球化和翘曲等现象，这与工艺参数的选取有很大的关系。在选区激光熔化技术中涉及很多的工艺参数，如图 所示，工艺参数的取值对零件的成形质量有很大的影响，合理地选取主要工艺参数（扫描层厚、扫描速度、扫描功率、扫描间距），可以大大提高零件的精度和性能，也能够提高生产效率，避免打印失败。图 设备原理.图 成型原理.图 工艺参数.为了提高 打印零件的性能，减少打印缺陷，国内外许多学者做了大量的实验，研究 工艺参数与零件性能之间的机制。王迪等人为了提高 不锈钢成形零件性能，设计了六因素五水平正交试验进行工艺试验，并测量了 种典型表面形貌样品的相对密度和轴方向尺寸精度，结果表明粉末完全熔化的样品的致密度较高，性能较稳定，粉末未完全熔化或者未熔时，零件缺陷较多组织不稳定；加工厚度的增大影响了样品最终的尺寸精度；综合考虑样品的表面形貌、致密度和尺寸精度的影响，获得了较优的工艺参数，并设计了复杂结构件进行打印，得到了致密度，尺寸精度.，表面粗糙度 约，取得了很好的效果。次年王迪等人在之前的第 期张朝瑞 等：金属增材制造工艺、材料及结构研究进展 研究基础上，研究扫描速度和扫描功率对熔池宽度的影响，发现熔池附近无粉区宽度与熔池宽度有直接关系，并分析了激光连续扫描粉末状态下的扫描线间搭接缺陷，提出了层间错开扫描策略，如图 所示，该策略对成形零件的致密度和力学性能有了很大的提高。图 扫描策略示意（）与实际效果（）.（）（）杜胶义采用单层单道、单层多道和多层多道工艺试验，研究了激光电流、激光频率、扫描速度、铺粉厚度、扫描间距对 镍基合金粉末成形件性能的影响规律，揭示了成型过程中试样缺陷产生的机制并提出了预防措施，对工艺参数进行了优化，结果表明扫描线线宽和线高与激光电流、脉冲宽度和激光频率呈正相关，与扫描速度呈负相关，在一定范围内成形件的致密度和微观硬度比较高；优化过后的工艺参数组所打印的试样致密度高达.，微观硬度高达。陈洪宇等研究了选区激光熔化 模具钢的相变过程及其机制，分析了激光线能量密度对成形件致密度、显微硬度和力学性能的机制关系；结果表明成形件性能与线能量密度呈曲线相关，在线能量密度为.时，成形件加工缺陷较少，致密度高达.；过高的线能量密度会引起球化现象，孔隙较多，致密度下降；过低的线能量密度会使试样浸润性较差。同年，张虎等人利用选区激光熔化技术研究线能量密度对合金试样致密度的影响，又在最优致密度的基础上研究了 合金试样的显微组织和力学性能，并通过热处理提高了力学性能；结果表明线能量密度达到.时，致密度达到最高.，热处理过后，试样的抗拉强度提高了.，屈服强度提升了.，延伸率提升了 倍。朱加雷等使用 制备了 钛合金试样，研究不同激光功率和扫描速度与钛合金试样的机械性能和显微组织之间的机制关系，利用多种测试手段对试样的断口形貌、显微组织以及综合力学性能进行了分析，研究表明：在一定的工艺条件下，试样拉伸强度高达.，延长率.，另外，在加工过程中降低氧含量添加保护气体有利于提高试样的性能，减少缺陷；为了进一步提高零件性能，采用了再结晶退火和固溶时效的热处理制度，综合提高了试样的强度和塑性性能，但是未能得到后处理与试样力学性能之间的机制关系。等为了研究选区激光熔化技术工艺参数对.打印件的性能影响，通 过 改 变 激 光 功 率 和 扫 描 速 度，研 究 其 对.合金显微组织、相变温度、组织结构和形状记忆响应的影响，结果表明低激光功率的样品相对于高激光功率的样品具有更高的应变恢复率和更低的机械滞后，在相同的能量水平下，不同的工艺参数制备的样品表现也不同。刘杰等人使用选区激光熔化技术成形了马氏体组织 钢构件，表征了不同工艺参数下的 成形件的缺陷、组织性能和力学性能；结果表明在激光体能量密度.