近日，中南大学粉末冶金研究院，苏州实验室采用Thermo-Calc设计了一种具有低裂纹敏感因子的过共晶Al0.7CoCrFeNi2.4合金，通过激光粉末床熔融技术获得优异的极限抗拉强度（≥1200 MPa）和断后伸长率（≥20%）。在800 °C下时效30分钟后，强度提高到1500 MPa，断后伸长率依旧能保持15%，优异的力学性能源于三重强化机制，FCC基体中的L12纳米析出相和B2颗粒，以及B2相中的富Cr球形纳米颗粒。

相关研究论文发表在Journal of Materials Science and Technology 期刊上。本期谷.专栏将对发表在材料科学技术上的这一研究进行分享。

▲DOI: 10.1016/j.jmst.2023.11.054

第一作者：耿赵文

通讯作者：陈超，罗晋如

通讯单位：中南大学粉末冶金研究院，苏州实验室

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

发现

3D Science Valley Discovery

过共晶高熵合金

过共晶高熵合金（Hypereutectic High Entropy Alloys, Hyper-EHEAs）是共晶高熵合金的一种特殊类型，它们在合金设计中具有一个或多个元素的含量超出了共晶点的成分比例，导致在凝固过程中形成初生相，随后是共晶组织。这种合金通常展现出优异的力学性能，如高强度和良好的塑性。

过共晶高熵合金的微观组织通常由初生相和共晶相组成。例如，在NiAl基过共晶高熵合金中，初生相可以是MoCrV、MoCrFe或MoCrVFe等，这些初生相通常具有较高的显微硬度，并且对合金的强化起到了重要作用。随着合金中初生相含量的增加，合金的屈服强度也会相应提高。

过共晶高熵合金的力学性能可以通过调整合金成分和微观结构来优化。例如，通过控制合金中初生相和共晶相的比例，可以调节合金的强度和塑性。此外，通过热处理和加工工艺，如冷轧和退火，也可以进一步提高合金的力学性能。

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 研究背景

AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金以其优异的双相协调变形能力引起众多科研工作者的极大关注，这类由FCC/B2相组成的共晶高熵合金，凝固间隔窄，流动性优异，成为新的增材制造技术成形研究热点。然而，共晶成分合金的微观结构对打印工艺参数、原材料有极大的敏感性，影响了此类合金的工程应用拓展。因此，为促进增材制造AlCoCrFeNi系高熵合金的工程应用，设计能够在宽工艺区间成形，且具有相对稳定的微观结构的合金显得尤为重要。

 研究亮点

基于Thermo-Calc计算设计了Al0.7CoCrFeNi2.4过共晶、窄凝固间隔的新型高熵合金成分，并通过LPBF工艺成形。结合不同的时效处理，获得了性能可调控的过共晶高熵合金，为开发具有相对稳定成分和可控微结构的增材制造高熵合金提供理论指导。

 图文解析

根据Thermo-Calc&Solidification Cracking Index设计了过共晶的Al0.7CoCrFeNi2.4，构筑了由网格状B2相包围FCC相的胞状结构，极限抗拉强度（≥1200 MPa）和延性（≥20%）。

打印态合金在800℃下时效30分钟，获得了优异的极限抗拉强度（1450MPa）和断后伸长率（15%）。球化B2相和FCC基体保持K-S取向关系。时效处理后，胞状结构的消失，三重纳米沉淀提供主要的强度增量：FCC基体中的L12纳米沉淀和棒状B2颗粒，以及B2相中富Cr球形纳米颗粒，弥补了胞状结构显示和位错回复导致的强度缺失。

在910°C下时效120分钟后样品的伸长率显着增加（24%至36%），屈服强度依旧能保持在683MPa，回溶引起的基体纯化是屈服强度下降的主要原因，时效处理后形成的模量相互匹配的双相结构是断后伸长率显著增加的主要原因。

 总结展望

采用LPBF制备了无裂纹Al0.7CoCrFeNi2.4合金，其微观结构稳定，成分相对可控。该方法利用增材制造快速凝固特性，并辅以后续的时效处理，实现对强度和延伸率的可控调整。这项工作为新型可打印高熵合金的设计和工艺优化提供了理论指导，本文报道的成分可以通过增材制造成形具有相对稳定的微观结构和可调控力学性能。

来源
材料科学和技术l
中南大学/苏州实验室；JMST；L-PBFed三重颗粒强化高强Al0.7CoCrFeNi2.4过共晶高熵合金

引用本文
Zhaowen Geng, Chao Chen, Miao Song, Jinru Luo, Jiaxuan Chen, Ruidi Li, Kechao Zhou, High strength Al0.7CoCrFeNi2.4 hypereutectic high entropy alloy fabricated by laser powder bed fusion via triple-nanoprecipitation, J. Mater. Sci. Technol. 187 (2024) 141-155.

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根据Science发表的《Additive manufacturing of highly entangled polymer networks》一文，研究人员开发了一种叫做CLEAR的3D打印技术，可以用于在需要平衡快速硬化和后续处理能力的应用场景中。通过这种方法，可以制造出具有更高强度、更好韧性和更复杂形状的聚合物产品。

近期，高分子力化学前沿上分享的“《Science》高度缠结聚合物网络的增材制造”一文，揭示了CLEAR 3D打印技术如何结合光聚合和暗聚合技术来制造具有高刚度和韧性的聚合物材料。这种策略特别适用于制造水凝胶和弹性体，这些材料在生物医学工程、软体机器人和可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。

▲论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6925

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发现

3D Science Valley Discovery

I CLEAR 策略的关键特点包括：

1. 结合光聚合和暗聚合：通过在光聚合过程中引入暗聚合步骤，可以在没有额外刺激的情况下实现聚合物链的紧密缠结。
2. 高单体转化率：CLEAR方法能够在室温下实现高单体转化率，这意味着更多的单体分子参与到聚合反应中，从而提高材料的性能。
3. 无需额外刺激：与传统的数字光处理（DLP）技术相比，这种方法不需要在打印后进行额外的光或热处理，简化了制造过程。
4. 高延伸能力：通过这种策略制造的材料具有比传统DLP制造的水凝胶和弹性体更高的延伸能力，提高了材料的韧性。
5. 高分辨率和多材料结构：该方法能够打印出具有高分辨率和多材料特性的结构，这为制造具有复杂功能的设备提供了可能。
6. 空间编程粘附：通过这种方法，可以实现对湿组织的空间编程粘附，这对于开发能够与生物组织相互作用的医疗设备尤为重要。

I  潜在的应用领域：

• 生物医学工程：用于制造与人体组织相容的植入物或支架。
• 软体机器人：制造具有高弹性和柔韧性的机器人部件。
• 可穿戴设备：开发能够适应身体运动的柔性电子设备。

I  研究和开发方向：

• 材料特性优化：进一步研究如何通过调整光聚合和暗聚合的条件来优化材料的机械性能。
• 多尺度制造：探索在不同尺度上应用这种策略，以制造具有不同层次结构的材料。
• 生物相容性和生物降解性研究：对于生物医学应用，研究材料的生物相容性和生物降解性至关重要。

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 研究背景和意义

缠结在自然界中普遍存在，从染色体DNA到动态的蠕虫缠结都有实例（1）。高温熔体中的聚合物缠结已经得到很好的研究；然而，缠结对聚合物网络疲劳和断裂的作用最近才得到重视（2–4）。与化学交联不同，缠结作为非永久性交联，在应力下可以相互滑动，从而同时增加材料的模量和韧性，而不引起脆化或滞后现象。因此，利用缠结作为材料的增强剂，尤其是那些通过新兴的基于光刻的增材制造技术（如数字光处理（DLP）（5）、连续液体界面生产（6，7）或计算轴向光刻（8，9）生产的材料，成为一种研究热点。由于其极高的粘度（10），预先存在缠结的聚合物熔体难以通过这些方法均匀处理。因此，开发低粘度（单体或低聚物）树脂，使聚合物链在形成时引入缠结是有益的。实现链的同时增长和密集的链缠结需要对树脂成分（即单体、交联剂和光引发剂）进行精确控制。一种方法是使用异常低的光引发剂浓度（<0.01 wt.%）（3，11，12）；然而，这会导致反应速率缓慢（几小时），与许多依赖于几秒钟内快速交联的槽型光聚合技术（如DLP）不兼容（图1A）。高光引发剂浓度或辐射曝光大大加快了聚合，但这些方法会导致过多的引发点和链终止事件，从而建立一个具有高比例悬挂端的网络（图S1）。这些悬挂端的缠结无法被共价交联固定，因此在张力下不能承受较大的负荷（补充文本）。因此，对于高缠结聚合物网络的槽型光聚合存在一个权衡，即制造中需要快速反应，但这会减少聚合物的拥挤程度和有效缠结的形成。

 研究思路和创新点：
     结合光聚合和暗聚合用于3D打印

DLP是一种有前景的自下而上的槽光聚合方法，它通过逐层投影2D切片图像实现三维（3D）物体的高速制造（13, 14）。尽管DLP具有潜力，但处理参数如光衰减添加剂以控制分辨率、氧抑制和自由基介导的链增长反应的扩散限制，可能会导致单体转化的不均匀，降低长聚合物链的整体浓度和打印物体的强度（图1B和图S2）。为了克服这种机械性能与可加工性的冲突，本研究引入了一种一步法、光照后的连续固化过程，辅以氧化还原引发（CLEAR），用于通过槽光聚合方法形成高度缠结的聚合物网络。CLEAR使空间光照射（即光聚合）设定物体的形状，而补充的氧化还原反应（即暗聚合）则允许物体内未反应的单体缓慢达到完全转化，从而实现高浓度的缠结聚合物链（图1C）。连续固化过程在室温下进行，无需额外的光或热步骤。

研究人员首先展示了CLEAR在水凝胶加工中的应用。尽管水凝胶在组织修复、药物输送和生物医学设备方面很有前景，但3D打印水凝胶的机械性能通常远低于铸造或模塑形成的水凝胶（14, 15）。研究人员选择了丙烯酰胺作为模型单体，并使用低浓度的双丙烯酰胺作为交联剂（3）。通过非常慢的反应速率铸造形成的水凝胶包含密集的缠结和稀疏的交联点，从而实现了高模量和高韧性（图S3）。对于打印，DLP树脂包含单体、交联剂、光引发剂和光吸收剂的混合物，而CLEAR树脂在3D打印前则包含相同的组分，并添加了氧化还原引发剂（表S1）。从DLP和CLEAR树脂中制备的薄膜（100μm）在没有交联剂的情况下的1H核磁共振（NMR）光谱表明，CLEAR中的丙烯酰胺消失，聚丙烯酰胺出现（约98%转化），而DLP中约95%的丙烯酰胺保持未反应（图1D）。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量时，薄膜在曝光（匹配打印过程中每层施加的0.2 J cm−2的能量）后的光照导致DLP和CLEAR树脂的转化率接近20%（图1E）。在DLP中，曝光后的转化率保持不变，而CLEAR中的转化率随着氧化还原反应（暗聚合）的进行稳定增加到100%，完全消耗未反应的单体。这种暗聚合也通过CLEAR中储能模量（G′）随时间的增加反映出来，与DLP相比，DLP中G′在光照后保持不变（图1F）。

▲Fig. 1 CLEAR 打印。(A) 自下而上的 vat 光聚合的示意图，其中液态前体树脂 [包含单体、交联剂、光引发剂和光吸收剂] 在受控光照射下交联成三维打印物体。(B) DLP 需要快速光交联、高光引发剂浓度和低粘度树脂。由于快速引发和不完全转化，所得的聚合物网络包含低浓度的长链，缠结较少。(C) CLEAR 打印将氧化还原引发剂纳入树脂中，使光照射设定部件的形状，同时氧化还原引发剂允许未反应单体的缓慢但稳定的转化， resulting in a network with high concentrations of long polymer chains with greater physical entanglements. hν，光照；RT，室温（环境条件）；Δt，随时间变化。(D) 使用 DLP 和 CLEAR 树脂在无交联剂的情况下制造的薄膜（100 μm 厚度）的 1H NMR 光谱，用于追踪处理后（i）丙烯酰胺（单体）和（ii）聚丙烯酰胺（聚合物）的信号。(E) 通过 FTIR 监测 C=C 峰（cC=C，百分比）的转化随时间变化，以及 (F) 储存（G′，帕斯卡）和损失（G″，帕斯卡）模量随时间变化的流变学数据，暴露于匹配 DLP 和 CLEAR 过程的条件下（紫色阴影区域表示光照射 t = 10 s，模拟 DLP 过程中每层的曝光能量）。

