金屬多材料增材制造研究現(xiàn)狀與展望

郭照燦，張德海，何文斌，楊光露,2，李軍恒，付亮

金屬多材料增材制造研究現(xiàn)狀與展望

郭照燦1，張德海1，何文斌1，楊光露1,2，李軍恒1，付亮1

（1. 鄭州輕工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002；2. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽(yáng)卷煙廠，河南 南陽(yáng) 473007）

當(dāng)代社會(huì)對(duì)產(chǎn)品的功能及性能的要求越來(lái)越高，苛刻的使役條件要求零件具有功能耦合、多環(huán)境適應(yīng)的能力。金屬多材料增材制造技術(shù)相比傳統(tǒng)制造技術(shù)具備更大的優(yōu)勢(shì)，在航空航天、汽車工業(yè)、電力行業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中均具有廣闊的應(yīng)用前景。研究了電子束增材制造、電弧增材制造和冷噴涂增材制造在金屬多材料增材制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀以及最新發(fā)展。重點(diǎn)研究了金屬多材料增材制造技術(shù)在宏觀成形精度、微觀組織缺陷和粒子界面結(jié)合中存在的關(guān)鍵問題。最后，指出了金屬多材料增材制造技術(shù)在材料種類、基礎(chǔ)理論、零件復(fù)雜度、質(zhì)量控制等方面的發(fā)展趨勢(shì)。將為金屬多材料應(yīng)用于增材制造技術(shù)提供新的思路和借鑒價(jià)值。

多材料；增材制造；微觀組織；成形精度

隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品功能及性能的要求越來(lái)越高。在航空航天、國(guó)防軍工、醫(yī)療器械、汽車制造等領(lǐng)域，大型高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造成為亟需解決的難題。例如，在航空航天領(lǐng)域中，空間飛行器艙體和整流罩等部件除了要具有一定的強(qiáng)度、剛度外，還要滿足輕量化、抗氧化性等要求[1]；在醫(yī)療器械領(lǐng)域中，人造移植金屬材料不僅要具有與骨骼相比擬的力學(xué)特性，還要具有特殊的微觀結(jié)構(gòu)和一定的腐蝕抗力[2]；在汽車制造領(lǐng)域中，要求零件在保持優(yōu)良的強(qiáng)度、耐蝕性、抗氧化性的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化[3]。上述極端復(fù)雜工況對(duì)材料功能性提出了新的發(fā)展需求，單一金屬在很多情況下已經(jīng)難以滿足工業(yè)應(yīng)用對(duì)材料綜合性能的要求，因此具備多種金屬特性的多材料零部件具有極大的發(fā)展前景和廣闊的應(yīng)用場(chǎng)合。

傳統(tǒng)的多材料制造技術(shù)是通過(guò)控制溫度和壓力將多種性質(zhì)不同的材料經(jīng)過(guò)一定的復(fù)合工藝結(jié)合在一起，主要有焊接、軋制、鑄造等方法。傳統(tǒng)加工方法制造的零部件致密度高，可用材料多樣，但其功能比較局限，生產(chǎn)效率較低，并且由于加工技術(shù)的限制，也難以獲得復(fù)雜的零件構(gòu)型。多材料增材制造技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述難題提供了新方法。多材料增材制造（Multi-material additive manufacturing，MM-AM）技術(shù)是利用現(xiàn)有的增材制造加工方法，使用多種具有優(yōu)異性能的材料對(duì)零部件進(jìn)行整體成形，從而改善零部件的性能或者實(shí)現(xiàn)零部件的多種特殊功能[4]。MM-AM技術(shù)可成形具有復(fù)雜材料屬性和幾何屬性的結(jié)構(gòu)以及更多功能的實(shí)體結(jié)構(gòu)，例如，功能梯度材料結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及雙金屬結(jié)構(gòu)[5]。作為MM-AM中最具潛力的技術(shù)，金屬多材料增材制造技術(shù)取得了快速發(fā)展。金屬多材料增材制造技術(shù)是指使用多種金屬材料，制備出具有多種材料特性的單個(gè)復(fù)雜功能部件的增材制造技術(shù)[6]，目前已初步應(yīng)用于國(guó)防、海洋、醫(yī)療等重要領(lǐng)域。