的范围中，试样的致密度是低高低的趋势，过高的体能量密度导致粉末具有更高的能量，在粉末熔化凝固的过程中，由于冷却速度相对更迅速而更容易产生裂纹孔洞，过低的体能量密度导致液体的动力学黏度较大，熔体的流动性较低、浸润性下降，层间结合较差；在体能量密度为.时，熔池熔体的各项指标均达到适宜条件，层与层之间的结合较好，致密度较高，试样的平均拉伸强度高达 ，但是试样的延伸率较低，影响延伸率的因素有非均匀组织、较大的热应力和相变应力，其因素与延伸率的机制关系依然是一个需要研究的问题。饶项炜等为了提高铝合金试样的硬度，使用选区激光熔化技术制造碳纳米管增强铝基纳米复合材料构件，通过设置不同的工艺参数，研究致密度、物相、显微组织和力学性能变化趋势；结果表明在一定范围内致密度与能量密度呈正相关，高的能量密度扩大了熔池的尺寸和温度、降低了液相的黏度、改善了浸润性，液相得以均匀铺展，提高了搭接率减少了打印缺陷，成形试件的强度和延伸率分别达到 和.，力学性能良好。等在一定的工艺参数范围内，打印了长方体试样，以 层为周期进行逐层扫描，工艺参数如图 所示。结果表明：显微组织和孔隙率的逐层变化显示了显微组织的稳健性，熔池的大小和稳定性与能量密度有关，能量密度越大，熔体池和柱状晶粒分布越均匀，性能越好，低的能量密度会造成缺陷，降低性能。图 工艺参数.等以激光功率、扫描速度和重叠率 个主要工艺参数，研究选区激光熔化技术制备纯钨丝材料的致密化、显微组织和力学性能与工艺参数之间的机床与液压第 卷机制关系，通过对多层粉末轨迹表面形貌的表征，得到了单轨扫描的最优工艺参数；并且通过光学显微镜的观察，对扫描轨迹的重叠率进行了优化，打印了纯钨块试样进行验证；结果表明优化后的工艺参数打印出来的试样致密度高达.，经退火处理后，测得的抗压强度高达.，拥有优越的力学性能。杜亮利用神经网络和遗传算法对选区激光熔化工艺进行优化，以 不锈钢粉末为实验材料进行实验，利用对复杂模型可以高度逼近的 神经网络建立了工艺参数与致密度之间的映射关系模型，并选取了多组实验数据进行仿真测试，试样的测试值与试验值的相对误差在 以内，结果表明工艺参数与致密度之间有稳定的映射关系，所建立的模型可以适用于选区激光熔化工艺参数的研究，并对 神经网络初始权值和阈值进行了优化，对优化后的模型进行了网络样本测试，大大降低了最大相对误差、平均绝对误差和平均绝对百分比误差，有效地提高了模型的精度和稳定性；将优化后的模型转化为遗传算法的适应度函数并对优化参数进行了改进，对改进后的工艺参数进行了验证，结果表明打印的试样近乎百分百致密，性能较好。.电子束选区熔化成形（）电子束选区熔化成形技术与选区激光熔化技术的加工环境不同，选区激光熔化技术需要在接近无氧的条件下进行打印，电子束熔化成形的工作环境是真空条件下，以高能量的电子束选择性地快速熔化金属粉末或者金属丝，经过层层熔化堆积直至加工完成，基本原理如图 所示。电子束选区熔化技术相比传统制造技术，制造产品周期短、材料利用率高、节省能源、无污染，其独特的真空加工环境更容易加工难熔的材料；但是电子束选区熔化技术也有许多缺点，如：需要专门的真空环境，维护费用昂贵，打印的零件不能太大，由于电子束加工容易产生射线影响人身安全，需要有专门的保护设备。图 电子束选区熔化原理.自从 年提出使用电子束加工金属试样至今，已经有大量的学者和机构进行了研究。杨鑫等人研究了电子束选区熔化 金属粉末试样的显微组织和力学性能，还分析了致密度提高的原因，结果表明在最优工艺参数条件下，可以极大地提高试样的致密度、室温强度和延伸率，性能接近锻件的性能；致密度提高的原因是电子束能量高使材料瞬间烧结变成液相，同时净化了表面，提高了烧结质量，然后快速冷却凝固细化了晶粒，提高了试样的力学性能。