▲Fig. 2 CLEAR 使高缠结水凝胶的3D打印成为可能，并提高了机械性能。(A) DLP或CLEAR打印水凝胶的典型拉伸应力（σ，千帕）–伸长（λ，米每米）曲线；(B) 弹性模量（ET，千帕）；(C) 断裂功（Wf，千焦每立方米）。(D) 通过能够承重的能力，展示了DLP或CLEAR打印的3D环的拉伸强度。比例尺，10毫米。(E) (i) DLP或CLEAR打印水凝胶沿z深度的模量（E，兆帕）分布图，以及 (ii) 归一化模量（ENORM）。(F) 将我们目前的研究（表S2）与先前报告的单网络水凝胶（标记为“铸造”或“打印”或完全“膨胀”后的数据）中的ET和Wf进行比较。数据以均值 ± 标准差表示；n ≥ 4 水凝胶；P *P < 0.0001，使用学生t检验。PEGDA，聚（乙烯醇）二丙烯酸酯；MeHA和NorHA，分别为甲基丙烯酸和诺卡烯改性的透明质酸；GelMA，明胶甲基丙烯酰；Am，丙烯酰胺；PLL，基于聚（L-赖氨酸）的交联Am水凝胶。

▲Fig. 3 CLEAR 处理高缠结水凝胶以制造具有复杂拓扑结构的3D物体。(A) (i) 骨小梁结构的照片，以及 (ii) 通过CLEAR制造的增厚补丁的荧光显微图。比例尺，10毫米。(B) 通过液态树脂的切换进行多材料CLEAR打印，并用不同的荧光示踪剂（黄色和灰色）进行可视化。荧光显微图展示了多材料水凝胶的形状：(i) 格子（z方向）和 (ii) 轴向补丁（xy方向）。比例尺，5毫米。(C) 硬质水凝胶加工成的多孔、柔性补丁，这些补丁 (i) 适应于底下的弯曲基底，并且 (ii 和 iii) 可伸展。比例尺，30毫米。形状恢复而无永久变形通过 (D) (i 到 iv) 增厚八面体桁架的压缩和 (E) (i 到 iv) 3D螺旋的拉伸来演示。比例尺，10毫米（D）和5毫米（E）。(F) 组装和退火CLEAR打印的具有开放通道的水凝胶，形成封闭的蛇形通道，从 (i) 正面和 (ii) 侧面拍摄。比例尺，10毫米。(iii) 通过180°剥离测试测量的CLEAR退火水凝胶的结合强度（焦耳每平方米）。数据以均值 ± 标准差表示；n = 5 水凝胶。

▲Fig. 4 通过CLEAR打印高缠结水凝胶实现的空间可编程组织粘附。(A) 高缠结水凝胶通过桥接聚合物（壳聚糖）与组织粘附以及形成物理分子间键的示意图。(B) 水凝胶对各种湿润的体外猪组织的强粘附性，以界面韧性（Γint，焦耳每平方米）记录。数据以均值 ± 标准差表示；n ≥ 4 水凝胶。(C) 多孔补丁在体外猪心脏上应用时（i）和应用后（ii）的照片，血液存在时。比例尺，30毫米。(iii) 水凝胶在有血和无血情况下的界面韧性（Γint，焦耳每平方米）。数据以均值 ± 标准差表示；n = 4；ns，未显著差异，学生t检验。(D) 含有开放槽的水凝胶在体外猪胃组织上粘附后形成通道的示意图。照片展示了通过示踪剂灌注观察到的通道的稳健密封性（i 和 ii）。比例尺，10毫米。(E) 通过3D打印的变形材料生物粘合剂实现的定向粘附，基于裂纹扩展方向的调控。照片展示了体外猪心组织的（i）正向（高强度）和（ii）反向（低强度）剥离方向，以及（iii）稳态下的力的量化（FS，牛顿）。比例尺，10毫米。数据以均值 ± 标准差表示；n ≥ 3；ns，未显著差异；P **P < 0.001，使用单因素方差分析及Tukey事后检验。(F) 通过多层3D打印在非粘附（滑腻）水凝胶上进行粘附区域（粘性）的空间图案化。照片展示了从体外猪胃中（i）图案化区域和（ii）非图案化区域的剥离。箭头表示组织粘附于粘性区域，虚线圆圈表示滑腻区域。比例尺，10毫米。(G) 通过多材料3D打印制造的混合（弹性体-水凝胶）粘合剂，其中包含粘附水凝胶层以允许高度缠结弹性体的组织附着。照片展示了从体外猪胃下方剥离混合粘合剂的（i）正面和（ii）侧面视图。比例尺，5毫米。

正文来源：高分子力化学前沿 l 高纠缠聚合物专题3: 《Science》高度缠结聚合物网络的增材制造
Cite as
Abhishek P. Dhand et al., Additive manufacturing of highly entangled polymer networks.Science, 385,566-572(2024).
DOI:10.1126/science.adn6925

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 导语

纤维增强复合材料因其优异的强度重量比和多功能性，在航空航天、汽车等高端制造业广受青睐。纤维增强复合材料3D打印技术的发展将为轻量化制造、功能集成、高性能轻量化结构件的快速制造等方向带来革命性的突破，对推动先进制造业升级具有重要意义。

为满足行业产、学、研、用的深入探讨了交流，Formnext + PM South China主办方广州光亚法兰克福展览有限公司联合国际先进材料与制造工程学会（SAMPE）增材制造专业委员会决定于2024年8月30日组织“纤维增强复合材料3D打印技术及应用论坛”，为纤维增强复合材料3D打印技术的企业、航空航天、发动机、新能源、轨道交通、船舶、汽车等领域的终端用户、先进制造装备研发与生产机构、大学院校提供一个技术交流、行业上下游商务洽谈、战略合作的平台，从而推进先进制造装备的研发与更新换代，助力中国新质生产力的高质量发展。

论坛日期：8月30日

论坛时间：10:00-12:20 AM

论坛地点：深圳国际会展中心（宝安新馆）13号馆A55论坛A区

 嘉宾介绍及论坛议程

演讲主题

高性能连续纤维增强复合材料增材制造与应用探索

演讲时间：8月30日 10:00-10:20

嘉宾介绍

刘腾飞

助理教授

西安交通大学

刘腾飞，男，工学博士，西安交通大学助理教授，长期从事高性能连续纤维增强复合材料3D打印与太空3D打印技术研究，主持国家自然科学基金青年基金、国家重点研发计划子课题、陕西省重点研发计划等项目，推动了相关研究成果的产业化应用，支撑了我国首次连续纤维太空3D打印试验，在航空航天领域形成了卫星承力筒、无人机支架等典型应用案例，在《Composite Part A》、《Journal of Cleaner production》、《Additive Manufacturing》等国际顶尖期刊上，发表SCI论文7篇，其中2篇为ESI高被引论文，获得“2019 Composites Part A Highly Cited Paper Award”最高引用论文奖，获得“第五届优秀论文奖”。获授权发明专利5项。连续纤维3D打印相关成果分别入选2020年“科创中国”先导技术榜单，获得2021年度 SAMPE中国创新奖、2022年陕西高等学校科学技术研究优秀成果一等奖。

演讲主题

3D打印工艺如何赋能复材领域

演讲时间：8月30日 10:20-10:40

嘉宾介绍

赵卫生

院长

产研新材料研究院（德州）

高级工程师，10年以上复合材料相关技术及管理经验。了解多种高性能复合材料成型工艺特点。参与国家“863”计划项目4次，国家“973”计划项目1项;参与军品配套研制项目等科研项目3项。获得省部级奖项一等奖3项，二等奖3项。在核心期刊发表专业学术论文10余篇。授权发明专利14项，实用新型专利20项。

演讲主题

增强复合材料连续纤维3D打印技术机理与多元应用解析

演讲时间：8月30日 10:40-11:00

嘉宾介绍

刘 瑞

总经理

Anisoprint阿奈索三维打印科技（苏州）有限公司

刘瑞，现任阿奈索首席执行官。在 3D 打印领域深耕多年，拥有深厚的专业经验和卓越的行业认知。带领团队突破连续纤维 3D 打印技术难关，推动技术创新与商业化。重视技术研发与人才培养，研发出的产品性能遥遥领先。

演讲主题

热塑性复合材料基材开发及应用

演讲时间：8月30日 11:00-11:20

嘉宾介绍

张守玉

副总经理

南京特塑复合材料有限公司

张守玉，男，高级工程师，南京特塑复合材料有限公司副总经理、SAMPE中国热塑性复合材料专业委员会委员、江苏省复合材料学会青年委员会委员、主要从事高性能热塑性复合材料预浸料制备和成型技术的开发和产业化工作，授权发明专利20余项，发表论文20余篇。

演讲主题

复合材料打印技术助力无人机产业加速升级

演讲时间：8月30日 11:20-11:40

嘉宾介绍

李 波

技术经理

马路科技顾问股份有限公司

技术经理，2013年就职马路科技顾问股份有限公司，先后负责3DSystems ，Bigrep, Markforged等多种3D打印技术应用工程师，熟悉3D打印产业化应用方案 凭借多年实干经验先后为各类企业提供产业化3D打印落地实施，为企业降本增效提供有力的帮助。

演讲主题

非接触式应变测量技术汇报

演讲时间：8月30日 11:40-12:00

嘉宾介绍

宋林协

副院长

万测深圳研究院

万测深圳研究院副院长，第二代高温持久蠕变试验机及多通道高温蠕变持久试验机创造者、1200℃低压大电流高温炉设计者。擅长高温蠕变持久试验机、高温环境附件、非接触式视频引伸计等研发工作，获得过多项专利。从事材料力学检测设备开发十多年。

时间

8月28日（星期三）9:30-17:00

8月29日（星期四）9:30-17:00

8月30日（星期五）9:30-16:00

地点

深圳国际会展中心13号馆

行业大咖齐聚

深入畅谈行业的发展趋势与技术前瞻

为您增添更多元信息触角

8月28至30日

欢迎莅临Formnext+PM South China！

Formnext+PM South China深圳展，承接德国Formnext展览会的成功理念，展会涵盖3D打印，增材制造全产业链高端展示，包括高性能材料、创新增材解决方案、增材设备，烧结及后处理技术、检测设备等一系列前沿技术和设备，从原材料到成品，从设计到后处理，致力为业界捕捉市场趋势，拓宽高端制造业的未来版图。2024年展会规模达20,000平方米，预计将吸引逾300家企业参展及超过15,000名观众到场参观。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络， 为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注 发布的白皮书系列。

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▲ 扫码报名发现3D打印之旅

在汽车领域，发夹技术是一种用于制造电机定子绕组的技术。这种技术通过使用形状像发夹的薄铜条来提高电机的功率密度和效率。然而，传统的发夹定子生产方式存在一些限制，比如需要高度复杂的生产机器和工具，以及在生产不同产品变体时的灵活性较低。

增材制造技术，特别是粉末床激光熔融（L-PBF）技术，提供了一种新的解决方案。这种技术允许直接在传统铜导体上打印发夹绕组，从而实现复杂的3D几何形状的无工具生产。这不仅可以减少对生产机器和工具的投资，还可以提高生产过程中的灵活性。

