第一作者：李能

通訊作者：熊華平

通訊單位：中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院

DOI：10.1016/j.jmst.2018.09.002

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本文綜述了應(yīng)用增材制造技術(shù)制備不同類(lèi)型新材料的研究進(jìn)展；特別關(guān)注了材料設(shè)計(jì)、增材制造原料選擇、增材制造過(guò)程中的冶金行為和合成機(jī)理，獲得的微觀組織和性能，以及這些因素之間的關(guān)系；展望了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，提出了應(yīng)用增材制造技術(shù)“開(kāi)發(fā)新材料”或“創(chuàng)造新材料”的觀點(diǎn)。

綜述全文共計(jì)21000余字，分為12部分進(jìn)行材料增材制造研究進(jìn)展的評(píng)述，共用41個(gè)重要圖片和2張重要表格，引用了249篇參考文獻(xiàn)。

背景介紹

材料是增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)，新材料的創(chuàng)造有望為增材制造技術(shù)增添新的內(nèi)涵，并擴(kuò)展這一先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，從而為增材制造技術(shù)的未來(lái)發(fā)展提供新的機(jī)遇。應(yīng)用增材制造技術(shù)“創(chuàng)造材料”的概念是基于從“使用材料”到“開(kāi)發(fā)材料”逐步進(jìn)化的科學(xué)過(guò)程。有研究表明，增材制造技術(shù)可以從根本上改變或擴(kuò)展與結(jié)構(gòu)-屬性-工藝合成-性能相關(guān)的傳統(tǒng)材料科學(xué)研究和工程應(yīng)用，多種材料和多尺度結(jié)構(gòu)為優(yōu)化零件的整體性能提供了可能的途徑。

結(jié)合材料設(shè)計(jì)，增材制造技術(shù)在新材料研究方面將有非常廣泛的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。本文較全面地呈現(xiàn)增材制造技術(shù)在新材料研究方面的最新研究進(jìn)展。重點(diǎn)評(píng)述了增材制造的材料設(shè)計(jì)，原料的選擇，制造過(guò)程中的冶金行為和合成原理，以及由此產(chǎn)生的微觀組織和性能，以及這些因素之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出今后研究的重要研究方向或思路。

本文亮點(diǎn)

（1） 綜述了近年來(lái)增材制造技術(shù)在制備新材料方面的研究進(jìn)展；

（2） 從材料冶金、界面反應(yīng)等角度評(píng)述了一些令人鼓舞的結(jié)果；

（3） 強(qiáng)調(diào)運(yùn)用增材制造技術(shù)“開(kāi)發(fā)新材料”或“創(chuàng)造新材料”的理念；

（4） 提出目前在增材制造領(lǐng)域仍存在一系列有待解決的科學(xué)、技術(shù)和工程問(wèn)題。

總結(jié)與展望

（1）粉末粒度和粒度分布的影響——粉末顆粒的形狀和尺寸是影響增材制造工藝和增材制造部件性能的關(guān)鍵因素。

（2）制備精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)的方法——激光增材制造過(guò)程中的原位反應(yīng)，在原材料中添加難熔顆粒和添加稀土元素是有利于在增材制造構(gòu)件中形成更精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)的三個(gè)重要方法。另一方面，將磁場(chǎng)、振動(dòng)或其他輔助措施結(jié)合到激光增材制造過(guò)程中，對(duì)改善激光增材制造構(gòu)件的微觀結(jié)構(gòu)和性能具有很大的潛力。綜合應(yīng)用以上這些手段，將研究開(kāi)發(fā)出一系列性能優(yōu)異的新材料，因此這個(gè)領(lǐng)域充滿了創(chuàng)新機(jī)遇。

（3）通過(guò)增材制造工藝創(chuàng)造新材料的前景——功能梯度材料、陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、高熵合金等新材料都是增材制造工藝創(chuàng)造新材料的研究對(duì)象。增材制造為設(shè)計(jì)具有新特性的新型材料提供了全新的可能性，而傳統(tǒng)工藝很難實(shí)現(xiàn)這種可能性。

（4）廣泛應(yīng)用于受損部件的修復(fù)——增材制造技術(shù)還可以用于多種材料失效或損傷部件的修復(fù)，而且面臨巨大的市場(chǎng)，包括航空、航天、船舶、石油和天然氣工業(yè)中的設(shè)備部件，甚至醫(yī)療保健行業(yè)制品。

（5）深刻理解和應(yīng)用增材制造新材料的挑戰(zhàn)——未來(lái)新材料增材制造面臨的主要挑戰(zhàn)包括：為獲得所需的增材制造部件性能而設(shè)計(jì)的原材料；控制成形過(guò)程中的應(yīng)力和變形、對(duì)成形工藝和合成原理的深入理解；微觀組織和性能的穩(wěn)定性和可重復(fù)性；計(jì)算機(jī)模擬和精確預(yù)測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物的粒徑和詳細(xì)的相組成，將有助于進(jìn)一步提高增材制造新材料的性能；隨著增材制造新材料的研究和應(yīng)用的不斷發(fā)展，應(yīng)建立增材制造新材料的綜合力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫(kù)；最后，對(duì)增材制造部件的失效分析和壽命預(yù)測(cè)將變得極其重要。

致謝：該成果受到國(guó)家自然科學(xué)基金（51775525、51605456和51701198）的資助。

課題組介紹

中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院3D打印工程技術(shù)研究中心，設(shè)有航空航天新材料（金屬材料、金屬基復(fù)合材料、鈮硅基難熔合金、陶瓷基復(fù)合材料、梯度功能材料、滿足特殊性能要求的高熵合金材料等）增材制造、復(fù)雜結(jié)構(gòu)增材制造、增材制造用合金粉末和絲材制備、增材制造材料與構(gòu)件的性能表征、增材制造構(gòu)件缺陷檢測(cè)、失效損傷部件的增材制造修復(fù)與評(píng)價(jià)、增材制造標(biāo)準(zhǔn)編制等多個(gè)研究方向。3D打印中心除了北京航空材料研究院本部外，近年來(lái)還開(kāi)拓建設(shè)了鎮(zhèn)江基地，總共承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、預(yù)研、關(guān)鍵材料一條龍、航發(fā)創(chuàng)新基金、各個(gè)型號(hào)攻關(guān)、北京市科委科技創(chuàng)新、國(guó)際合作等多項(xiàng)研究課題，在增材制造應(yīng)用基礎(chǔ)研究及工程化應(yīng)用方面不斷取得創(chuàng)新性成果。