晏耐生等针对现有铺粉系统和落粉系统的优缺点，结合电子束选区熔化技术的工作环境进行了改进，提出了一种新的可控振动铺粉落粉方案，设计的系统具有粉末结拱和粉末破拱功能，在加工的过程中铺粉装置不与正在加工的试样相接触且配有传感器进行实时反馈，通过改变铺粉装置运行速度和加速度进行铺粉，结果表明在一定的情况下该系统可以稳定铺粉，最小厚度可以达到.。郭超等人研究了电子束选区熔化 不锈钢的工艺，研究发现电子束功率 与扫描速度 的比值对上表面的粗糙度有很大影响，在一定范围内随着 值的增加，上表面由网结状变化成沟壑状，粉末的飞溅量也增加，提出先用低功率扫描熔化粉末材料，再用高功率扫描重新熔化提高浸润性，该方法得到的试样表面质量较好，组织均匀力学性能较好。次年 等创新性地提出了双金属 新 工 艺，并 且 成 功 制 备 了 梯度结构，分析了该梯度结构的微观组织和化学成分，结果表明：该梯度结构没有裂纹成形状态良好。此研究为增材制造的发展提供了新的方向。陈玮等人采用电子束选区熔化成形研究了不同形态的 合金试样的显微组织和力学性能，结果发现成形态试样的组织多为沉积方向的柱状晶，柱状晶内部多为魏氏组织，有少许片层组织存在，试样的抗拉强度没有受到气孔和未熔粉末的影响，强度的延伸率达到了 标准；热等静压虽然消除了内部缺陷但是降低了试样的力学性能。等研究了电子束选区熔化工艺参数对表面形貌的影响机制，先用有限元方法模拟颗粒熔化和流动过程，制备了多组试样研究扫描速度、输入粉末和能量密度之间的关系，结果表明能量密度越高熔池的宽度和深度越大，扫描速度与熔池的长度没有关系，球化效应是因为能量密度过低或者流动性差引起的。周斌等人利用电子束选区熔化制备了 种不同材料的叶轮体如图 所示，通过测量叶轮的微观组织结构和力学性能，探讨了电子束选区熔化技术在工业上是否可以应用，结果表明打印出来的 和 不锈钢叶轮均满足使用要求，强度高于标准锻件水平，为增材制造的使用方向开辟了新领域。等针对高温合金不可焊进行了研究，选用电子束选区熔化技术制备了 高温合金试样，建立试样是否有缺陷的判据，研究发现在一定的能量密度范围内制备第 期张朝瑞 等：金属增材制造工艺、材料及结构研究进展 的试样无缺陷（气孔小于 、无裂纹），对制备试样的析出相进行了分类分析，并对不同沉积方向的试样进行了、的拉伸试验；通过断口分析，确立了析出相和碳化物在不同温度的强化机制和断裂机制。图 （）和 不锈钢（）叶轮外形及剖视图.（）（）.电弧增材制造（）电弧增材制造是指以电弧为能量源熔化金属材料，按照路径规划进行层层堆积直至成形的一种快速成形技术，具有高效生产、节约成本、安全可靠的特点。电弧增材制造技术相比于选区激光熔化技术和电子束选区熔化技术在大尺寸结构件有很大的优势，尤其是一体化成形复杂结构件，简化了传统制造的准备过程，显著地缩短了研发周期，降低了研发成本，在航空航天、船舶制造、汽车制造、生物医疗以及石油化工领域有很大的应用前景，。但是电弧增材制造加工出来的零件表面质量较差，需要经过表面加工过后才能使用。电弧增材制造技术根据电弧产生的原理可以分为三类：（）为热源的同轴送丝增材制造技术，成形系统主要是 数控机床或者 机器人；（）为热源的旁轴送丝增材制造技术，成形系统主要是 工作台或者 机器人；以 （）为热源的旁轴送丝增材制造技术，成形系统主要是 数控机床。电弧增材制造技术的发展可以认为是 世纪初开始，直到 世纪 年代才形成较完整的加工体系，其原理如图 所示。目前，电弧增材制造技术已经发展了 年时间，国内外许多机构都对电弧增材制造技术进行了研究，并且在电弧增材制造设备、电弧增材制造工艺以及电弧增材制造材料取得了很多成就。