▲ 混合增材制造电机发夹
© 亚琛工业大学DAP研究所

 突破

在汽车领域，发夹技术是一种用于制造电机定子绕组的技术。这种技术通过使用形状像发夹的薄铜条来提高电机的功率密度和效率。然而，传统的发夹定子生产方式存在一些限制，比如需要高度复杂的生产机器和工具，以及在生产不同产品变体时的灵活性较低。

增材制造技术，特别是粉末床激光熔融（L-PBF）技术，提供了一种新的解决方案。这种技术允许直接在传统铜导体上打印发夹绕组，从而实现复杂的3D几何形状的无工具生产。这不仅可以减少对生产机器和工具的投资，还可以提高生产过程中的灵活性。

© 白皮书

在汽车领域，发夹技术是一种用于制造电机定子绕组的技术。这种技术通过使用形状像发夹的薄铜条来提高电机的功率密度和效率。然而，传统的发夹定子生产方式存在一些限制，比如需要高度复杂的生产机器和工具，以及在生产不同产品变体时的灵活性较低。

增材制造技术，特别是粉末床激光熔融（L-PBF）技术，提供了一种新的解决方案。这种技术允许直接在传统铜导体上打印发夹绕组，从而实现复杂的3D几何形状的无工具生产。这不仅可以减少对生产机器和工具的投资，还可以提高生产过程中的灵活性。

此前，根据 《亚琛工业大学“电动汽车零部件生产工程”在科隆与福特合作开设电动机研究基地》一文，福特与亚琛工业大学“电动汽车零部件生产工程”(PEM) 系，蒂森克虏伯系统工程，亚琛工业大学DAP学院一起，在一条生产线上开发灵活而可持续的电动机零部件生产。该项目的名称是HaiPiPro²，指的是发夹技术，研究目标是开发灵活的制造发夹技术及生产概念。

通过亚琛工业大学“电动汽车零部件生产工程”（PEM）系与福特在科隆的福特工厂合作的1,000 平方米的电动机研究场地，“HaPiPro2”项目中的众多知名工业合作伙伴一起对电动机的生产进行研究，通过科隆的福特工厂内的一条原型演示线，对电动机组件的不同变体进行性能和效率测试，这些测试数据对于延伸到生产领域的应用至关重要，最终推动福特德国的生产基地发展。

 传统+增材制造

HaiPiPro²项目在电动机制造领域取得了一些创新性的进展。使用3D打印技术直接将铜绕组头打印到发夹定子上，不仅减少了传统制造过程中的多个步骤，还降低了成本和提高了生产效率。L-PBF技术的应用为电动机的制造带来了革命性的变化。

自动化设计配置器的使用进一步提高了设计的灵活性和生产效率，因为可以快速生成符合各种生产约束和边界条件的3D设计。这种技术的应用不仅加快了设计到生产的转换过程，还提高了对不同导线和定子配置的适应性。

发夹式技术在电力牵引机定子铜绕组中的使用，因其在产品方面的优势而受到许多原始设备制造商（OEM）和供应商的青睐。这种技术通过使用矩形导线横截面来增加铜填充系数，从而提高电机的性能和效率。与传统的圆线绕制定子相比，发夹式定子的生产过程具有更高的确定性。

传统的发夹式定子的生产过程包括12-15个单独的工艺步骤，这些步骤涉及从扁平铜线制成发夹形状，组装到定子叠片堆中，通过扭转工艺将发夹端部带到适当位置，进行接触过程和焊接，以及绝缘和树脂浸渍等。整个过程需要大量的机器和设备投资，从300万欧元到1000万欧元不等，具体取决于生产规模和自动化水平。

▲ 传统制造电机发夹
© 亚琛工业大学DAP研究所

尽管发夹式定子生产具有高效率，但其生产工艺链对不同导线和定子变体的灵活性较低。由于尺寸和几何形状的限制，以及生产过程中使用的工具，通常只能生产有限的定子产品变体。随着新电机和定子代代产品的开发周期越来越短，以及导线和定子叠片堆尺寸的变化，提高生产灵活性的需求日益增长，这通常需要对工具和生产线进行进一步投资。

根据 《导电材料的增材制造及全篇总结 l 3D打印+拓扑优化=下一代电机》一文，电动机的最大输出功率由于其预热而受到限制，例如由于允许的绕组温度而受到限制。通常有两个提高功率限制的杠杆：首先，以相同的功率减少损耗，其次，改善散热。绕组的设计在这里起主要作用，因为它是主要的热源。

HaiPiPro²项目研究了变体灵活的产品和生产概念，增材制造（AM）技术，特别是粉末床激光熔融（L-PBF）技术，被视为一种潜在的技术替代方案。这种技术可以提供直接制造电铜导体的可能性，并通过算法设计等创新方法制造复杂三维结构的潜力，来减少电磁损耗或改善热管理。

项目组研究探讨了粉末床激光熔融（L-PBF）技术是否能够替代发夹定子生产中的传统工艺步骤，并通过无工具生产提高变形灵活性。研究的重点是使用纯铜材料直接在传统导体上打印发夹定子的整个绕组头，特别是扭转侧的绕组头。这种方法有望减少生产成本，提高生产效率，并增加对不同产品变体的适应性。

▲ 传统+增材制造电机发夹
© 亚琛工业大学DAP研究所

通过这种创新的增材制造方法，可以期待在未来的电机制造中实现更高的灵活性和更低的生产成本，同时保持或提高电机的性能。

 整合

为了在正在实施的生产工艺链整合了增材制造技术， 了解到在保持现有生产流程稳定的同时寻求创新和改进，以逐步替代传统的电动机绕组头制造步骤，项目组使用粉末床激光熔融（L-PBF）技术在扭绞侧制造整个绕组头，通过增材制造，可以设计更复杂的绕组结构，同时减少材料浪费和生产时间。

▲ 传统+增材制造电机发夹
© 亚琛工业大学DAP研究所

了解到HaiPiPro²项目的一系列亮点：

1. 设计：利用Rhinoceros3D®和Grasshopper®软件，实现了一个自动化的设计生成系统，该系统可以根据定义的边界条件和输入参数自动生成三维设计。
2. 设计算法与配置器：设计人员通过实施设计算法，而不是直接建模，这些算法组合成一个整体的设计配置器，用于快速迭代和生成不同的产品变体。
3. 逻辑运算：输入数据，生成满足粉末床激光熔融（L-PBF）工艺要求的加工参数数据。
4. 边界条件和设计限制：在设计过程中，需要考虑内径、外径、最小间距、悬垂角等边界条件，以及增材制造工艺的设计指南。
5. 绕组头高度与电磁损耗：设计时需要平衡绕组头的高度与电磁损耗，以实现低损耗的目标。
6. 关键几何点 (KGP)：首先计算绕组头区域中单个发夹的关键几何点，同时考虑边界条件和设计限制。
7. 极性阵列函数：根据所需的发夹数量，使用极性阵列函数复制单个发夹设计。
8. 3D打印准备：将传统定子部件插入系统并对齐，附加支撑元件以保护绕组头并防止移位。
9. 构建平台的调整：调整构建平台，确保发夹线圈的端面与粉末涂层平面或光学焦平面齐平。
10. 粉末填充与曝光：填充粉末并对导体端部的位置进行目标/实际比较，使用低功率曝光和高分辨率同轴相机对准激光束。
11. 打印数据的处理：通过处理数据减少或避免传统定子和额外生产的绕组头之间的偏差。

在这项研究中，研究人员面临了混合过程中的对齐问题，以及如何设计自动化方法来重新设计绕组头以适应限制和边界条件的挑战。通过将增材制造技术集成到发夹式定子的生产中，可以替代一些传统的工艺步骤、机器和工具，从而降低成本和提高生产效率。

▲ 增材制造电机发夹绕组头
© 亚琛工业大学DAP研究所

此外，利用增材制造的设计潜力，可以进一步降低绕组头的高度，这有助于减少电机的损耗并节省铜材料的使用。这种方法已经在汽车行业的发夹式定子上进行了验证，并与传统生产的发夹式定子进行了比较，以评估混合定子的性能。

▲ 传统+增材制造电机发夹
© 亚琛工业大学DAP研究所

与传统绕组头相比，增材制造的绕组头可以减少轴向长度，降低电磁损耗，提高电机效率。可以看出PBF-LB/M工艺在特定应用场景下具有明显的优势，尤其是在需要高度定制化和小批量生产的情况下。同时，这种工艺也为电动机设计和制造领域带来了新的创新机会。

技术挑战包括增材制造的绕组头表面粗糙度较高，可能影响绝缘层的封装质量，需要额外的测试以确保绝缘层的可靠性。后续考虑对增材制造的绕组头表面进行后处理，如化学蚀刻，以提高表面质量。目前传统+粉末床激光熔融（L-PBF）技术在提高生产灵活性和降低设备投资成本方面具有优势，但生产率相对较低。进一步的研究将集中在提高设计配置器的自动化程度，以及研究表面粗糙度对绝缘工艺的影响。

总的来说，这项研究展示了增材制造技术在汽车电机定子生产中的潜力，特别是在提高生产效率、降低成本和提高电机性能方面。通过进一步的研究和开发，这种技术有望在未来的汽车制造中发挥更大的作用。

参考资料：

https://link.springer.com/article/10.1007/s00501-023-01420-w?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=oa_20240109&utm_content=10.1007%2Fs00501-023-01420-w

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以下文章来源于结构完整性联盟 ，作者潘宇杰

业界对不锈钢的关注通常跟汽车制造领域相关联，不过航空航天、能源等领域对不锈钢材料的采用正在呈多样化需求发展趋势。一个典型的案例是SpaceX的一大努力是将材料经可能多的用不锈钢来替代，最初能避免被替换掉的是那些暴露在高温富氧气体燃烧环境中的零件，但最终Elon Musk成功地将大部分零件材料都换成了不锈钢。在SpaceX建造全尺寸星舰（Starship）之际，Elon Musk表示，由于使用了钢材，因此一枚火箭的材料花费不需要4-5亿美元，仅需1000万美元，并且它将是可重复使用的飞船 。钢不仅仅低成本，一个重要优势是其熔点高，其中铬镍含量高的不锈钢即使在-160°C 的温度下也能保持足够的延展性和强度。

不仅仅是航空航天，根据《中国核动力研究设计院：核电用316L不锈钢粉末增材制造研究现状》，钢在核电领域的应用也颇具潜力，增材制造316L不锈钢的组织与性能存在各向异性，但各向异性可通过增材制造的后处理技术消除。目前增材制造最为常用的后处理技术为热处理。与锻造316L不锈钢相比，经热等静压处理的增材制造316L不锈钢的力学性能与辐照性能更优。目前，核用不锈钢的增材制造技术还处于起始阶段，后续应重点关注增材制造的成形机理及成形材料中子辐照性能等内容。

▲核能领域的不锈钢
© 白皮书

 研究背景

近年来，核能等领域正在积极探索增材制造技术应用的可能性。增材制造（AM）316L不锈钢具有较高的技术成熟度和优异的常温和高温力学性能，被认为是最有可能率先通过核安全审核、实现核用的增材制造材料。AM 316L的成型过程使其微观组织显著不同于传统工艺制备的材料，打印组织如柱状晶、位错胞、元素偏析和纳米颗粒氧化物等都可能影响材料的力学性能。蠕变作为材料在高温承载工况下最基本的变形模式，获取AM 316L的基础蠕变数据并理解打印微观组织与蠕变性能之间的构效关系，是保证该类材料在高温蠕变工况下安全使用的前提。针对当前AM 316L长时间蠕变数据缺失和变形机理研究不足的现状，该研究在600 ℃和名义应力235-360 MPa条件下，开展了激光粉末床熔融制备的316L原始材料（注：AM 316L）及其同成分完全再结晶态材料（注：Re 316L）的蠕变试验，并将试验结果和文献数据进行对比，发现该AM 316L具有超过传统316材料的优异蠕变性能，随后分析了背后的变形和断裂机理。

