由于高價值零件的高混合低批量生產、集成復雜零件幾何結構和簡化的制造工作流程的巨大需求，航空航天是增材制造制造（AM）發(fā)展的關鍵市場驅動力。航空發(fā)動機材料的激光增材制造（LAM）取得了快速而顯著的進展，包括先進的高強度鋼、鎳基高溫合金和鈦基合金。盡管研究界對這三類材料進行了廣泛的調查，但對高強度鋼的LAM缺乏全面的審查，在已發(fā)表的關于鈦基合金和鎳基高溫合金的審查中也存在差距。

此外，盡管新興材料（如高/中熵合金和異質結構材料）具有良好的機械性能，但在實際應用于發(fā)動機零件之前，仍然需要嚴格的表征、測試、鑒定和認證。因此，深入了解這些廣泛使用的航空發(fā)動機材料的工藝參數-微觀結構-機械性能之間的關系，對于推動優(yōu)質高價值合金的發(fā)展仍然十分重要。

本綜述旨在對上述航空發(fā)動機材料的激光粉末床聚變（LPBF）和激光定向能量沉積（LDED）技術進行關鍵和深入的評估。該綜述將總結這些航空發(fā)動機材料的材料特性、性能范圍，并概述這些材料的研究差距。此外，還強調了對航空發(fā)動機材料的研究機會、材料開發(fā)和LAM新研發(fā)方法的展望。

圖形摘要，從工藝窗口、微觀結構特征、機械性能及其相互關系（內圈）等方面全面回顧了激光增材制造（LAM）工藝和關鍵航空發(fā)動機材料的最新發(fā)展狀況。在此基礎上，還強調了航空航天部件的研究機會、材料開發(fā)和新研發(fā)方法的前景（外圈）。

1. 介紹

1．1. 增材制造市場趨勢

作為高價值產品行業(yè)，航空航天行業(yè)一直是先進制造技術發(fā)展和采用的強大推動力。隨著航空工業(yè)對節(jié)能減排、輕量化、可靠性和舒適性的要求越來越高，飛機制造需要越來越多的高性能材料和新設計。傳統(tǒng)的制造工藝已經達到了滿足要求的極限。因為AM具有獨特的優(yōu)勢和可行性，可以克服制造幾何形狀、材料、性能和功能等復雜部件所帶來的挑戰(zhàn)。因此增材制造(AM)的快速發(fā)展為滿足這些行業(yè)需求提供了可能性。

它為高精度制造復雜、復合和混合結構提供了前所未有的設計自由，這是傳統(tǒng)制造路線無法實現(xiàn)的。AM的上述優(yōu)勢在航空航天、汽車、電子、醫(yī)療、軍事、建筑等行業(yè)的廣泛工業(yè)應用中得到了充分發(fā)揮和應用。全球AM市場規(guī)模從2013年的約30億美元迅速增長到2019年的118.67億美元，如圖1所示，近年來年增長率均超過20%。隨著AM行業(yè)市場規(guī)模的擴大，航空航天行業(yè)在2019年將迅速接近20億美元。

圖1 Wohlers報告了2014 - 2020報告總結了2013-2019年各行業(yè)增材制造的市場規(guī)模

在過去的30年里，AM在越來越多的應用領域得到了應用。《state of the industry》是一份領先的年度“行業(yè)狀況”報告，它每年進行一次調查，以找出AM的用途。2011年 Wohlers報告給出了如下關于AM使用區(qū)域的數據。

增材制造目前應用的領域，摘自T.Wohlers全球年度進展報告，2011，ISBN 0 975 44 29 - 6-1

１．２． 增材制造對航空航天工業(yè)的好處

AM在航空航天行業(yè)的應用占據了整個AM市場的很大一部分，這是由于以下優(yōu)勢對該行業(yè)的適用性。

(1）幾何設計和優(yōu)化的自由度。AM使增材制造原料轉換成自由形式的3D組件，如復雜的外部形狀和建筑幾何結構。AM還允許拓撲優(yōu)化，以制造輕量級組件，通常使用晶格結構，同時提供同等甚至更高的機械性能。