从保强、丁佳洛采用 合金为原材料，使用金属过渡工艺方法（，）研究了保护气体流量与电弧增材制造气孔之间的机制关系，结果表明保护气体流量和 工艺方法对电弧增材制造试样的气孔有很大程度的影响，将氩气流量提高至 ，配合 输入的热能以及制造过程中电弧消除材料的氧化膜可以减少甚至消除气孔。夏然飞等为了降低电弧增材制造设备的成本，改善零件的成形效果，参考了加工工艺和加工过程的机械运动，结合电弧增材制造和铣削加工的优点，提出了一种新的工艺方法，该方法使用自主研发的软件进行控制，简化了机械运动避免了干涉问题，有效地提高了增材制造的效率和成形质量。图 电弧增材制造原理.等通过在（）范围内调节送丝速度，对电弧增材制造仿真模拟并且打印了大量的试样，研究熔池尺寸微观组织力学性能之间的机制关系，结果表明随着送丝速度的增加，熔池的大小也相应地增加，如图 所示。宏观组织从柱状晶向等轴晶转化，然后又回到大柱状晶，这是由于冷却速度和热梯度不同造成的；随着送丝速度的增加，试样的极限抗拉强度、屈服强度和断裂伸长率都有下降的趋势（如图 所示），这是由于宏观组织和微观组织的差异造成的。此研究为以后的电弧增材制造工艺研究提供了可靠的依据。等使用电弧增材制造的三维传热和流体流动模型，计算电弧增材制造中的速度和温度场、沉积形状和大小、冷却速率和凝固参数，然后将得到的不同的电弧功率、送丝速度和金属液对流的热循环条件下的几何形状进行了验证，实验表明模型计算的结果与 工具钢镀层的实验数据基本一致，对流换热可以计算出可靠的冷却速率和沉积几何，增加热输入、加快送丝速度可以提高沉积速率。等针对电弧增材制造出现的表面精度低、沉积速率慢和材料利用率低等问题，提出了一种新的工艺规划策机床与液压第 卷略，该策略基于单元块的工艺思想，将复杂的零件分割成层厚不一样的平行层（如图 所示），单元块的尺寸可以通过修改工艺参数来控制，根据零件的几何特征，该方法可以自动确定合适的单元块和工艺参数，由于不同位置的单元块和工艺参数不相同，提高了过渡面之间的容错率，可以改善表面精度、沉积速率和材料利用率。针对一零件经过实验证明，表面精度提高了.，沉积率提高了.，材料利用率提高了.。图 不同送丝速度下的晶粒形貌.：（）；（）；（）；（）；（）图 不同熔池宽度的试样的力学性能.图 单元块原理.等采用焊枪倾斜沉积和外部平行磁场辅助沉积，调整制造过程中的不对称电弧形状和等离子体流动，研究了电弧增材制造重叠沉积过程和等离子体流动的不对称调整与沉积过程中气体保护和传热介质之间的机制关系，并且建立三维数值模型进行模拟仿真验证，结果表明，当焊枪倾角为、外横向磁场的磁感应强度为.时，可以有效地平衡电弧和保护气体，为电弧增材制造提供一个良好的制造条件。等为了提高电弧增材制造沉积层的表面完整性，提出了一种基于激光传感器的电弧增材制造表面粗糙度测量方法，建立了多种机器学习模型、和 预测表面粗糙度，并使用遗传算法和粒子群优化算法对 模型进行优化，将得到的训练数据使用、策略进行训练验证，结果表明遗传算法 预测粗糙度更加准确，为电弧增材制造技术提高表面质量提供了有效的指导。金属增材制造材料.金属增材制造材料分类金属增材制造发展至今，所涉及到的材料种类已经越来越多，可以分为 个体系，主要有钛合金体系、铝合金体系、镁合金体系、铁基合金体系、高温合金体系。各个材料体系主要材料见表，每种材料的使用都驱动着金属增材制造行业的发展。表 主要材料分类.材料体系主要材料材料特点钛合金体系、比强度高、耐腐蚀、耐高温、兼容性好铝合金体系、密度低、强度高、耐高温、耐腐蚀塑性好镁合金体系、密度小、比强度高铁基合金体系、高速钢、模具钢耐腐蚀、耐高温、力学性能良好高温合金体系，形状记忆合金耐高温、耐腐蚀、抗氧化、塑性好.