 研究成果

（1）图1展示了本文所使用的拉伸和蠕变试样的取样示意图，其中，垂直（Vertical）试样代表加载应力平行于打印方向，水平（Horizontal）试样代表加载应力垂直于打印方向。图2总结了AM 316L和Re 316L在600 ℃不同加载应力下的蠕变性能。可以观察到，在所有加载应力条件下，AM 316L都展现了较Re 316L材料更为优异的蠕变抗性，即显著降低的最小蠕变速率和更长的蠕变寿命。例如，在300 MPa的应力条件下，AM 316L的最小蠕变速率比Re 316L降低了近3个数量级，蠕变寿命是Re 316L的50倍以上。但与此同时，AM 316L表现出蠕变各向异性以及在长时蠕变条件下有限的蠕变延性。作者将文中得到的蠕变性能与文献中记载的数据进行了对比（图3），发现Re 316L的蠕变性能落在传统316L的范围内，而AM 316L的蠕变性能明显优于同牌号316L。

▲图1 （a）拉伸和蠕变试样的制备示意图 （b-c）分别为拉伸和蠕变试样的尺寸

▲图2 AM 和Re 316L的单轴蠕变性能汇总：最小蠕变速率（左）、蠕变寿命（中）和蠕变断裂应变（右）

▲图3 AM和Re 316L的蠕变性能与同牌号316L对比

（2）为了揭示AM 316L和Re 316L的蠕变变形过程中的微观结构变化，采用透射电镜表征了蠕变试验后的微观结构（图4）。可以观察到，在经过1936 h的蠕变实验之后，Re 316L的晶内发现了大量攀移位错；而AM 316L中稳定的位错胞结构与蠕变变形产生的位错缠绕形成更加复杂的位错组态，这些位错结构可进一步阻碍蠕变位错的运动，从而限制了晶内变形，并导致了较低的蠕变速率。AM 316L中各向异性的蠕变速率可能是由柱状晶和位错胞结构生长的取向差异引起，水平试样中位错运动受到晶界以及位错胞壁的阻碍作用更频繁、运动自由程更短，蠕变速率更小。

▲图4 Re 316L（a，b）和AM 316L（c，d）在235MPa蠕变试验之后的位错结构

（3）图5展示了AM 316L断裂样品断口附近的纵剖面形貌。可以观察到，裂纹和孔洞在晶界附近的薄层析出相附近萌生、聚合并扩展，最终导致沿晶断裂。随着蠕变过程的进行，这些薄层硬质沉淀相的析出可能会加剧晶界附近的局部应力集中，促进蠕变孔洞的形核，并降低晶界滑动能力，从而降低材料的蠕变延性。因此，本研究进一步分析了AM 316L中的析出相。图6展示了随着蠕变时间的延长，AM 316L的高角度晶界上逐渐形成了富含钼（Mo）的析出相薄层，其富集程度随着蠕变时间的增加而增加。根据析出相的成分推测，该相为脆性莱氏相。然而，在Re 316L中并未观察到这种类型的析出相，证明初始组织差异导致了AM 316L和Re 316L不同的相析出行为。此外，AM 316L中沿打印方向生长的长直柱状晶在受到水平加载时，更高比例的晶界暴露在正应力下，更有利于蠕变裂纹的扩展，从而导致水平样品较竖直样品更有限的蠕变延性。

▲图5 AM 316L蠕变断口附近的纵剖面形貌

▲图6 AM和Re 316L在不同老化时间作用后高角度晶界的元素分布变化以及析出相分布：（a-c）AM 316L（d）Re 316L（e-g）AM 316L晶界元素线扫结果

该研究证明AM 316L稳定的位错胞结构可以有效阻碍位错运动，显著降低蠕变变形速率，延缓裂纹萌生时间，从而大幅提高材料的蠕变寿命。AM 316L的打印组织可能导致蠕变各向异性和长时蠕变后蠕变延性的下降，需引起关注。

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根据 的市场观察，金属基复合材料因其卓越的力学性能和广泛的应用领域而具有广阔的发展前景。在航空航天、汽车、机械、合金和建筑材料等行业中，金属基复合材料的使用范围正在不断扩大，其竞争力也在不断增强。在装备技术不断演变的背景下，金属基复合材料在新型装备研发中的重要性日益凸显，尤其是在提升装备精度、效能、寿命和可靠性等关键指标上具有重要作用。例如，纳米粉体、纤维及金属粉末技术的进步，以及材料基因组研究方法的采用，使得材料性能有了显著提升。

金属基复合材料在民用领域也迎来了良好的发展时机，全球性的能源危机催生了轻量化技术的需求，金属基复合材料在电动汽车、轨道交通等领域的部分零部件应用中成为无可替代之选。此外，随着智能制造产业的发展，对于具备低密度、高耐磨性、高刚度以及低成本特性的高速往复运动部件的需求日益增长，而金属基复合材料能够充分满足这些需求。

近期，江苏科技大学的陈靓瑜副教授，澳大利亚埃迪斯科文大学的张来昌教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表了《增材制造金属基复合材料概述：制备、性能及挑战》的综述。该综述探讨了增材制造技术制备金属基复合材料的方法、性能和挑战，为相关领域的研究提供了重要参考和指导。通过比较传统制备方法和增材制造技术，论文强调了增材制造制备的金属基复合材料具有更均匀分布的增强材料和细化的微观结构，可能表现出更优越的力学性能。该综述为该领域的研究提供参考和指导。

▲论文链接：极端制造

 导读

金属基复合材料作为一种具有优异性能的材料，在航空航天、汽车、能源等领域得到广泛应用。传统的金属基复合材料制备方法通常包括搅拌铸造、锻造、扩散连接、浸渗和粉末冶金等工艺，这些方法通常需要多道工序，并且为了获得所需形状和尺寸的零件，还需要进行加工，从而增加了金属基复合材料组件的生产成本。一些特定类型的金属基复合材料，如钛基复合材料，具有较低的热导率和高度的化学活性，因此可能会出现一些不良问题。随着增材制造技术的发展，人们开始探索利用这一技术制备金属基复合材料的可能性。增材制造技术可以通过逐层堆叠材料的方式制造复杂的几何形状，同时可以实现增强材料在金属基体中的均匀分布，从而提高金属基复合材料的性能。相比传统制造方法，增材制造制备的金属基复合材料具有更均匀分布的增强材料和细化的微观结构，因此可能表现出更好的力学性能。然而，尽管增材制造技术在制备金属基复合材料方面具有诸多优势，但仍然面临着一些挑战，例如新方法和新技术用于研究增材制造制备的金属基复合材料、金属基复合材料的固有特性与增材制造技术的结合等问题。

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▲图1 增材制造金属基复合材料：工艺、原料及性能。

 研究背景

金属基复合材料由金属基体和增强体紧密结合而成，具有高模量、高强度、良好的耐磨和耐腐蚀性能，以及优异的高温性能，被广泛应用于航空航天、汽车等领域。传统的金属基复合材料制备方法包括搅拌铸造、锻造、扩散连接、浸渗和粉末冶金等工艺，然而这些方法通常需要多道工序，且为了获得所需形状和尺寸的零件，还需要进行加工，从而增加了金属基复合材料组件的生产成本。特定类型的金属基复合材料，如钛基复合材料，可能存在热导率较低和化学活性较高的问题，使得传统制备方法面临一定的挑战。

随着增材制造技术的快速发展，人们开始探索利用增材制造技术制备金属基复合材料的可能性。增材制造技术通过逐层堆叠材料的方式制造复杂的几何形状，同时可以实现增强材料在金属基体中的均匀分布，从而提高金属基复合材料的性能。相比传统制备方法，增材制造技术制备的金属基复合材料具有更均匀分布的增强材料和细化的微观结构，因此可能表现出更好的力学性能。本文还强调了增材制造技术相对于传统制备方法的优势，包括设计自由度、材料节约、快速原型制作、定制生产等优点。

 最新进展

在论文中，介绍了几种可用于生产金属基复合材料的增材制造技术，包括粉末床熔化、直接能量沉积、粉末喷射和喷涂技术。这些增材制造技术为生产金属基复合材料提供了多样化的选择，可以根据具体需求和应用场景选择合适的技术。同时，也介绍了在金属基复合材料增材制造过程中所使用的原材料，如雾化复合材料粉末、简单机械混合粉末、球磨混合粉末和卫星粉末。

▲图2 可用于增材制造工艺的四种复合粉末：(a)气体雾化粉末，(b)机械混合粉末，(c)球磨粉末和(d)卫星粉末(经许可使用，版权所有(2010、2019、2020、2022)，爱思唯尔)。

通过结合不同的增材制造技术和合适的增强体，可以实现生产高性能的金属基复合材料，为航空航天、汽车等领域提供更多可能性。论文同时讨论了制备增材制造金属基复合材料的原料和增强体的重要性。常用的增强材料包括氧化物、碳化物和硼化物等。通过选择合适的原料和增强体，来制备高性能的金属基复合材料。论文同时给出了大量的增材制造金属基复合材料的实际案例，如铝基复合材料、钛基复合材料、镍基复合材料、铁基复合材料等。

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同时指出增材制造技术相对于传统制备方法的优势，如设计自由度、材料节约、快速原型制作和定制生产等。增材制造金属基复合材料的强化机制与传统意义上的金属基复合材料并无多大区别，主要包括Hall-Petch强化、位错强化、载荷传递强化和Orowan强化。但增材制造技术为生产金属基复合材料提供了多样化的选择，可以根据具体需求和应用场景选择合适的技术，从而提高金属基复合材料的性能。

▲图3 激光粉末床熔合制备的不同尺寸SiC颗粒的Al基复合材料的相组成、相对密度和性能：(a)XRD图谱，(b)相对密度，(c)硬度，(d)磨损率（经许可使用，版权所有(2015)，爱思唯尔)。

▲图4 电子束粉末床熔合制备Ti-6Al-4V和TiB/Ti-6Al-4V复合材料及锻造TiB/Ti-6Al-4V复合材料的力学性能：(a)拉伸曲线，(b)拉伸结果；(c)电子束粉末床熔合制备Ti-6Al-4V、电子束粉末床熔合制备TiB/Ti-6Al-4V复合材料和锻造TiB/Ti-6Al-4V复合材料在拉伸过程中的断裂机理示意图(经许可使用，版权所有(2020)，爱思唯尔)

▲图5 采用单熔、重熔和重熔策略对激光粉末床熔合生产的金刚石/Cu复合材料的制造质量和相对密度进行比较：(a)采用重涂策略，(b）采用重熔策略，(c)金刚石/Cu相对密度与能量密度，(d)金刚石/Cu相对密度与扫描速度；(e)-(f)熔化、重涂和重熔策略的说明(经许可使用，版权所有(2022)，爱思唯尔)。

 未来展望

增材制造金属基复合材料仍面临的挑战，比如如何提高生产效率和降低成本，怎么更好的结合金属基复合材料的固有特性与增材制造技术的固有特性以及增材制造技术制备金属基复合材料可能面临的成本挑战。展望未来，需要克服这些挑战，推动增材制造制备金属基复合材料技术的发展，并拓展其在航空航天、汽车等领域的应用，从而提高金属基复合材料的制备效率和性能，推动该领域的发展。

作 者
陈靓瑜，秦鹏，张莉娜，张来昌
机 构
江苏科技大学

澳大利亚伊迪斯科文大学

Citation
Chen L Y, Qin P, Zhang L and Zhang L C. 2024. An overview of additively manufactured metal matrix composites: preparation, performance, and challenge. Int. J. Extrem. Manuf. 6, 052006.