（2）功能集成和部件整合。AM能夠生產具有定制材料結構的集成多功能部件，如功能梯度材料（FGM）。圖2a提供了AM為增強功能而生產的功能性多材料燃燒室的示例，其中Inconel沉積在銅合金表面上。此外，還可以通過使用AM實現(xiàn)零件整合，從而實現(xiàn)特征集成，并提高可靠性和性能。

圖2 (a) Inconel-copper多材料燃燒室，以及(b)用于LauncherEngine-2的LAM大型單部分燃燒室，燃燒室高86厘米，出口噴嘴直徑41厘米(來自Launcher aerospace);(c)伯明翰大學AMP實驗室LAMed發(fā)動機;(d) GE增材制造的噴嘴和(e)燃燒室(來自GE AM);(f)由LAM生產的Inconel718噴嘴環(huán)(來自SIMTech)。

傳統(tǒng)上，復雜的航空航天組件由多個簡單零件組裝而成，與激光增材制造（LAM）整合組件相比，這可能會降低可靠性和幾何精度，同時增加持續(xù)性維護成本。如圖2b所示，世界上最大的單部件燃燒室由Launcher aerospace使用LAM制造，用于Launcher Engine-2，為小型衛(wèi)星發(fā)射器提供了最低的推進劑消耗和每磅推力成本。將多個零件整合成一個整體可以降低成本，實現(xiàn)高性能再生冷卻設計。此外，伯明翰大學的AMP實驗室也強調了使用LAM方法將數千個發(fā)動機部件合并成多個部件的可行性，如圖2C所示。

在使用氣體輔助注射成型技術開發(fā)程序時，經常忽略的一個因素是所涉及的額外成本。除了許可費用和專利使用費，設備成本加上過程中使用的氮氣也必須考慮在內。此外，模具的成本可能會高于標準注射成型，因為除了通過噴嘴技術，氣體噴射噴嘴必須集成到模具中。

這些增加的成本必須收回?？赡苡兄谑栈爻杀镜囊恍┮蛩厥?

零件合并導致更少的模具，更少的機器利用率和減少或消除組裝

使用低噸位機器

質量改進的部分

減少周期時間

更少的廢品

更輕的重量(更輕，更少的材料)

（3）材料和能源效率。就材料使用而言，LPBF的材料損耗約為5%，遠低于傳統(tǒng)的減法制造，減法制造可產生高達95%的材料損耗。通用電氣（GE）使用LAM設計和加工燃料噴嘴（見圖2d），以減輕重量（25%）并降低燃料消耗，從而將成本效率提高30%。圖2e和圖f所示的片狀燃燒室和噴嘴環(huán)是典型的材料節(jié)約案例，具有近凈形狀形成，與傳統(tǒng)的鍛造鑄錠加工相反，后者將浪費大部分材料。

圖2

此外，通過使用LAM實現(xiàn)飛機部件的重量減輕是降低燃油消耗的非常有效的措施。據報道，商用飛機每減輕一公斤重量，每年可節(jié)省約3000美元的燃油，并大幅減少碳排放。

實驗燃燒器的原理圖如圖所示。它的特點是一個空氣輔助燃料噴嘴，名義上額定每小時0.5加侖。在本研究中，煤油作為燃料，空氣作為霧化氣體。

實驗用雙同心噴霧燃燒器。尺寸單位為mm

工業(yè)GTs的燃燒室部件，如燃燒器或內襯，是大型、厚壁元件，由鑄造或焊接的鎳基或鈷基合金(圖9.9)。這些部件的側壁與燃燒氣體直接接觸，燃燒溫度為1400-1700°C。15另一方面，墻體通過壓縮空氣冷卻，將材料的溫度限制在900°C左右的可接受水平，以滿足機械和環(huán)境負荷的要求。