根據(jù)近年來(lái)金屬多材料增材制造技術(shù)的研究進(jìn)展，文中研究了電子束、電弧和冷噴涂增材制造技術(shù)在金屬多材料上的科學(xué)現(xiàn)狀，總結(jié)了金屬多材料增材制造技術(shù)所面臨的關(guān)鍵問題，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 研究現(xiàn)狀

增材制造技術(shù)根據(jù)能量源屬性（電子束或電?。?、原料狀態(tài)（塊體、液體或粉末）和原料反應(yīng)方式（熔化、粘結(jié)或化學(xué)反應(yīng)）的不同，衍生出了眾多技術(shù)路線[7]，其中電子束增材制造技術(shù)（Electron beam melting，EBM）、電弧增材制造技術(shù)（Wire arc additive manufacture，WAAM）和冷噴涂增材制造技術(shù)（Cold spraying，CS）可用于制備金屬材料。由于增材制造系統(tǒng)的限制，現(xiàn)有研究主要集中在單種材料的零件成形，對(duì)多材料零件成形少有研究。因此，如何將增材制造從傳統(tǒng)的控形向控性發(fā)展，從單材料向多材料發(fā)展是多材料增材制造技術(shù)的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.1 電子束增材制造技術(shù)

電子束增材制造技術(shù)又稱電子束熔化技術(shù)，是以電子束為熱源，將金屬粉末或金屬絲在真空環(huán)境中按設(shè)定的路徑逐層沉積，直到制造出目標(biāo)零件或毛坯的一種增材制造技術(shù)[8]。電子束具有獨(dú)特的“釘形”熔池形貌，穿透力強(qiáng)，可對(duì)多層沉積體進(jìn)行重熔，減少了內(nèi)部孔洞等缺陷，提高了沉積體的致密度[9]，可獲得具有微細(xì)組織結(jié)構(gòu)、延展性好、疲勞強(qiáng)度高的成形產(chǎn)品。

電子束增材制造技術(shù)能量密度大，加熱溫度高，非常適合鎢、鉭、鈮等超高熔點(diǎn)合金的加工，但對(duì)于一些高熱導(dǎo)率、低彈性模量的絲材（如紫銅等），容易受熱變形，造成沉積過(guò)程中斷。另外，真空環(huán)境可有效避免鈦、鋁等活性金屬的氧化，保持材料的高純度，但由于缺少氣體散熱，熱量積累嚴(yán)重，液態(tài)金屬過(guò)多，容易造成沉積層熔池側(cè)漏。

電子束增材制造技術(shù)在制備復(fù)合材料及梯度材料方面具有潛力，通過(guò)配置雙絲機(jī)構(gòu)，從2個(gè)獨(dú)立控制的送絲裝置上料，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)加工2種不同的金屬絲材[10]。清華大學(xué)機(jī)械工程系[11]先后開發(fā)出電子束數(shù)字化掃描系統(tǒng)、主動(dòng)式鋪送粉系統(tǒng)，并在主動(dòng)送粉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)了雙金屬梯度材料的復(fù)合成形工藝。TERRAZAS等[12]利用電子束熔化工藝制造出了Ti6Al4V和Cu的雙金屬部件，如圖1所示。郭超等[13]采用電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBSM）制備了Ti6Al4V/Ti47Al2Cr2Nb梯度結(jié)構(gòu)并對(duì)其微觀組織和化學(xué)成分進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)的截面厚度約為300 μm，沒有裂紋，化學(xué)成分在界面處呈階梯式變化。圖2為該梯度結(jié)構(gòu)A1元素含量分布情況，可見沿著成形高度方向，材料成分實(shí)現(xiàn)逐層過(guò)渡。

圖1 Ti6Al4V/Cu雙金屬零件[12]

圖2 梯度材料的Al元素含量分布[13]