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以下文章来源于Materials Research Letters ，作者MRL

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根据 的市场研究，铝合金的“双模”晶粒组织通常指的是一种具有两种不同尺寸晶粒的微观结构，这种结构可以提高材料的综合性能，如强度和塑性。在铝合金中，通过细化晶粒来获得细小均匀的等轴晶组织，可以提高材料的屈服强度、改善加工工艺性能、提高铝件的表面质量和抗腐蚀能力，以及减少形成条纹的倾向。晶粒细化处理的基本原理是增加形核核心的数量，通过在少量添加剂的作用下或快速凝固及各种物理作用下提高金属或合金组织分散度。

在一些研究中，通过控制晶粒尺寸大小，利用小的纳米晶粒提供强化作用，较大的纳米晶或超细晶提供储存位错的能力，实现了强度-塑韧性的同时提高。

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上海交通大学特种材料研究所团队研究揭示了L-PBF增材制造Al-Mg-Sc-Zr合金中“双模”异质晶粒结构在高温下的演化行为，本期 的谷专栏将针对这一研究进展做特别分享。

▲https://mp.weixin.qq.com/s/7CnPya9PBcHr1t7aoABUcg

© MRL

近年来，随着激光粉末床熔融（L-PBF）等金属增材制造技术的迅速发展，以铝-镁-钪-锆（Al-Mg-Sc-Zr）合金为代表的一系列添加Sc/Zr合金元素改性的新型铝合金因兼具良好的增材制造成形能力和出色的综合力学性能，引起了国内外研究者的广泛关注。该系列合金的优良力学性能来源于其增材制造过程中形成的独特“柱状晶+等轴晶”的“双模”异质晶粒结构（图1）和经高温时效后产生的纳米Al3(Sc,Zr)析出相。然而，增材制造“双模”异质晶粒结构在高温下的演化规律和物理机制尚不清晰，对于调控获得具有理想组织和性能的增材制造铝合金零部件带来挑战。

▲图1 L-PBF打印态Al-Mg-Sc-Zr合金晶粒组织

© MRL

近期，上海交通大学特种材料研究所团队在深刻理解晶界与纳米析出相交互作用规律和晶粒失稳长大物理机制的基础上，发现并解释了L-PBF增材制造经典Al-4.31Mg–0.65Sc–0.22Zr–0.24Mn–0.12Ti (wt.%) 合金经时效和高温热暴露后，合金中随机取向的亚微米细小等轴晶中出现的晶粒异常长大现象。相关研究成果以“Abnormal grain growth in randomly-oriented fine grains in an Al–Mg–Sc–Zr alloy processed by laser-powder-bed-fusion”为题的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文的第一作者为上海交通大学材料学院博士研究生陈砚池，通讯作者为上海交通大学崔宇驰副教授，陈哲教授和李险峰研究员，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室为第一通讯单位。

多晶材料在高温下为减小系统中存储的额外晶界能，往往会通过晶界迁移而发生晶粒长大。晶粒长大有两种典型形式：一种是晶粒组织整体发生均匀长大，称正常晶粒长大（NGG）；另一种则是组织中个别晶粒通过吞噬其他晶粒而猛烈长大，称异常晶粒长大（AGG）。在“双模”晶粒组织中，等轴晶晶粒尺寸更小、取向随机而无明显织构、内部难以累积位错，通常认为，这样的晶粒难以获取相对其他晶粒的生长优势，因而不太可能发生异常晶粒长大。

▲图2 L-PBF+325°C/4 h时效后Al-Mg-Sc-Zr合金微观组织表征

© MRL

本工作中发现L-PBF打印态合金呈现典型的“双模”晶粒结构，其中细小等轴晶具有亚微米晶粒尺寸和随机取向（图1），经325°C/4 h直接时效后，细小等轴晶组织没有遭到明显破坏（图2）。但是，对时效后合金再进行500°C/ 2h热暴露后，随机取向的细小等轴晶发生晶粒异常长大现象。在异常长大较充分的位置，多个异常长大晶粒相互接触而呈带状形态，几乎完全吞噬原本等轴晶区域；而在个别异常长大晶粒初步启动的位置，可在等轴晶区内部发现与柱状晶和其他异常晶粒不相接触的异常长大晶粒（图3），同时，未发生异常长大的剩余细等轴晶尺寸也增至1 μm以上，说明晶粒异常长大可能是晶粒正常长大失稳的结果。

作者结合透射电子显微镜（TEM）表征分析认为，经500°C热暴露后，时效形成的细小Al3(Sc,Zr)纳米析出相明显粗化，析出相平均半径由约1.5 nm增至约5.2 nm，第二相对晶界的钉扎作用随热暴露时间增加而不断衰减。作者据此基于Rios等人的经典模型 (Acta Mater., 1997)，通过比较任意尺寸的单个晶粒与晶粒组织整体长大速率的关系，推广提出了不稳定第二相钉扎作用下任意尺寸晶粒的长大失稳判据。推广判据指出，在L-PBF Al-Mg-Sc-Zr合金中，晶粒尺寸细小的等轴晶更易满足触发晶粒异常长大的条件，与所观察到的实验现象一致。

▲图3 L-PBF+325°C/4 h+500°C/2 h热暴露后Al-Mg-Sc-Zr合金微观组织表征

© MRL

本研究揭示了L-PBF激光粉末床选区熔融增材制造Al-Mg-Sc-Zr合金中“双模”异质晶粒结构在高温下的演化行为，发现了“双模”组织中随机取向的亚微米等轴晶在高温热暴露下可发生晶粒异常长大现象，并通过分析提出不稳定第二相钉扎作用下任意晶粒的长大失稳判据，解释了合金中随机取向等轴细晶在缺少其他生长优势的情况下发生异常长大的原因，为异质晶粒结构材料的微观组织设计调控提供了支撑。同时，本研究提出的晶粒异常长大的推广判据也可能适用于分析其他存在第二相对晶界钉扎作用的多晶材料中的晶粒异常长大现象，对在生产中主动利用或抑制晶粒异常长大、获得理想的材料微观组织具有启发意义。

文献信息
Yanchi Chen, Xiang Chen, Han Chen, Yakai Xiao, Jing Dai, Yidan Chen, Yuchi Cui*, Chengyi Dan, Zhe Chen*, Xianfeng Li* & Haowei Wang(2024) Abnormal grain growth in randomly-oriented fine grains in an Al–Mg–Sc–Zr alloy processed by laser-powder-bed-fusion, Materials Research Letters, 12:9, 635-643.

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以下文章来源于稀有金属RareMetals ，作者谭超林

根据 《3D打印高温合金、钛合金白皮书（版本二）》，3D打印技术被认为将成为高温合金、钛合金制造业的颠覆性技术，具有显著的不同和优势，虽然3D打印高温合金面临的主要挑战之一是蠕变，即金属在持续的机械应力和高温下永久变形的倾向。然而，3D打印钛合金和高温合金已经在各自的应用领域展现出巨大的潜力和应用前景。

近期，新加坡制造技术研究院、湖南大学、德国航空航天中心、南方科技大学、加利福尼亚大学、南华大学等国内外11个单位，在Rare Metals上发表了题为“Laser additive manufacturing of titanium alloys: process, materials and post-processing”的综述文章，对激光增材制造钛合金的工艺、材料与后处理研究进展进行了系统综述。

系统综述了激光增材制造钛合金的工艺、材料与后处理研究进展，研究结果可以为LAM钛合金制备提供重要参考。

本期谷.专栏将对该文陈述的研究背景、最新进展及总结进行分享。

© 白皮书

▲文献链接：

Su, JL., Jiang, FL., Teng, J. et al. Laser additive manufacturing of titanium alloys: process, materials and post-processing. Rare Met. (2024).

https://doi.org/10.1007/s12598-024-02685-x

 背景介绍

钛合金激光增材制造（LAM）技术已经成为一项具有广泛潜力的革命性技术，并对多个行业产生重大影响。为了概述LAM钛合金的最新发展，本文对两种关键LAM技术（即粉床激光熔融和激光定向能量沉积）制备的钛合金进行了系统回顾，涵盖工艺、材料和后处理等方面。论文阐明了钛合金LAM各工艺参数的影响以及优化工艺参数的策略。此外，从显微组织和性能的角度概述了LAM加工的各类型钛合金，包括α-Ti，(α+β)-Ti和β-Ti合金。此外，还系统地回顾和讨论了用于改善LAM钛合金性能的后处理方法，包括传统和新型热处理、热等静压以及先进表面处理工艺（如超声和激光喷丸）。本综述总结了LAM工艺窗口、各类钛合金组织特性和性能范围，并对LAM钛合金的发展趋势进行了展望。本论文可为研究人员和从业人员提供重要参考，并促进LAM钛合金及其应用的进一步发展。

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 亮点

1.综述了钛合金激光增材制造（LAM）中关键工艺参数对组织性能的影响。
2.总结了各类型LAM钛合金的工艺窗口和力学性能。
3.讨论了LAM钛合金的传统和先进后处理技术。
4.展望了LAM钛合金在参数优化、工艺整合和材料创新方面的发展趋势。

 图文解析

▲图1 本综述包含的内容

图1为本综述包含的内容。本综述针对LAM钛合金的增材制造工艺参数和工艺参数优化策略进行了详细论述。此外，对LAM制备的各类型钛合金包括α-Ti，(α+β)-Ti和β-Ti合金进行了介绍回顾。并系统综述和统计了LAM制备的钛合金的力学性能，讨论了对先进后处理技术（如新型热处理、激光冲击强化等）对LAM钛合金组织和性能的影响。

▲图2 LAM工艺示意图 a LPBF, b LDED

图2为LPBF和LDED工艺的示意图。两种工艺在制备钛合金方面具有截然不同的特点，本文对两种典型LAM工艺进行了详细介绍。对LAM过程中的各工艺参数对钛合金组织性能的影响进行了系统分析和讨论。

▲图3 LAM Ti合金致密化的加工参数影响：a 激光功率, b 扫描速度, c 层厚, d 扫描间距, e, f 激光能量密度

图3为工艺参数对LAM钛合金致密化行为的影响，主要包括激光功率、扫描速度、层厚、扫描间距和能量密度。论文对各参数的影响进行了详细分析和讨论。

▲图4 加工参数对LPBF Ti-6Al-4V合金微观结构的影响：a 激光功率, b 扫描速度, c 层厚

图4主要总结了LPBF制备的Ti-6Al-4V合金微观结构受加工参数影响的情况。其中讨论了激光功率、扫描速度和层厚等加工参数对LPBF建造的Ti-6Al-4V合金的影响。研究发现，较高的激光功率通常有利于促进先驱-β晶粒的柱状生长并粗化马氏体α’，而较高的扫描速度则可加速固化速率并提高Ti合金的强度。然而，过高的激光功率可能会导致材料蒸发过度，形成许多匙孔，而过高的扫描速度则可能导致穿透深度不足和能量输入不足，进而产生缺陷。此外，图中还提到了适当的激光功率和扫描速度的交替调整可以实现先驱-β晶粒的柱状到等轴生长的转变。

▲图5 加工参数对LDED Ti-6Al-4V合金微观结构的影响：a 激光功率, b 扫描速度, c 进给速率

图5则总结了LDED制备的Ti-6Al-4V合金微观结构受加工参数影响的情况。研究发现，激光功率、扫描速度和进给速率等参数对LDED建造的Ti-6Al-4V合金的影响较为显著。适当的激光功率可以细化先驱-β晶粒并促进马氏体α’的分解，而提高的扫描速度可以加快固化速率并提高合金的强度。然而，过高的激光功率可能导致材料蒸发过度，形成许多键孔孔隙；过高的扫描速度可能导致能量输入不足，形成缺陷。此外，图中还提到了周期性调整激光功率或扫描速度可以实现先驱-β晶粒的柱状到等轴生长的转变。这种方法有利于形成完全或几乎等轴晶粒。

▲图6 扫描策略对Ti合金的影响：a LPBF Ti-6Al-4V合金采用不同扫描策略的EBSD图, b LPBF Ti-6Al-4V合金采用不同扫描策略的光学显微镜（LOM）图像, c 不同扫描策略的示意图和相应的LPBF Ti/(TiC+TiB)复合材料的奈奎斯特图