HGP中的涂層部件:帶有內襯段的燃燒室、帶有涂層葉片和葉片的燃燒器和渦輪。

(4)定制和小批量生產。與傳統(tǒng)制造工藝相比，大批量生產的LAM往往更昂貴。然而，考慮到模具制造、加工工具和庫存的高投資成本，LAM對于航空航天行業(yè)常見的小批量定制零件更具成本效益。

傳統(tǒng)的制造工藝路線嚴重限制了經濟地制造復雜形狀零件的自由度，尤其是當需要小批量時。生物醫(yī)學行業(yè)是受傳統(tǒng)制造限制的應用的一個明顯例子，因為它需要為每個患者定制非常復雜的形狀。替代方法包括逆向工程和快速原型制造，已經得到了廣泛的關注，分層加工方法的發(fā)展逐漸演變?yōu)楦郊又圃臁?/p>

3D打印技術在任何形式的材料結構（如長絲、粉末或樹脂）中的成功在很大程度上取決于加工技術。因此，通過工藝參數選擇合適的材料形式對實現(xiàn)目標性能起著至關重要的作用。對于復合材料而言，確定基體和鋼筋之間的界面至關重要，因為當界面足夠堅固以避免脫粘和纖維拉拔時，復合材料的強度會提高。其他需要考慮的參數包括形狀、尺寸、方向和基體鋼筋的分布。材料的微觀結構分析是執(zhí)行的合適方法。

PMMA粉末的掃描電子圖像

例如，上圖顯示了用于評估選擇性激光燒結（SLS）工藝的顆粒尺寸和均勻性的PMMA粉末顆粒測量。選擇性激光燒結工藝的推薦粒度為50–70μm。然而，微觀結構性能與混合規(guī)律成間接比例，復合材料的體積分數在決定三維結構性能方面具有重要作用。在某些情況下，復合材料需要均勻分布鋼筋，盡管這很難實現(xiàn)。除了物理性能外，化學性能也是3D打印中考慮的關鍵因素。例如，熱塑性塑料適用于SLS和熔融沉積建模（FDM）。另一方面，熱固性塑料適用于材料噴射和立體光刻（SLA）。金屬采用選擇性激光熔化和粘合劑噴射工藝印刷。砂和粘土等陶瓷可以使用粘結劑噴射工藝進行處理。

(5)縮短了制造生命周期。近凈成型LAM組件所需的較低加工時間的好處可以減少產品制造提前期。Rolls-Royce報告稱，使用LAM可節(jié)省30%的生產時間，而波音公司則聲稱，零件數量和安裝時間的減少導致總時間減少了50%。利勃海爾航空用額外制造的零件取代了傳統(tǒng)的主飛行高壓液壓閥塊組件，該零件重量減輕了35%，組件數量減少了10個；因此，將所需的制造時間減少75%以上。

切斷閥的分解圖

在隔斷閥中，多個隔膜閥被機械地集成到一個閥體中，不同的供應商提供不同的配置，并且它們可以由不同的結構材料制成。上圖顯示了一個典型的塊配置。閥塊在流道中的優(yōu)點包括更低的內部體積和顯著減少工藝系統(tǒng)所需的管道。這里討論的閥門部件對于單隔膜閥和隔斷閥是一樣的。單閥和隔斷閥的維修和備件基本相同。

1.3. 動機和范圍

在上述優(yōu)勢的推動下，航空航天行業(yè)一直在探索使用AM生產飛機部件，包括各種鉸鏈、支架、內部部件、輕質機身、機身設計，甚至包括發(fā)動機部件，如帶有內部冷卻通道的渦輪葉片，燃料噴嘴、壓縮機和集成管道系統(tǒng)。值得注意的是，航空發(fā)動機是飛機的心臟，是現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的寶石。航空發(fā)動機最廣泛使用的高價值材料是鋼、鎳基高溫合金和鈦合金，如圖3所示。鋁合金和復合材料不是航空發(fā)動機的主要組成部分；此外，還回顧了鋁合金和顆粒增強金屬基復合材料的LAM的最新進展。因此，本綜述的重點是高強度鋼、鎳基高溫合金和鈦基合金。