ZHAI等[14]制備了Ti48Al2Cr2Nb/Ti6Al4V雙金屬組件，并研究了不同形狀的擴(kuò)散中間層對(duì)雙金屬組件拉伸強(qiáng)度的影響。HINOJOS等[15]制備了IN718/ 316L和316L/IN718這2種不同的雙金屬構(gòu)件，發(fā)現(xiàn)IN718/316L界面沒有明顯空隙或開裂，而316L/IN718界面存在明顯裂紋。KALASHNIKOV等[16]利用電子束熔化技術(shù)制造了鋁合金/銅雙金屬結(jié)構(gòu)，確定了不同工藝參數(shù)下樣品結(jié)構(gòu)中缺陷的形成機(jī)理，研究了鋁合金、銅連續(xù)沉積時(shí)邊界區(qū)梯度組織的形成特征。孫文君等[17]通過(guò)EBM技術(shù)制備了抗拉性能為310.9 MPa、硬度大于180 MPa的Cu/304不銹鋼異種接頭。

上述研究表明，電子束增材制造技術(shù)具有制備金屬多材料零件的能力。與模鍛工藝不同，電子束增材制造技術(shù)不需要專用模具，在小批量零件生產(chǎn)方面獨(dú)具交貨期短的優(yōu)勢(shì)。另外，電子束增材制造技術(shù)可以通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)整能量的大小，使零件保持一致的幾何形狀、化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)。因此EBM在多材料大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件、精密復(fù)雜構(gòu)件的制造方面具備較大優(yōu)勢(shì)。

1.2 電弧增材制造技術(shù)

電弧增材制造技術(shù)是一種利用逐層熔覆原理，以焊接電弧為熱源將材料熔化，在程序的控制下，根據(jù)三維CAD模型由線-面-體逐漸成形出金屬零件的先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)[18]。電弧增材制造所用熱源主要由

熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Melt inert-gas welding，MIG）、鎢極惰性氣體保護(hù)焊（Tungsten inert gas welding，TIG）以及等離子電弧焊（Plasma arc welding，PAW）等電源產(chǎn)生[19]。

電弧增材制造技術(shù)的主要應(yīng)用目標(biāo)是大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的低成本、高效快速近凈成形。WAAM技術(shù)比鑄造技術(shù)制造的材料的顯微組織及力學(xué)性能更優(yōu)異，比鍛造技術(shù)更節(jié)約原材料，尤其是貴重金屬材料。與以激光為熱源的增材制造技術(shù)相比，WAAM對(duì)金屬材質(zhì)不敏感，可以成形對(duì)激光反射率高的材質(zhì)，如鋁合金、銅合金等。

WAAM具有靈活性，它可以在制造單個(gè)組件時(shí)連續(xù)或同時(shí)使用多種材料，通過(guò)調(diào)節(jié)不同材料的配比和層間角度，利用各自的性能特點(diǎn)，制造出具有某種或者多種特殊性能的結(jié)構(gòu)件[20]。EIMER等[21]利用WAAM技術(shù)制備了鋁/鋅雙金屬組件，研究了不同的工藝參數(shù)和配置對(duì)工藝穩(wěn)定性和沉積材料微結(jié)構(gòu)的影響。WU等[22]通過(guò)電弧增材制造工藝制造了鋼/鎳結(jié)構(gòu)部件，發(fā)現(xiàn)其抗拉強(qiáng)度大大超過(guò)鎳合金或不銹鋼同種材料結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度。徐俊強(qiáng)等[23]采用等離子弧增材系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不銹鋼/高強(qiáng)鋼異質(zhì)異構(gòu)增材構(gòu)件的制備，研究發(fā)現(xiàn)，增材構(gòu)件橫截面硬度波動(dòng)較大，材料的沖擊韌性有所提高。DHARMENDRA等[24]采用WAAM工藝制備了鎳鋁青銅（NAB）和316L不銹鋼的混合部件，如圖3所示。由圖3c可以發(fā)現(xiàn)該雙金屬部件界面區(qū)域沒有毛孔與裂紋，形成了良好的冶金結(jié)合，證明了WAAM具備制造金屬多材料零件的能力。