金属增材制造材料性能指标金属增材制造使用的原材料形态主要有 种：金属粉末和金属丝材，不同形态材料用于不同的制造方式，当前使用金属粉末打印最为广泛。.金属粉末金属粉末制备方法主要有雾化法和球化法：雾化法又可以分为气雾化法、等离子旋转电极雾化法和等离子雾化法；球化法主要是等离子体球化法。金属增材制造对于金属粉末的物理性能和化学性能有着严格的要求，金属粉末需要进行化学成分检测（参照标准：、）、氧氮含量检测（参照标准：）、粒度分布检测（参第 期张朝瑞 等：金属增材制造工艺、材料及结构研究进展 照标准：）以及其他项目检测（霍尔流速（参照标准：）、松装密度（参照标准：）以及振实密度（参照标准：），金属粉末的粒径大小和分布、球形度、流动性以及氧氮含量都要满足使用标准才能使用，理想状态下的金属粉末形貌如图 所示。国内外有很多研究金属粉末制备的高校公司和研究院，国内比较著名的有中南大学粉末冶金国家重点实验室、上海市金属功能材料应用开发重点实验室、华中科技大学、山东大学、中航迈特粉冶科技有限公司、江苏威拉里新材料科技有限公司等；国外比较著名的有美国的麻省理工学院、德国 公司、美国 公司、加拿大 公司。当前国产金属粉末还存在着一定的质量问题，大多数优质金属粉末需要进口满足国内需求。图 理想状态下的金属粉末.金属丝材金属增材制造使用的金属丝材一般需要优异的焊接能力，才能够满足使用要求，金属丝材制备需要经过冶炼、拉拔等工艺流程，因为金属丝材本身的形态限制问题，很多较硬的材料无法制备，当前金属丝材以钛合金、高温合金和不锈钢为主。金属增材制造结构金属增材制造打印复杂结构是制造能力的体现，也是传统制造方式无法比拟的优势，常见的结构有薄壁结构、悬垂结构、多孔结构，这些结构对零件打印有特殊的要求，同时在打印的过程中也会出现各种缺陷影响打印质量。邓志强等采用激光熔覆成形对弧形工字梁进行了打印，使用不同的位姿和扫描方法，利用激光加载补能熔覆成形了结构件的不等高扇形部分和弯曲弧形部分（如图 所示），而且成形件的力学性能良好没有缺陷。余超等人研究了倾斜薄壁结构件，提出了通过控制激光束与垂直方向之间夹角的方法，研究夹角的大小与无支撑倾斜薄壁结构之间的机制关系，结果表明夹角过大会导致无支撑熔融粉末区域塌陷，严重影响成形件的质量和精度，当夹角为 时，倾斜薄壁成形良好且实际测得角度与设定角度吻合，在此基础上进行优化，最终成形了夹角为 的倾斜薄壁，成功地制造了三元叶片样件（如图 所示），为打印倾斜薄壁提供了理论支撑。刘婷婷等研究了熔池演变与悬垂夹角和成形质量之间的机制联系，使用 形和岛式 种扫描策略（如图 所示）成形了多组 试样（如图 所示）进行对比，研究发现：熔池面积一开始随着成形高度的增加而增大，达到极值以后熔池面积变小，轮廓边界扫描时的熔池变化很大，不稳定；随着悬垂夹角的减少，熔池面积变小悬垂表面粗糙度变大，种扫描策略相比，形扫描方式更为稳定，悬垂表面粗糙度较低。多孔结构相比于实体结构具有体密度小、表面积大等优点，可以在医学上作为医用植入体，也可以在工业上作为轻量化的典型应用。主流的多孔结构设计方法有 种：计算机辅助设计法、三周期极小曲面法、法和拓扑优化法，每种方法都有其设计的典型结构。图 弧形工字梁成形件主视图（）和俯视图（）.（）（）图 三元叶片成形效果.图 岛式扫描（）和 形扫描（）.（）（）机床与液压第 卷图 不同悬垂夹角成形件.汪飞 雪 等为 了 改 善 常 规 四 棱 锥（，）节点作用力大且受力不均等问题，采用球型增强变截面四棱锥点阵结构（，）代替常规四棱锥，有效提高了其力学性能，并且完善了点阵几何拓扑分析，基于铁木辛柯梁理论建立数学模型，得到了点阵主要参数与相对密度、等效弹性模量、等效屈服强度之间的函数关系，采用选区激光熔化技术打印了不同曲率半径的 模型（如图 所示），验证其主要参数与力学性能之间的函数关系，结果与理论相吻合，点阵结构力学性能明显优于传统 点阵结构。