图6主要总结了不同扫描策略对Ti合金LAM建造的影响。研究发现，扫描策略主要影响残余应力、失真、晶体学纹理和晶粒形态。其中线性扫描是最常用的策略，而岛屿扫描仅在LPBF系统中采用。研究显示，不同的扫描策略会对孔隙率产生影响，例如90°旋转的线性扫描可以使Ti-6Al-4V合金的相对密度达到99.9%。此外，扫描策略还可以影响Ti构件的耐腐蚀性能，90°旋转的线性扫描能够提高抗腐蚀能力，这是由于这种扫描策略有利于减轻热积累并促进Ti基复合材料中增强物的细化。

▲图7 Ti合金LAM中层间时间的影响：a 不同层间时间下的Ti-6Al-4V合金显微结构演变, b 层间时间对Ti-6Al-4V合金α片尺寸的影响, c 梯度层间时间对Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金力学性能的影响

图7总结了层间停留时间对Ti合金LAM制造的影响。研究表明，短的层间停留时间会导致热积累增加，促进沉积过程中亚稳相（如马氏体）的原位分解。相反，较长的层间停留时间可以减轻热积累，从而细化微观结构并提高强度。张等人提出了一种新颖的梯度层间时间策略，通过调整层间停留时间，实现了Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金的均匀拉伸性能。

▲图8 反应性LAM Ti合金：a CP-Ti的LPBF, b 和 c Ti-10Nb的LPBF, d-g Ti-6Al-4V合金的LPBF

图8主要介绍了LAM Ti合金中的反应性制造技术。研究表明，在半惰性气氛下进行反应性LAM可以引入微量间隙元素，有利于提高Ti合金的力学性能。例如，采用Ar + N2反应气氛可以细化Ti合金的微观结构并提供固溶强化，而Ar + CH4反应气氛可诱导纳米级TiC分散体的形成，增强合金的抗压强度和抗应变能力。这些反应性制造技术为制备高性能Ti合金或Ti基复合材料提供了有效的途径。需要注意的是，

▲图9 样品几何形状对Ti合金的影响：a 位置对Ti-6Al-4V合金微观结构的影响, b 零件尺寸对Ti-6Al-4V合金微观结构的影响

图9总结了样品几何形状和构建方向对LAM部件残余应力分布、显微结构和性能的影响。研究发现，LAM制造的Ti合金的显微结构和性能取决于特定位置和构建方向。例如，LPBF制造的Ti-6Al-4V合金的显微结构随着构建高度的增加而变化，底部区域显示α+β的片层状形貌，而顶部区域则呈现出针状α’形貌。这主要归因于LPBF的热循环效应。另外，构建方向还影响着制造件的力学性能。LPBF制造的Ti-6Al-4V合金在纵向构建的拉伸样品通常显示比横向构建的样品更高的韧性，但强度较低。这归因于纵向构建方向中形成的柱状β晶粒边界和αGB相，在拉伸变形过程中会导致局部应力集中，从而降低韧性。此外，构建方向还影响着相体积分数和组织结构，从而影响着材料的力学各向异性。对于LDED处理的Ti合金，多方向切片方法更适合于加工复杂形状的部件，如带有明显边界或其他特征的部件。因此，在选择构建方向时需要考虑构件的形状和所需的力学性能。图9针对这些问题进行了具体的探讨。

▲图10 构建方向对Ti合金的影响：a 构建方向对Ti-6Al-4V合金孔隙率和拉伸性能的影响, b 构建方向对Ti-6Al-4V合金疲劳性能的影响，c 应力与失效循环次数（S-N）曲线，d 循环次数与裂纹长度曲线和裂纹扩展速率曲线，e 不同构建策略的示意图，f Ti-6Al-4V合金的电化学极化曲线，g 不同构建方向的Ti-6Al-4V合金的奈奎斯特图

图10总结了构建方向对LAM制造的Ti合金的疲劳性能和耐蚀性能的影响。研究表明，不同构建方向的样品表现出不同的孔隙率、疲劳性能和耐蚀性能。特别是0°和90°构建方向有利于实现更高的耐腐蚀性能。这些研究结果强调了在LAM Ti合金加工过程中考虑构建方向对最终产品性能的重要性，同时也为实际应用中的合金制造提供了指导。

▲图11 Ti合金LAM的工艺窗口：a Ti-6Al-4V合金的典型工艺图及不同加工参数下的孔隙形态, b Ti-6Al-4V合金的预测工艺图及实验验证

图11概述了钛合金的LAM过程窗口。该过程窗口指的是可以用于实现高密度部件的所有处理参数组合。研究发现，不合适或次优的处理参数选择会导致缺乏熔合或形成穿孔孔。因此，寻找适当的过程窗口是实现所需材料和构件最终性能的重要步骤。图11a展示了典型缺陷形成条件及其形态。研究表明，较大的激光功率和较慢的扫描速度会导致穿孔孔的形成，而较大的扫描速度和较低的激光功率可能会导致缺陷的出现。此外，研究人员通过利用Eagar-Tsai模型和能量平衡模型计算熔池尺寸，成功预测了LPBF制造的Ti-6Al-4V合金的过程窗口地图（图11b）。

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▲图12 高保真机理建模：a 所建构件探测点的热历史, b 孔隙形成过程中的温度等温线和速度场

图12总结了高保真机理建模对LAM Ti合金的优化作用。通过包括有限元分析和相场建模在内的先进计算方法，高保真机理模型能够模拟多尺度的LAM过程。例如，研究人员提出了基于链环模型的框架，以分析LDED加工的Ti-6Al-4V的冷却速率与构件性能的关系。另外，高保真数值模型可以准确模拟激光-材料相互作用，并预测穿孔孔特征。相场模拟被用来模拟LAM过程中的微观结构演变和凝固行为。这些模型在优化LAM处理参数方面发挥了重要作用，有助于提高机械性能并减少构件缺陷，如孔隙、裂纹和几何畸变。通过这些模型，我们可以更深入地理解LAM过程，并高效地生产用于各种应用的高性能钛合金组件。

▲图13 LAM α-Ti合金的显微结构：a, d CP-Ti, b, e Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, c, f Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V

图13介绍了LAM建造的α-Ti合金的微观结构和力学特性。研究表明，通过LAM建造的CP-Ti合金通常包含完全马氏体α’微观结构，而LDED建造的Ti合金通常显示粗大的板状Windmanstätten α相。此外，研究人员通过精心调整体积能密度，可以在LPBF建造的CP-Ti中实现细小的等轴α晶粒。类似地，Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo和Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V等合金的特点和微观结构也在图13中介绍。

▲图14 LAM (α+β)-Ti合金的显微结构：a 和 b Ti-6Al-4V的典型显微结构, c 和 d Ti-6Al-4V合金, e 和 f Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金的显微结构, g 热处理对Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金机械性能的影响

图14涵盖了LAM建造的(α+β)-Ti合金的微观结构和力学特性。以Ti-6Al-4V合金为代表，LPBF建造的Ti-6Al-4V合金通常呈现出马氏体α’和大量纳米孪晶，而LDED建造的Ti-6Al-4V合金通常显示α+β层片状微观结构。另外，Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo和Ti-6Al-7Nb等合金的特点和微观结构也在图14中详细介绍。

▲图15 LAM β-Ti合金的显微结构：a Ti–5553, b Ti–5553, c Ti-38644, d Ti-38644

图15涵盖了LAM建造的β-Ti合金的微观结构和力学特性。例如，Ti–5Al–5Mo–5V-3Cr合金具有高强度、高韧性和良好的热稳定性，LPBF建造的Ti-5553合金主要由亚稳态β晶粒组成。类似地，Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金的LPBF建造形成了单一的亚稳态β相。此外，Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的LPBF建造可通过调控熔池模式和微观结构工程等方法来增强其强度和韧性。

▲图16 LPBF Ti-6Al-4V在各种常规热处理下的显微结构：a-c 700℃, d-f 800℃, g-i 900℃

图16主要涉及LAM制造的α-Ti和(α+β)-Ti合金的后热处理以及常规热处理的影响。常规热处理包括退火、固溶处理、固溶时效处理和直接时效处理等，这些处理可以改善合金的韧性、减轻残余应力、分解马氏体相并提高合金的疲劳寿命。

▲图17 定制新型热处理：a-c 多步热处理, d-f 循环热处理, g-h 热力水制精制, i-j 磁场辅助热处理

图17主要涉及了一些创新的热处理方法，如多步热处理、循环热处理、热氢精炼以及磁场辅助热处理等。这些方法可以定制微观结构，有助于实现优越的力学性能。此外，还介绍了一些在LAM制造钛合金过程中引入主动气氛或辅助能量场的方法，如热氢精炼和磁场辅助热处理等。这些方法可以消除缺陷、改善疲劳性能并提高合金的强度和韧性。

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▲图18 HIP对Ti-6Al-4V合金的影响：a HIP示意图, b 孔隙度的影响, c 工艺窗口, d 拉伸性能, e, f 疲劳性能

图18主要介绍了热等静压（HIP）对LAM制造的钛合金的影响。研究表明，孔隙是LAM制造部件中常见的缺陷，会显著影响机械和疲劳性能。HIP作为一种加压热处理方式，可以有效减少孔隙并改善LAM制造部件的性能。HIP能够消除制造缺陷（例如LOF、孔洞孔），同时也可以改善材料的韧性和疲劳寿命。对于LAM制造的α和α+β钛合金，HIP能够同时消除缺陷、分解马氏体并减轻热应力。HIP处理可以有效提高钛合金的延展性，并扩大LAM过程的窗口。此外，HIP还能通过消除缺陷显著提高LAM制造的钛合金的疲劳性能。然而，值得注意的是，HIP无法有效关闭近表面的孔隙，因此需要表面处理来消除表面缺陷并进一步提高疲劳性能。

▲图19 LAM Ti合金的机械性能总结

图19主要总结了LAM制造的钛合金的机械性能。图中指出，在LAM初始状态下，α-Ti和(α+β)-Ti合金通常比β-Ti合金具有更高的机械强度。对于LAM加工的α-Ti和(α+β)-Ti合金来说，由于类似的马氏体α’微观结构，它们的机械性能相似。α-Ti合金具有高温稳定性和高蠕变强度，是高温应用的有前途的候选材料。而(α+β)-Ti合金的机械性能范围比α-Ti合金更广，但其制造过程参数需要更加谨慎。在β-Ti合金中，微观结构通常包含亚稳定的β相，其强度相对较低。此外，一些高强度的β-Ti合金经LAM制造后，通常需要后时效处理才能获得优异的机械强度。

▲图20 Ti合金LAM的未来研究与发展趋势

图20主要展望了LAM钛合金的研究和发展趋势。其中包括智能工艺优化方法、工艺创新与集成、材料定制和创新以及后处理验证和创新。智能工艺优化方法主要利用机器学习等技术加快LAM参数优化过程，以实现优异的机械性能。工艺创新和集成方面，介绍了诸如场辅助增材制造（FAAM）、反应性LAM等先进工艺，并提出了设备创新的研究方向。材料定制和创新主要关注低密度高强度、低成本可持续、耐杂质、生物医用低模量等钛合金的研究。后处理验证和创新方面主要关注时间和能源效率、微观结构和性能均匀性、可扩展性和成本、标准化与认证等方面的研究。通过这些方面的努力，可以显著推动LAM钛合金领域的发展，为其在各个行业的更广泛和更有影响力的应用铺平道路。

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 全文小结

1.了解LAM过程参数对钛合金的熔池几何形态、热历史和能量输入的重要影响，进而影响LAM Ti合金的微观结构、残余应力和性能，控制处理参数对获得理想性能至关重要。

2.针对不同类型的钛合金，包括α-Ti、(α+β)-Ti和β-Ti合金，讨论了其机械性能，指出了各种合金的优势和适用领域。

3.介绍了提高LAM Ti合金整体性能的后处理方法，包括热处理（PHT）和热等静压（HIP），以及表面处理方法。

4.未来展望：探讨了LAM领域的几个关键发展趋势，包括智能工艺优化、工艺创新、材料创新和后处理创新。指出机器学习、先进的材料定制和创新工艺在未来LAM钛合金研究中的重要作用。