SHEN等[25]利用鎢極氣體保護(hù)焊和雙絲電弧熔覆系統(tǒng)制造了鐵/鋁功能梯度材料，研究表明實(shí)際成分梯度非常接近設(shè)計(jì)值，且在室溫下產(chǎn)生了預(yù)期的高硬度和低延性值。YAO等[26]利用MIG-WAAM技術(shù)成形了高氮奧氏體不銹鋼/316L不銹鋼雙金屬結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)的變化對(duì)高氮奧氏體不銹鋼焊道表面成形特性影響極大，易出現(xiàn)氣孔。另外，通過(guò)降低起弧次數(shù)，采用閉合路徑，提高了異材交織結(jié)構(gòu)的成形精度，減少了后處理加工。AHSAN等[27]基于氣體金屬弧焊接和電弧增材制造系統(tǒng)，制造了低碳鋼/316L雙金屬結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)雙金屬界面沒有任何焊接缺陷，且由于鉻的遷移，硬度有所增加。許新猴等[28]利用激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)制備了D500/A514雙金屬部件，并利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)焊接變形及殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好。

圖3 NAB/316L雙金屬零件[24]

通過(guò)上述研究，可以發(fā)現(xiàn)電弧增材制造技術(shù)有能力制備金屬多材料零件，且零件顯微組織及力學(xué)性能優(yōu)異。與電子束熔化技術(shù)相比，WAAM技術(shù)形成的熔池大，沉積效率高，后續(xù)材料切削量少，構(gòu)件尺寸受限小，適用于制造大型金屬多材料零部件[29]。

1.3 冷噴涂增材制造技術(shù)

冷噴涂是一種固相沉積技術(shù)，主要依賴于噴涂過(guò)程中的動(dòng)能，使粒子產(chǎn)生變形來(lái)實(shí)現(xiàn)沉積，因此也被稱為動(dòng)能噴涂（Kinetic spraying）[30]。粉末顆粒在Laval噴嘴中被加熱的高速氣流（空氣或惰性氣體）加速到超音速，并與基體撞擊產(chǎn)生強(qiáng)烈的物理化學(xué)與機(jī)械結(jié)合，進(jìn)而在基體上沉積形成涂層或塊體[31]。

由于冷噴涂固有的沉積特性，導(dǎo)致冷噴涂沉積體塑性極差（一般延性小于1%）且內(nèi)部結(jié)合界面存在一定程度的孔隙，降低了沉積體組織的致密性，顯著劣化了沉積體的腐蝕防護(hù)性能、傳導(dǎo)及力學(xué)性能。

冷噴涂可通過(guò)更換送粉器的粉末或采用多組元的送粉器來(lái)制備多金屬涂層或塊體，主要針對(duì)易于塑性變形的軟質(zhì)金屬，包括Cu，Al，Ni，Zn，Ag等。圖4為采用冷噴涂方法制備的金屬多材料塊體。YCA等[32]采用CS技術(shù)在銅基體上噴制銅鉻涂層，并發(fā)現(xiàn)銅表現(xiàn)出較大的塑性變形，鉻表現(xiàn)出一定的裂紋甚至斷裂，且涂層硬度高，變形差，與基體具有良好的附著力。HUANG等[33]在鋁合金和不銹鋼基體上噴涂制備了銅涂層，研究發(fā)現(xiàn)，隨著粒子速度的升高，結(jié)合強(qiáng)度增加，粒子-基體間的機(jī)械咬合作用增強(qiáng)，界面間形成了有效的冶金結(jié)合。YANG等[34]在Q355B鋼基板上冷噴涂鋁、銅涂層，并進(jìn)行噴砂處理，研究表明，僅噴砂處理可以增加裂紋長(zhǎng)度，降低裂紋擴(kuò)展速率，從而延長(zhǎng)基板的疲勞壽命，而噴砂處理與后續(xù)冷噴涂銅達(dá)到的改善效果大于冷噴涂鋁。

圖4 冷噴涂金屬多材料塊體[35]