圖3 波音787飛機通用CF6渦輪發(fā)動機的材料分布適應與許可

盡管AM研究團體對這三種材料家族進行了廣泛的調查，但沒有對AM高強度鋼進行全面的審查，也沒有對鈦合金和鎳基高溫合金進行最新進展審查。例如，最近對鎳基高溫合金的審查僅集中在Inconel 718上，為進一步涵蓋新開發(fā)的鎳基高溫合金（例如WSU 150和單晶高溫合金）提供了機會。盡管對Ti-6Al-4V的AM進行了大量報告審查，但對于Ti-6Al-4V以及TiAl合金等其他Ti合金的典型微觀結構、竣工靜態(tài)機械性能和片狀Ti合金的疲勞性能，仍然缺乏更廣泛和全面的總結。

12Cr-l的顯微結構。5Mo-lW鋼(熱處理6455)，在不同溫度下時效1000小時，在50%的HNO3中電解腐蝕，極性相反。

在不同溫度下時效的冷軋12Cr-1.5Mo-lW鋼的微觀結構如圖所示。當時效溫度升高至700℃（1290℉）時，顯微結構穩(wěn)定。在700℃時，觀察到一些晶內析出物的溶解和晶界析出物的粗化，但在此溫度之前，未發(fā)生明顯的微觀結構變化。通過x射線衍射確定沉淀主要為M23C6。在725C（1340F）下，觀察到再結晶和析出物粗化，這兩種效應都隨著溫度的升高而加速。

此外，層狀鈦合金中一些最關鍵的問題，例如，如何在其建成狀態(tài)下誘導高延展性以及等軸β和α結構的形成機制通常未被考慮。LAM工藝過程中復雜的激光-材料相互作用使得很難概括不同航空發(fā)動機材料的工藝參數-微觀結構-力學性能之間的關系。深入了解不同航空發(fā)動機材料之間的這種關系，可以推動優(yōu)質高價值航空發(fā)動機材料和先進尖端LAM設備的發(fā)展。然而，現(xiàn)有的綜述傾向于關注這三種廣泛使用的航空發(fā)動機材料中的一小部分。

這項工作的動機是對這些特定高性能合金的LAM進行嚴格和專門的審查，以總結其進展，并確定研究機會和差距。因此，本文對LAM處理的航空發(fā)動機材料進行了深入的綜述，包括先進的高強度鋼、鎳基高溫合金、鈦合金和鈦鋁化物。

本文綜述和闡述了LAM工藝特點、微觀結構和織構演變、相形成和轉變、力學性能以及研究趨勢和前景。還將根據文獻報告繪制這三類航空發(fā)動機材料在加工窗口、強度-延性組合、疲勞性能、室溫/高溫性能等方面的材料特性屬性圖。本評論旨在為研究人員提供關鍵航空發(fā)動機材料激光增材制造的完整最新信息，并鼓勵在新型先進航空發(fā)動機材料的激光增材制造方面進行更具啟發(fā)性的科學研究，以促進該技術在航空發(fā)動機行業(yè)的應用。

2.激光增材制造工藝

LAM技術利用激光束作為能源。綜述了兩種LAM工藝，特別是將粉末分散在襯底上的激光粉末床聚變技術和以粉末為原料的定向能沉積工藝。根據ASTM標準F2792-12a的分類和定義，兩種LAM工藝被稱為激光粉末床熔合（LPBF）和激光定向沉積工藝（LDED）。

缺乏支撐結構也意味著零件可以自由堆放在粉末床中，增加了每次生產中可生產的零件數量，從而提高了生產率（如下圖）。然而，在從截留體積（如封閉孔隙）和細通道中去除未熔合粉末方面存在一些設計限制。PBF技術的另一個優(yōu)點是可以加工的材料范圍廣泛：理論上，任何可以熔化和再溶解的材料都可以與PBF技術一起使用。但實際上，目前情況并非如此；本章將討論產生這種情況的原因。