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▲ 扫码预约发现3D打印之旅

根据 《接近已知物理的极限, SpaceX Raptor 3增材制造成就火箭工程简约的胜利》一文，随着 SpaceX 的 Raptor 3 发动机的亮相，埃隆马斯克对雄心勃勃愿景的偏爱再次变成了现实。Raptor 3 简化设计的一个关键因素是将二次管道集成到主泵中。这种整合以及某些结构的移除使发动机更轻但更强大。然而，这种流线型设计的代价是增加了制造复杂性。Raptor 3 的生产需要先进的制造技术。大量使用冷却通道壁需要复杂的机械加工和钎焊工艺。SpaceX 很可能利用3D打印技术克服这些生产挑战，突破火箭制造的界限。

如果说Raptor 3 发动机的亮相暗示着3D打印已经成为航天制造主流技术，那么NASA的RAMPT（快速分析和制造推进技术）项目则是推动航天制造技术快速发展的幕后推手之一。

▲ 增材制造火箭发动机的先进性
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美国宇航局（NASA）的RAMPT（快速分析和制造推进技术）项目是一项前沿技术研究，利用增材制造技术，也就是通常所说的3D打印技术，来开发新的合金和制造火箭部件。这个项目由位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心主导，通过结合先进的材料科学和制造工艺，旨在提高火箭发动机的性能和可靠性，同时降低成本和制造时间。

保罗·格拉德尔（Paul Gradl）作为该项目的首席研究员，强调了NASA在飞行器设计、测试和集成方面的优势，特别是在极端环境下对材料的应用和创新组件设计。通过深入了解材料的微观结构和特性，NASA能够开发出更适合太空任务需求的组件。

根据 ，到目前为止，RAMPT项目的一些关键成就包括：

• 500次3D打印喷射器、喷嘴和燃烧室硬件试射，总计超过16,000秒。
• 开发全尺寸版本的主力RS-25发动机，预计可将成本降低高达70%，并将制造时间缩短一半。
• 复合材料的使用，与传统的双金属燃烧室相比，重量减轻了40%。
• 成功验证了新合金GRCop42，并帮助商业发射提供商Relativity Space在2023年3月发射了第一枚完全3D打印的火箭。

为进一步提高其性能，在结构设计方面，需要在下列方向重点突破：1)开展发动机多功能耦合设计和协同优化方面的研究，形成多结构尺度-多组件集成-多功能协调-多系统融合的研制体系。在更高的总体设计角度中实现将承载、隔热、对流换热等功能组件集成；燃烧、冷却、控制、诊断等多系统融合；热、力、声等多物理场优化，实现刚度、质量、模态等动静性能的协调匹配。2)开展增材制造工艺约束和材料性能方面的研究，针对形成的制造体系，开展发动机重点材料牌号、典型结构部件在多物理场下的力学性能等基础理论攻关，形成面向增材制造的发动机材料结构性能数据库，为发动机结构设计体系的建立提供支撑。

《融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法与应用》谭永华等

 发动机组件技术突破

根据 《世界上第一个双金属（铜合金-镍基超合金）旋转爆震火箭发动机 (RDRE) 喷射器，NASA新突破》一文，双金属火箭发动机喷射器是一种利用3D打印技术制造的先进部件，它结合了两种不同金属材料的特性，以提高火箭发动机的性能和效率。这种喷射器通常采用高导热的铜合金（如GRCop-42）来制造喷射器面板，以确保在高热环境下能够维持较低的温度，从而延长喷射器的使用寿命和可靠性34。同时，使用高强度、耐氧化的镍基超合金（如Monel K500）来制造歧管，允许歧管在保持结构完整性的同时，壁厚更小，减轻整体重量，提高火箭发动机的性能。

3D打印技术使得这种双金属结构的制造成为可能，它具有最佳的制造精度、力学性能、表面质量以及复杂结构制造能力3。然而，在制造过程中，确保两种材料之间的精确几何对齐、避免材料交叉污染以及实现高强度双金属结合都是需要克服的技术挑战。

这种双金属喷射器的成功研发和应用，不仅提高了喷射器的性能和可靠性，还为未来的火箭发动机设计提供了新的思路和方法34。它体现了3D打印技术在一体化和轻量化制造方面的优势，推动了更高耐热性能的实现，并提高了火箭发动机的整体性能34。此外，这种结构的成功制造是增材制造技术的重要突破，展示了在材料科学、制造工艺和工程设计方面的创新能力。

尽管多材料SLM选区激光熔融3D打印工艺取得了很大进步，但距离稳定高效批量生产组件仍有一定距离，此类工程化应用的案例仍然相当少。不过，以相对并不高的代价制造出创新的结构，以推动产品的发展，却具有重大意义。

RAMPT 项目不仅开发前沿制造技术，还开发充分理解该技术的手段，无论其应用是什么。这意味着要推进尖端模拟工具，以在微观结构层面确定新合金和复合材料的可行性——评估它们如何应对升空的严酷考验、太空的严寒以及与升空、着陆和长途运输相关的动态应力。

根据 《深度剖析NASA采用多合金增材制造和复合材料实现轻质可重复使用的推力室组件》，RAMPT项目的第三项关键技术开发是双金属增材制造，双金属的开发集中在铜合金（特别是GRCop-42或GRCop-84）和高温合金的耦合上。其中一个方面是燃烧室和喷管之间的轴向接头。轴向沉积发展的主要目标是表征和定义适当的界面所需的材料。

 材料技术突破

例如，NASA 成功交付了一种合金的精制版，称为 GRCop42，这种铜/铬/铌合金来增材制造需要高强度分散和高导电性的零件，该合金是近 40 年前在 NASA Glenn 制造的，它帮助商业发射提供商 Relativity Space 在 2023 年 3 月发射了第一枚完全 3D 打印的火箭。

根据 《ODS、铜合金、HR-1、极温耐火合金 l 一文洞悉NASA的3D打印合金“家族”》一文，当涉及到复杂航空零部件的3D打印-增材制造时，例如。包括复杂的（合金）成分，由超级合金制成的涡轮机的耐高温部件需要提供出色的机械强度、抗热蠕变变形、良好的表面稳定性以及抗腐蚀或抗氧化性。因此，高温合金部件的开发在很大程度上依赖于物理、化学，尤其是工艺创新。显然，增材制造 (AM) 使得能够开发用于极端推进环境的新型合金，在这方面，美国国家航空航天局 (NASA) 拥有成熟的合金，包括GRCop-42、GRCop-84、NASA HR-1、GRX-810、C-103，这些合金的材料特性、热火测试应用数据证明已经可用。

GRCop 是铜、铬和铌的组合，这种材料专门针对高强度、高导热性、高抗蠕变性进行了优化，这在高温应用中允许更大的应力和应变，具备良好的低周疲劳性能，可以防止材料在高温下失效。GRCop 合金的优点是导电率高、高温下强度良好以及操作过程中的稳定性。GRCop 合金通过粉末雾化过程中产生的 Cr2Nb 沉淀物进行弥散强化，并在L-PBF 激光粉末床熔融金属3D打印加工过程中进行精炼。与大多数低合金铜基合金相比，GRCop 合金还具有改进的抗氧化性和抗热白性。GRCop 合金允许热壁温度≥700 °C，具体取决于强度、蠕变和 LCF 要求。

由于推进剂的环境，氧化会导致热烫，氢气会导致氢环境脆化， NASA通过GRCop-42和GRCop-84铜合金来满足这些要求。其中，林德先进材料技术公司和美国国家航空航天局 (NASA) 在2024年签署了GRX-810合金金属粉末的许可协议。根据该协议，林德先进材料技术公司被授予营销和销售 GRX-810 合金的权利。

▲ NASA开发的增材制造合金
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根据 的市场观察，NASA 已使用各种 GRCop-42 和 GRCop-84 制造的火箭发动机燃烧室腔室完成了液氧/氢 (LOX/H2)、液氧/煤油 (LOX/RP-1) 和液氧/甲烷 (LOX/CH4) 热火测试。

GRCop-42的诞生来自于NASA厚积薄发的积累，2014年，NASA就已经开始为GRCop-84开发L-PBF激光粉末床熔融金属3D打印工艺，并成功建造了各种燃烧室并进行了热火测试。还进行了材料和性能表征。虽然测试表明GRCop-84 具有高强度和良好的 LCF 性能，但仍希望提高导热率。NASA于2018 年开始GRCop-42 的 L-PBF开发激光粉末床熔融金属3D打印工艺，NASA通过材料特性开发、组件演示和热火测试来进行合金的开发迭代。NASA 还鼓励商业和学术界参与的策略是提供公私合作合作机会，其中行业和学术界贡献了高达 25% 的项目开发成本，使他们能够从中获益。截至2023年，超过8家国际供应商正在积极生产GRCop粉末，超过12家商业3D打印服务公司将其作为标准材料选项。

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以下文章来源于极端制造 IJEM ，作者Editorial Office

激光粉床熔融 (LPBF) 是一种增材制造 (AM) 工艺，依靠激光根据三维CAD模型选择性地熔化连续的金属粉末层。LPBF激光粉床熔融3D打印工艺的优势是能够生产复杂的几何形状，同时最大限度地减少交货时间和材料浪费。尽管有许多优点，但该过程仍然面临一些限制。特别是，缺陷的随机形成仍然是一个主要问题，因为它会导致机械性能下降，这阻碍了LPBF 在关键应用中更广泛的工业化采用。

小孔缺陷可能导致零件的机械性能下降，通常在加工后通过非破坏性质量检查程序和孔隙去除处理来检测和去除。而在LPBF金属激光粉末床熔融增材制造工艺过程中监测和控制缺陷的形成可以避免此类耗时且成本高昂的后处理阶段。

近期，伦敦大学学院机械工程学院（UCL Mechanical Engineering）Peter D. Lee教授，Chu Lun Alex Leung副教授，郭耷博士后研究员及其团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《Correlative spatter and vapour depression dynamics during laser powder bed fusion of an Al-Fe-Zr alloy》的研究论文，系统介绍了LPBF中飞溅与凹陷区的动态联系。

▲论文链接：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad4e1d

 亮 点

• 通过高速原位x射线成像分析LPBF过程中飞溅与匙孔/凹陷区之间的动态联系；
• 发现新的飞溅形成机制；即由金属蒸气压力、Kelvin-Helmholtz不稳定性和马兰戈尼对流共同作用下于匙孔后缘形成的后缘液滴飞溅；
• 发现新的表面缺陷形成机制；即由激光-小颗粒粉末飞溅相互作用导致的表面孔洞，被称为飞溅引入孔洞；
• 推荐低能量密度（低扫描速度）的金属3D打印参数，以最小化LPBF的飞溅和表面缺陷形成。

 导 读

激光粉末床熔融（LPBF）是一种功能强大的增材制造/3D打印（AM）技术。它可以在无模具成本的情况下高效地逐层制造出具有复杂结构的小型金属组件。相比于传统的金属制造工艺，LPBF具备超高的设计自由度和精度，是适用于航空航天，机械自动化以及医学领域的理想技术。然而，激光工艺的不稳定性导致了缺陷的形成，尤其是飞溅导致的表面缺陷，会直接影响制造部件的疲劳性能。由于难以实现满足严格高质量标准的低缺陷、高密度金属组件，LPBF在各个行业的关键应用中受到了阻碍。

「 Highlight 」

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飞溅的产生源自于激光-粉末-液态金属的相互作用。在LPBF过程中，根据其形成机制发现了四种类型的飞溅：(i)粉末飞溅，(ii)夹带飞溅，(iii)粉末聚结飞溅，以及(iv)液滴飞溅。当高能的激光束撞击粉末床时，局部加热导致液体金属表面汽化，形成高压蒸汽射流。蒸汽射流产生的反冲压力导致金属液面的向下凹陷（称作匙孔或者凹陷区）。在激光-物质相互作用区域，高速向上的蒸汽流将熔池周围的粉末喷射出去形成粉末飞溅。同时，高速气流产生的低压诱导惰性保护气体向内流动，卷带粉末颗粒形成夹带飞溅。高温使粉末表面局部熔化进而产生聚结，并被保护气体气流夹带形成不规则的大颗粒飞溅。液滴飞溅主要是由不均匀的反冲压力引起的熔池液面波动，蒸汽压力克服液体表面张力导致液体破裂时形成的。