ZHAO等[36]將冷噴涂工藝與熱軋工藝相結(jié)合制備了鈦/鋼復(fù)合板，研究了軋制溫度對(duì)復(fù)合板界面組織和力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)軋制溫度為850 ℃時(shí)，界面處形成了250 nm厚的TiC擴(kuò)散層，實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合，伸長(zhǎng)率最高。當(dāng)軋制溫度為950 ℃時(shí)，界面處形成了400 nm厚的擴(kuò)散層，由TiC和FeTi化合物組成，拉伸強(qiáng)度最佳。當(dāng)軋制溫度提高到1050 ℃時(shí)，擴(kuò)散層（由粗TiC和FeTi相組成）的厚度急劇增加到4 μm，試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率較差。付斯林等[37]采用冷噴涂方法制備了界面結(jié)合良好、無(wú)氧化物的銅/鋁異質(zhì)接頭，其拉伸強(qiáng)度為63 MPa。

由上述研究可以看出，冷噴涂增材制造技術(shù)在制備多金屬涂層、塊體方面具有潛力。與電子束、電弧熔化技術(shù)不同，冷噴涂過(guò)程中顆粒僅發(fā)生塑性變形，使零部件的物理、化學(xué)性質(zhì)與原材料保持一致，并且不經(jīng)過(guò)熔化再凝固過(guò)程，避免了金屬元素的燒損等冶金缺陷[38]。因此，在溫度敏感金屬材料（Al，Cu，Ti等）的多材料增材制造領(lǐng)域有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2 關(guān)鍵問題

電子束、電弧及冷噴涂增材制造技術(shù)在制備金屬多材料零件上具備極大的潛力。在金屬多材料增材制造技術(shù)的研究過(guò)程中，仍然存在著許多挑戰(zhàn)。一方面，多金屬材料存在組織和力學(xué)性能的各向異性，且表面質(zhì)量、尺寸精度和一致性也不及傳統(tǒng)的鑄造、鍛造工藝。另一方面，由于成形過(guò)程的穩(wěn)定性難以控制，零件內(nèi)部必然存在氣孔、裂紋、夾雜、未熔合等組織缺陷[39]。因此，如何提高成形件力學(xué)性能和尺寸精度，減少組織缺陷是金屬多材料零部件制造方面一個(gè)重要的研究方向。

2.1 宏觀成形精度

金屬多材料增材制造技術(shù)目前主要用于制造幾何形狀及結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的零件，成形精度低，表面波動(dòng)大，一般都需要二次表面機(jī)加工。在電子束、電弧增材制造過(guò)程中，零件熱積累嚴(yán)重，熔池不易凝固，堆積層形狀難于控制，導(dǎo)致成形件表面質(zhì)量較差。在冷噴涂增材制造中，通過(guò)高速粒子的塑性變形沉積形成涂層或塊體，因此零件的成形精度也不高。

金屬多材料增材制造技術(shù)的工藝參數(shù)對(duì)成形精度具有較大的影響。李曌等[40]對(duì)電子束束斑大角度偏轉(zhuǎn)下增材制造設(shè)備的性能進(jìn)行了研究。結(jié)果如圖5所示，通過(guò)修正設(shè)備的聚焦電流，使同一偏轉(zhuǎn)角下前后束斑的直徑小了0.2 mm，提高了電子束大角度偏轉(zhuǎn)下零件的成形精度。ZHAO等[41]提出了一種形狀跟蹤邊緣循環(huán)補(bǔ)償（SECC）方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)整不同焊接參數(shù)下的焊縫寬度和焊縫高度，提高了零件的成形精度和表面平整度，且該方法具有較高的可行性，可廣泛應(yīng)用于WAAM應(yīng)用中。

圖5 修正前后束斑大小對(duì)比[40]