刘佩玲等研究了激光 打印参数与 铝合金点阵结构的组织和力学性能之间的机制关系，打印多个不同工艺参数的点阵试样，观察了金相组织和测试了力学性能，结果表明当工作温度为 ，层厚为 ，激光束直径 ，扫描功率为 ，扫描速度为 时，制备的铝合金点阵力学性能最优，显微组织层层交错堆叠，由 等轴胞状晶和球状 颗粒相组成，成形效果良好。等考虑到在实际应用中，各个部分所受到的载荷不同，不能充分发挥均匀密度网格的作用，针对这种情况将拓扑优化应用到点阵结构设计中，设计了变密度点阵结构，充分考虑网格结构、网格填充率和质量约束率，模拟了 组正交试验，综合考虑应力、应变和轻量化，最终选取了一组最优参数，并制备了航空摇臂进行验证，结果表明应变和质量有所降低，应力降低得最为明显，解决了航空零部件摇臂的轻量化问题。图 不同曲率半径的 点阵结构.当前研究热点从 年至今，科研学者对增材制造的研究继承与发展，发表了大量的论文，代表着该领域的研究热点、研究难点以及最新的研究成果。对该领域已经发表的文献进行全面的分析，总结增材制造的突破性进展，有助于深刻地认识增材制造的发展与演化，从而进一步分析未来发展的趋势，主动掌握核心竞争力，促进国家制造业的发展。.增材制造论文发表情况在 核心合集数据库中，以“”为主题词，时间节点选取 年 月，去除、综述论文、在线 发 表、社 论 材 料、修订、书籍、信函、等文献，共检索到学术论文 篇。图 所示为 年增材制造领域论文发表数量，可以看出论文的数量是每年逐步增长的，近 年每年论文发表量已经超过 篇，相比于 年已经增长了接近 倍。论文数量的增长也反映出了科研学者对增材制造研究越来越深入，增材制造的应用也越来越广泛。将检索到的 篇论文按照研究领域划分如表 所示，可以分为 个领域分别是 、和 （论文数量由多到少排列），排 名前 的数 量 高 达 篇、篇、篇（论文数相加多于总数是因为同一篇论文涉及多个学科）。对论文的研究方向进行分类，如 图 所示，可知：、和 这 个研究方向排在前 位，论文相关量分别在 万篇（前 位）、万篇（、位）以上，说明这几个研究方向当前热度很高。将检索的论文按照所属国家进行分类，如图 所示，排在第一位的是中国，发表了 篇增材制造领域的论文，反映了中国近十几年制造业的快速发展，紧跟其后排在第二位的是美国，发表了 篇文献，德国、韩国、意大利以及其他国家发表论文数量在 篇以下，可以说中国和美国是增材制造领域最活跃的国家。图 年增材制造论文发表情况.第 期张朝瑞 等：金属增材制造工艺、材料及结构研究进展 表 年增材制造研究领域论文情况.学科领域 论文数量 篇 图 年增材制造研究方向论文发表数量.图 年增材制造论文发表国分布情况.金属增材制造论文发表情况为了准确分析金属增材制造，对已经检索得到的 篇文献重新进行提炼得到了 篇与金属增材制造相关的文献，然后选取引用量靠前的 篇论文进行重点分析。图 图 分别为 篇高被引论文中的所属机构、所属国家以及发表数量较多作者。可以看出：和 是发表金属增材制造的主流机构，发表数量分别达到 篇和 篇，远超过其他科研机构。美国、中国、英国、德国、澳大利亚、新加坡、法国和意大利是高被引论文的主要产出国，其中美国和中国的产出量远远超过其他国家，总数达到 篇，表明了近 年美国和中国对金属增材制造领域的影响最大。、和 是排名前 位的发表数量较高的作者，可以说是金属增材制造领域最权威的学者，对近 年金属增材制造影响最大。