大尺寸的颗粒飞溅，例如液滴飞溅和粉末聚结飞溅，通常被认为是LPBF过程中缺陷生成的主要来源。过大的飞溅可能粘附在增材制造零件的表面上，增加其表面缺陷和粗糙度；它们还可能镶嵌在后续建造层的粉末床中，导致因不均匀的能量吸收而熔合不完全，最终产生孔隙。同时，飞溅颗粒可能发生氧化，降低粉末的可回收利用率和可重用性；表面氧化物会抑制颗粒熔合并促进孔隙形成，从而降低LPBF部件的密度。然而，关于小颗粒飞溅对部件缺陷的影响研究却略显不足。

目前，大部分研究采用原位高速光学成像，红外热成像或者Schlieren成像来捕捉LPBF过程中的动态蒸汽射流和飞溅，但这些成像技术无法同时实现高时间分辨率和高空间分辨率。而同步辐射x射线光源具有极高的时间（高达1MHz）和空间分辨率，这对于高速动态现象（飞溅）的可视化以及细节呈现至关重要。

图1展示了运用原位高速（40 kHz）同步辐射x射线成像捕捉LPBF中高速飞溅和熔池变化的动态过程。

▲图1 LPBF过程中原位同步辐射x射线成像装置的示意图。

 研 究 背 景

当使用适当的工艺参数时，LPBF打印的组件在缺陷水平和机械性能方面可以优于铸件。然而，目前它们的表面质量和缺陷水平可能尚未达到锻造产品机加工组件的水平。因为铝的加工相对廉价，且废料可以高效回收，LPBF的铝合金组件目前仅在少数细分应用中能替代机加工组件。在工业中，铝合金LPBF在生产短交期的原型件（如非机加工的备件）或用单个增材制造组件替换复杂的组件系统时变得具有吸引力。

铸造铝合金如AlSi10Mg和高强度铝合金（例如6xxx和7xxx系列）在增材制造应用中可能表现出较差的机械性能或工艺性。为此，Constellium科技公司研究了新型的Al-Fe-Zr合金系统，并在铝协会注册为AA8A61.50。该合金设计简化了LPBF的生产过程。打印后，在400°C下进行4小时的沉淀硬化处理，其组件能达到约300 MPa的峰值屈服强度和高水平的导热性（180W/m·K）以及导电性（高达30 mS/m）。并且，AA8A61.50的打印组件通常表现出低内部缺陷和低残余应力。表面缺陷（或粗糙度）的减少能进一步改善其LPBF组件的疲劳性能，而这些表面缺陷通常与飞溅的形成有关。

综上，为了更深入理解LPBF中飞溅的形成演变机制， 从而防止它们的形成，UCL团队运用高穿透，高时间以及空间分辨率的同步辐射光源于动态飞溅的研究。在本文中，UCL团队对LPBF金属3D打印中高速飞溅的最新研究进行了详细的介绍。

 最 新 进 展

最新进展主要分为四个部分：LPBF原位x射线成像实验设计以及图像处理，飞溅的种类与形成机制，动态飞溅的定量分析，新的表面缺陷形成机制分析。

「 Highlight 」

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LPBF原位x射线成像实验设计以及图像处理，本实验中使用的设备是由UCL团队研发定制的LPBF激光3D打印设备，称为Quad-laser in situ and operando process replicator（Quad-ISOPR）。如图2所示，该设备由四个RenAM 500Q（英国Renishaw公司）激光扫描头、高速摄像机以及一个充满氩气保护气体的工作室组成。其激光功率最高可达500瓦，可还原工业级别的LPBF打印参数。原位实验前，一个厚度为1毫米、高度为15毫米的基板被镶嵌在两片极薄的玻璃碳窗片之间，并安装在工作室中。料斗在基板上自动沉积一层薄薄的粉末（约为60微米）。在原位x射线成像实验中，激光同步运作以模拟LPBF中加工薄粉末层的过程，参照视频1中的示例。

▲图2 定制设备Quad-laser in situ and operando process replicator（Quad-ISOPR）的示意图。

原位实验在欧洲同步辐射光源实验室（ESRF）的高速成像光束线ID19上进行。该光束线使用两个U32摆动器产生多色硬X射线束，平均能量约为30 keV。当入射光束通过样品和封闭在两侧的玻璃碳窗后，衰减的X射线被LuAG: Ce闪烁体转换并发出可见光。可见光图像通过5倍物镜放大，然后由高速相机（Photron FASTCAM SA-Z 2100 K，日本Photron公司）以40 kHz的帧率捕获。本次实验的视场（FoV）为1024像素（宽）× 512像素（高），各向同性像素大小为4.3 微米。

获取的原始射线图像均使用ImageJ和MATLAB©进行处理。首先使用公式=0/ 对图像进行平场校正。为了去除静止物体，应用了自定义的背景减除。之后通过应用高斯滤波器和手动阈值对固体飞溅和液滴颗粒进行分割。最后使用ImageJ中的TrackMate插件，通过应用掩模检测器和高级卡尔曼跟踪器，对飞溅颗粒运动进行跟踪和量化（参见视频2中的示例）。每条轨迹上识别出的颗粒的最大帧数设置为3帧。为了捕捉稳态匙孔或凹陷区形态，使用Python脚本对背景去除后的图像重新框定以聚焦于熔池区域。

飞溅的种类与形成机制。如图3所示，研究人员对LPBF过程中的五种飞溅颗粒进行了分类，并根据其形成机制将其划分为：固态粉末飞溅、固态夹带飞溅、粉末聚结飞溅、喷射液滴飞溅和大液滴飞溅。其中前4种飞溅的形成机制详解于文章导读章节。除此之外，研究人员发现了新的液滴飞溅的形成机制（称为后缘液滴飞溅）。如图3（d-g）所示，在匙孔熔化条件下，马兰戈尼对流将匙孔底部附近的液态金属推向上部熔池表面。强烈的蒸汽流（蓝色实箭头）会在匙孔后壁产生蒸汽压力。金属蒸汽和液态金属之间的速度和密度差异在气-液界面处引起扰动，即Kelvin-Helmholtz不稳定性。Kelvin-Helmholtz不稳定性和马兰戈尼对流（红色虚线箭头）的共同作用促使在后缘处形成一个大的液体突起。当蒸汽射流继续与突起持续相互作用时，它会使液态金属过热并降低其表面张力，形成一个缩颈区。一旦蒸汽压力克服了缩颈区的表面张力，大的液滴就会脱离并被蒸汽射流喷射出去形成后缘液滴飞溅。

同时，研究人员定量分析了飞溅颗粒的尺寸和数量，其中飞溅尺寸分布与线性能量密度（）之间没有相关性。然而，固体或液滴飞溅颗粒的数量与之间却存在强正相关性。因此，研究人员推导出以下公式来预测AA8A61.50在LPBF过程中飞溅颗粒的数量：

固态飞溅：

液滴飞溅：

这两个公式均可用于未来LPBF中飞溅模型的验证以及设计新的打印参数以达到飞溅最小化。

▲图3 LPBF中飞溅颗粒的分类与形成机制：（a-b）用不同颜色区分的5种飞溅粒子类型；(c)飞溅形成机制的示意图；（d-g）后缘液滴飞溅的形成机制；（h）固态飞溅、液滴飞溅和粉末聚结飞溅的直径分布；（i）固态飞溅、液滴飞溅和粉末聚结飞溅的圆度分布；（j）不同线性能量密度下的固态飞溅和液滴飞溅的数量和直径。

动态飞溅的定量分析。为了理解在不同扫描速度和激光功率下的飞溅动态，我们在LPBF过程中追踪并量化了固态飞溅以及液滴飞溅颗粒的轨迹角度和速度。同时我们还将将飞溅的动能与输入的激光能量进行比较，以估计飞溅生成过程中消耗的能量百分比（PE）。

图4展示了不同激光功率和扫描速度下飞溅颗粒的运动轨迹角度、速度以及消耗能量百分比，并与相对应的匙孔/凹陷区形态进行比较。研究结果表明匙孔/凹陷区形态对于飞溅颗粒的轨迹角度影响较大。而线性能量密度与飞溅速度/动能之间呈正相关，这是因为较高的线性能量密度（较高激光功率或较低扫描速度）会在LPBF过程中引起更多的金属汽化和更高的蒸汽压力。同时，较高的扫描速度有利于减少夹带粉末飞溅的产生。

综上，研究人员建议在激光功率为420瓦的情况下，使用更快的扫描速度（>1米/秒），以使得AA8A61.50合金在LPBF打印过程中减少整体飞溅数量,飞溅速度和粉末夹带。

▲图4 LPBF过程中的动态飞溅的定量分析：（a，b）飞溅颗粒运动轨迹角度；（c, d）飞溅颗粒速度和能量消耗百分比；（e，f）匙孔/凹陷区形态。

新的表面缺陷形成机制分析。先前大量研究表明，大液滴飞溅可能会被困在打印层之间，导致杂质和孔隙，从而对LPBF产品的性能产生不利影响。通过对x射线图像的逐帧分析，研究人员发现了由小颗粒固态飞溅导致的新的表面缺陷的形成机制（称为飞溅引入孔洞）。

图5（a-f）展示了飞溅引入孔洞的形成机制。一个约36微米的前向飞溅颗粒首先被喷射到激光扫描路径中，然后在激光辐射力（Frad）作用下改变其轨迹方向，高速飞向粉末床（称为激光-飞溅相互作用）。在飞溅与粉末床碰撞时，引起更多的粉末飞溅并在激光束前方形成一个局部裸露区，激光熔化后在最终打印层中形成一个表面孔洞。同时图5（g-h）表明，较小的匙孔/凹陷区前壁角度会产生最少的前向飞溅颗粒，从而降低激光-飞溅相互作用的概率。最终减少表面孔洞产生的可能性并改善表面质量（即低表面粗糙度）。

▲图5 LPBF过程中的表面缺陷的新形成机制：（a-f）飞溅引入孔洞形成机制；（g-h）激光-飞溅相互作用频率、表面粗糙度、匙孔前壁角度和飞溅轨迹角度之间的关联。

 未 来 展 望

由于高速成像技术时间或空间分辨率的限制，目前对于LPBF金属3D打印过程中动态飞溅的理解和认知还稍显不足。本研究应用高速同步辐射x射线成像技术在新合金AA8A61.50 LPBF打印过程中进行了飞溅颗粒的动态研究，证明了同步辐射光源在高速动态现象研究中的潜在应用价值。因此，研究人员认为未来LPBF中飞溅研究的发展方向应侧重于利用同步辐射光源对不同合金（例如在增材制造应用广泛的不锈钢、钛合金、镍合金、铝合金等）在LPBF打印过程中产生的飞溅进行定量分析，最终实现LPBF金属3D打印飞溅最小化以及表面质量最优化。

作 者
郭耷、Rubén Lambert-Garcia、Samy Hocine、范贤强、Henry Greenhalg、Ravi Shahani, Marta Majkut, Alexander Rack、Peter D. Lee、 Chu Lun Alex Leung

机 构
伦敦大学学院（UCL）
哈韦尔研究中心（Research Complex at Harwell）
英国国家科研与创新中心 （UK Research and Innovation）
欧洲同步辐射光源实验室（ESRF）
HiETA 科技公司
Constellium 科技公司

Citation
Guo D et al. 2024. Correlative spatter and vapour depression dynamics during laser powder bed fusion of an AlFe-Zr alloy. Int. J. Extrem. Manuf. 2024, 6, 055601.

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