近年來(lái)，增減材復(fù)合制造技術(shù)發(fā)展迅速，它是一種將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、軟件控制及增材制造與減材制造相結(jié)合的新興技術(shù)，在軍事國(guó)防、航空航天、汽車制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)增減材復(fù)合制造技術(shù)的研究，零件的成形工藝可分為3種：① 在增材制造完成后對(duì)零件進(jìn)行機(jī)加后處理，以提高幾何精度和表面質(zhì)量，一般運(yùn)用于制造簡(jiǎn)單幾何結(jié)構(gòu)的零件；② 在零件近凈成形的過(guò)程中交替運(yùn)用增材與減材工藝，以提高零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和精度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何構(gòu)件高精度制造；③ 通過(guò)將具有復(fù)雜內(nèi)部特征的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行特征分解再重構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的無(wú)支撐制造[42]。KARUNAKARAN等[43]將電弧焊與銑削相結(jié)合，對(duì)每一層沉積體上表面進(jìn)行銑削處理，直至成形件沉積完成，最后再進(jìn)行外輪廓銑削以保證成形精度。ZHU等[44]研究了集熔絲增材制造、機(jī)械加工和測(cè)量為一體的復(fù)合加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜難加工零件的高精度制造。由此可見，除優(yōu)化工藝參數(shù)外，減材后處理也是有效去除多金屬零部件表面缺陷，提高表面粗糙度和尺寸精度的重要手段。

2.2 微觀組織缺陷

電子束、電弧增材制造過(guò)程是以高溫熔融金屬逐層堆積的方式制造三維實(shí)體構(gòu)件的。隨著堆積層數(shù)的增加，零件熱積累嚴(yán)重，使材料在堆疊過(guò)程中易產(chǎn)生飛濺、形成多個(gè)氣孔。另外，材料的非平衡凝固會(huì)導(dǎo)致成形件內(nèi)部疏松，存在大量殘余應(yīng)力，容易造成應(yīng)力變形。這些問題都嚴(yán)重影響了零件的成形質(zhì)量和冶金結(jié)合強(qiáng)度。

電子束、電弧增材制造成形件的宏觀力學(xué)性能在很大程度上取決于其微觀組織結(jié)構(gòu)，而工藝參數(shù)的變化會(huì)引起復(fù)雜的微觀組織轉(zhuǎn)變，因此可通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)性能控制。SHU等[45]利用電子束熔絲增材制造技術(shù)制備了Cu/304不銹鋼梯度材料，并測(cè)定了鐵元素的含量和分布，如圖6所示。隨著銅層數(shù)的增加，鐵元素的分布更加均勻，且當(dāng)銅層數(shù)大于3時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)富鐵α相。BENAKIS[46]采用TIG電弧增材制造技術(shù)制備了IN718/316L雙金屬試樣，研究了熱脈沖、高脈沖電流對(duì)熔透深度和焊道寬度的影響，發(fā)現(xiàn)焊道寬度與熔透深度呈線性相關(guān)關(guān)系，當(dāng)同時(shí)使用熱脈沖和高頻脈沖時(shí)，焊道幾何形狀將保持較高的總高度與熔透比。

采用試驗(yàn)的方法可以建立零件成形質(zhì)量與工藝參數(shù)的匹配關(guān)系，但由于成形材料種類廣泛且成形過(guò)程中影響因素眾多，若通過(guò)試驗(yàn)對(duì)所有材料、因素進(jìn)行研究將會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間和精力，因此能夠?qū)Τ练e層形貌、質(zhì)量、尺寸精度、溫度場(chǎng)分布等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和修正的閉環(huán)控制系統(tǒng)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。GRASSO等[47]提出了基于高空間分辨率成像的粉末床均勻性監(jiān)測(cè)方法和基于高時(shí)間分辨率視頻成像的熱點(diǎn)探測(cè)方法，這2種方法信息互補(bǔ)，可以用來(lái)快速檢測(cè)粉末層或打印切片中的局部熱積累。蔣宇輝等[48]設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種基于焊接機(jī)器人的電弧增材制造系統(tǒng)，通過(guò)電弧增材制造工藝試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該制造系統(tǒng)具有修改增材制造工藝參數(shù)方便、成形效果良好、成形精度較高等優(yōu)點(diǎn)。

總體來(lái)看，對(duì)金屬多材料成形件力學(xué)性能的相關(guān)研究主要集中在工藝參數(shù)對(duì)熱力學(xué)行為、沉積層形貌、顯微組織演變的影響以及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證等方面。除試驗(yàn)測(cè)試外，數(shù)值模擬、層間輥壓、超聲波沖擊、熱處理等也是改善成形件內(nèi)部微觀組織缺陷的有效方法。