表 列出了金属增材制造领域的引用排名前 的论文信息，引用次数最高的论文是，年在 发表的论文 ：，引用次数高达 次，可见该论文对金属增材制造的影响之大，对近 年金属增材制造的发展起到了引领性的作用。在前 篇高被引论文中有 篇是 年发表的论文，可以得出金属增材制造技术正在快速发展。将检索到的 篇高被引论文导成纯文本文件，然后使用 对其进行文献分析，得到了关键词时间图谱（如图 所示），关键词出现频率较高的有“”、“”、“”、“”、“”、“”、”、“”、“”，通过这些关键词可以推断当前的研究热点是制造工艺、力学性能、成形材料、仿真优化、成形过程监测等方面。因此，制造成形问题已经不再是难题，科研学者研究更多的是如何提高制造效率、提高成形质量、开发新的材料工艺。模拟仿真可以更好地了解金属增材制造成形机制，预知在加工过程中可能出现的问题，及时解决提高生产效率。成形过程监测可以实时观察打印动态，快速应对出现的问题，避免不必要的损失。图 年间高被引论文所属机构.机床与液压第 卷图 年间高被引论文所属国家.图 年间发表数量较高作者.表 年金属增材制造高被引论文.排名标题第一作者研究方向发表年份 被引次数 ：“”，（）：，：，：第 期张朝瑞 等：金属增材制造工艺、材料及结构研究进展 图 年高频关键词贡献图谱.金属增材制造展望金属增材制造技术已经极大了改变了制造业的生产方式，促进了工业的发展，但是在很多方面依然存在着不足，基于文献分析可以得出以下结论：（）建立标准材料工艺数据库。金属增材制造还有很大的提升空间，对于该技术的研究也是百家争鸣、遍地开花，导致没有形成统一的评判标准。各类设计软件的精度不一，加上打印设备智能化程度不同，各种误差的累计会造成零件的成形质量很难达到要求。建立标准材料工艺数据库作为加工指南，有利于提高打印质量和生产效率，及时调整工艺参数来应对生产出现的问题。当前金属增材制造所使用的材料多为不锈钢、高温合金和钛合金，建立标准材料工艺数据库作为参考依据也有利于开发镁合金、铜合金、铝合金等新的材料工艺。（）多材料打印工艺开发。复杂的工况对零件的性能提出了更高的要求，在满足零件精度要求的同时，零件的性能也需要极大地提高，单材料打印很难满足要求。多材料打印可以控形、控性和控材，零件性能随着位置的不同而变化，可以满足梯度功能结构件使用要求。研究不同材料的成形机制，通过调整工艺参数提高不同材料结合率，有利于提高打印质量，减少应力的产生。（）仿真优化模拟。金属增材制造在打印过程中会产生很大的物理变化和化学反应，具有很大的不稳定性，尤其是新材料工艺的开发和复杂结构件的制备。加工材料的物理属性和工艺参数对零件的成形质量起到了决定性作用，金属粉末在加工过程中形成的熔池是动态不稳定的，研究熔池演变的机制和熔池动力学有利于提高零件性能。建立多物理场仿真模拟，根据模拟的结果对制备的零件进行优化设计，有利于避免制备过程中出现打印失败零件报废的情况，节省制造成本，提高制备成功率。（）智能化监测管理。在生产过程中，运用图像处理技术对零件打印进行智能监测，实时采集信息检测打印质量，在打印过程中出现裂纹、翘曲等缺陷可以及时应对解决。通过分析打印现象和打印质量，科学调整工艺参数进而提高打印质量。（）热处理强化工艺研发。金属增材制造是基于高能激光束快速熔化金属粉末凝固成形，会造成很大的残余应力，对零件的性能造成很大的影响。热处理消除零件的残余应力，同时提高零件的稳定性。热处理可以细化晶粒，改善零件的微观组织。合理调控热处理的温度和时间长短，可以析出更多的强化相、减少脆性相的析出，提高零件性能。参考文献：，：，：，：，（）：雷聪蕊，葛正浩，魏林林，等 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