2.3 粒子界面結(jié)合

作為一種固態(tài)沉積技術(shù)，冷噴涂增材制造存在的主要問題是噴涂制備的涂層或塊體塑性較差，其原因是粉末顆粒在冷噴涂過(guò)程中經(jīng)歷劇烈的沖擊變形，沉積體會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力導(dǎo)致加工硬化，同時(shí)顆粒之間以機(jī)械結(jié)合為主，存在間隙、微孔、微裂紋以及氧化物夾雜等缺陷，使沉積體結(jié)合力較弱，力學(xué)性能、熱電性能和抗腐蝕性能較低。因此，如何改善沉積層界面間晶粒結(jié)合、提高成形件塑性是冷噴涂增材制造的研究重點(diǎn)。

圖6 銅/304不銹鋼梯度熔覆層的光學(xué)顯微組織圖像[45]

熱處理是改善冷噴涂沉積層塑性的有效途徑，通過(guò)熱處理過(guò)程中的回復(fù)、再結(jié)晶以及晶粒長(zhǎng)大過(guò)程可以改變冷噴涂沉積層的微觀結(jié)構(gòu)，從而改善其塑性。馮力等[49]對(duì)低壓冷噴涂制備的Cu/Al涂層進(jìn)行熱處理，結(jié)果如圖7所示，當(dāng)熱處理溫度為450 ℃時(shí)，涂層內(nèi)Cu和Al元素發(fā)生了明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象，涂層具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，其空隙率和腐蝕速率分別為0.44%和0.55 g/(m2·h）。GYANSAH等[50]制備了SiC/Al冷噴涂復(fù)合材料，研究了熱處理對(duì)其顯微組織、熱物理性能和彎曲性能的影響。結(jié)果顯示，在熱處理?xiàng)l件下，裂紋分叉、裂紋撓曲和界面分層是主要的增韌機(jī)制，且與噴射狀態(tài)相比，由于純Al的粗化作用，彎曲強(qiáng)度顯著提高。劉衛(wèi)等[51]采用冷噴涂技術(shù)制備了Ni/Al2O3涂層，經(jīng)過(guò)熱處理后，涂層更加致密，其硬度降低為（98.2±19.2）HV0.2，韌性得到提高。

圖7 熱處理溫度對(duì)銅/鋁復(fù)合涂層顯微硬度和腐蝕速率的影響[49]

上述研究表明經(jīng)過(guò)熱處理后沉積體力學(xué)性能和耐腐蝕性能得到了明顯提高，但熱處理無(wú)法完全消除沉積體內(nèi)部孔洞及不良結(jié)合界面等缺陷，因此，需要進(jìn)一步研究其他提高沉積體塑性的方法。曹聰聰?shù)萚52]研究了冷噴涂噴嘴材料對(duì)粒子加速行為的影響，發(fā)現(xiàn)高熱導(dǎo)率材料噴嘴壁面溫度較高，提高了粒子的溫度，促進(jìn)了沉積體的塑性變形。HOU等[53]制備了Al/Cu冷噴涂塊體，并對(duì)其進(jìn)行攪拌摩擦焊處理，研究顯示，處理后的塊體平均抗拉強(qiáng)度從152 MPa提高到190 MPa，延展性從5.5%提高到10.5%。由此可見，熱處理是解決冷噴涂沉積體塑性低的重要后處理手段，但熱處理的改善效果非常有限，因此也需利用其他的后處理手段，如熱等靜壓、熱軋、攪拌摩擦焊等。

3 發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，為滿足工業(yè)產(chǎn)品日益增加的復(fù)雜性要求，金屬多材料增材制造技術(shù)得到迅速發(fā)展，并受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。總結(jié)了金屬多材料增材制造技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對(duì)其在成形精度、組織缺陷與粒子結(jié)合3個(gè)方面存在的問題進(jìn)行了系統(tǒng)論述，認(rèn)為該技術(shù)具備以下的發(fā)展趨勢(shì)。

1）適用于金屬多材料增材制造技術(shù)的材料種類更加多元化、專用化。目前，金屬多材料增材制造技術(shù)常用材料多為銅、鋼、鋁、鈦及其合金等，未來(lái)應(yīng)將該技術(shù)更多地應(yīng)用在活潑難熔金屬材料、稀有金屬材料等方面。另外，開發(fā)配套成形材料，完善專用材料體系，建立原材料特性表征與評(píng)價(jià)方法對(duì)該技術(shù)未來(lái)的普及應(yīng)用具有重大意義。

2）金屬多材料增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)理論日益完善。國(guó)內(nèi)對(duì)金屬多材料增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究十分缺乏，對(duì)成形過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)、凝固相變、物性相容、組織演化等機(jī)制缺少定量的理論認(rèn)識(shí)。應(yīng)基于多學(xué)科交叉融合，借助大量工藝試驗(yàn)，建立增材制造工藝與性能數(shù)據(jù)庫(kù)，完善增材制造標(biāo)準(zhǔn)，明確金屬多材料增材制造過(guò)程中工藝、組織與性能的關(guān)系。

3）金屬多材料增材制造成形件更加復(fù)雜。隨著產(chǎn)品性能要求的不斷提高，零件幾何形狀和結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜，這就使增材制造的成形軌跡規(guī)劃變得更加困難。未來(lái)可以以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，制定合適的切片方式和片內(nèi)成形路徑，依據(jù)人工智能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化開發(fā)自動(dòng)化路徑規(guī)劃軟件，借助聲、光、電磁等多物理場(chǎng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件的整體制造。

4）金屬多材料增材制造技術(shù)將更加重視成形件的質(zhì)量控制?，F(xiàn)有的監(jiān)測(cè)方法主要是通過(guò)視覺傳感系統(tǒng)直接獲取瞬態(tài)成形形貌，并依據(jù)特征反饋調(diào)整工藝參數(shù)，不能實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程中的多信號(hào)監(jiān)測(cè)，未來(lái)可以對(duì)成形過(guò)程中存在的聲、光、電、熱等多種信號(hào)進(jìn)行協(xié)同在線監(jiān)測(cè)，找出信號(hào)與成形過(guò)程之間的聯(lián)系。通過(guò)建立無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)金屬多材料零部件進(jìn)行在線無(wú)損檢測(cè)也是實(shí)現(xiàn)成形件質(zhì)量控制的一個(gè)重要發(fā)展方向。

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Research Status and Prospect of Metal Multi-Material Additive Manufacturing

GUO Zhao-can1, ZHANG De-hai1, HE Wen-bin1, YANG Guang-lu1,2, LI Jun-heng1, FU Liang1

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China; 2. Nanyang Cigarette Factory, China Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Nanyang 473007, China)

Contemporary society has higher and higher requirements for the function and performance of products and demanding service conditions require parts to have the ability of functional coupling and multi-environment adaptation. Metal multi-material additive manufacturing technology has greater advantages than traditional manufacturing technology, and has broad application prospects in aerospace, automobile industry, electric power industry, biomedicine and other fields. The application status and recent development of electron beam additive manufacturing, arc additive manufacturing and cold spraying additive manufacturing in metal multi-material additive manufacturing were studied. The key problems of metal multi-material additive manufacturing technology in macroscopic forming accuracy, microstructure defects and particle interface bonding were investigated. Finally, the development trend of metal multi-material additive manufacturing technology in material types, basic theory, part complexity, quality control and other aspects was pointed out. The work will provide new ideas and reference value for the application of metal multi-material in additive manufacturing technology.

multi-material; additive manufacturing; microstructure; forming precision

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.020

TH16

A

1674-6457(2022)02-0129-09

2021-04-24

2020 年度河南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃（20IRTSTHN015）；江蘇省鹽城市“515”創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（鹽委[2020]40 號(hào)）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（202102210087）；鄭州市科技局產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（鄭科函[2020]3 號(hào)）

郭照燦（1993—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)殡p金屬?gòu)?fù)層材料組織與性能。

張德海（1973—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)材料成形過(guò)程控制及其交叉學(xué)科。