由多個單獨部件組成的典型激光燒結成型裝置。因為不需要支撐結構，零件可以自由放置在整個構建卷中，而無需連接到下面的零件。

PBF包括以下過程：直接金屬激光燒結（DMLS）、電子束熔煉（EBM）、選擇性激光熔煉（SLM）和選擇性激光燒結（SLS）。PBF使用激光源（SLS、SLM、DMLS）或電子束（EBM）直接和選擇性地熔化或燒結材料層，以形成固體零件，而不是在粘合劑噴射過程中使用粘合劑。如果采用激光源，則沉積過程在惰性氣氛（如氬氣或氦氣室）中進行，以防止材料在高溫下氧化。使用電子束需要一個真空室。

下圖顯示了SLM過程的原理。首先，將金屬顆粒噴涂在基板（基板）頂部。這些粉末隨后被激光熔化，然后凝固形成橫截面。之后，基板向下移動一層厚度，并通過粉末重涂機構將另一層粉末噴涂在印刷部件的頂部。材料再次選擇性地熔化和固化以形成橫截面。多層粉末的連續(xù)熔化和固化導致最終零件的制造。PBF可用于加工多種粉末材料，但常用的材料是金屬和聚合物。粉末通常為球形，SLM的粒徑通常在15-40μm之間，SLS的粒徑通常在20-80μm之間，EBM的粒徑通常在40-100μm之間。

選擇性激光熔化過程的說明。e.louvis, P. Fox, C.J. Sutcliffe, Selective laser melting of aluminum components, J. Mater

2.1. 激光粉末床聚變

為了制造結構極其復雜的高性能金屬零件，Fraunhofer激光技術研究所的Meiners等人和大阪大學的Abe等人于1996年首次提出了LPBF技術的概念。然而，在LPBF技術的早期發(fā)展階段，由于粉末未熔合且熔化后易發(fā)生粉末球化，制造零件的密度和強度不足以應用。隨著高性能光纖激光器的集成和LPBF工藝的優(yōu)化，LBPF制造的鈦合金、高溫合金、鋼和鋁合金的成形精度、密度和機械性能得到了顯著提高。此后，LPBF技術逐漸成為醫(yī)療、汽車、航空航天等領域的主流商業(yè)化AM技術之一。

LPBF技術工作流程如圖4所示。首先，重水器刀片在基板或先前形成的層上鋪展一層金屬粉末。然后根據零件的二維截面形狀，利用激光束以一定的速率進行選擇性逐點輻照掃描，從而使輻照后的金屬粉末熔化。當激光束離開時，這些熔化的金屬粉末迅速凝固。隨后，建造平臺將降低一個與層厚度相對應的指定高度。重復上述過程，直到整個零件制造完成。需要注意的是，工藝參數，如激光功率、掃描速度等，需要與粉末材料和粉末層厚度相匹配，以獲得致密且無缺陷的零件。

圖4 激光粉末床聚變技術示意圖

整個LPBF工藝通常在惰性封閉環(huán)境中進行，以避免高溫氧化，平均粒徑約為30μm。LPBF制造部件通常具有以下特點：1）可實現(xiàn)的相對密度通常高于95%，甚至99.9%。2）較小的激光束尺寸使制造的零件具有較高的尺寸精度（可達到的最高精度為±0.05 mm）和優(yōu)異的表面質量（Ra≤10μm）。3）快速冷卻和凝固速度產生了極其精細的微觀結構（一次枝晶臂間距通常為幾百納米），這使得鑄造和鍛造零件的機械強度優(yōu)于或相當。

然而，LPBF技術仍有以下局限性：1）LPBF技術通常用于制造相對較小和精確的零件，因為其制造效率低，尺寸精度高。2） LPBF過程中的粉末球化也很難消除，導致小孔的形成和機械性能的惡化。3）由快速加熱和冷卻速率（高達106–108 K/s）引起的不均勻溫度分布會導致較大的殘余應力，從而導致變形甚至裂紋形成。

2.2. 激光定向能量沉積

激光定向能量沉積（LDED）技術是20世紀90年代初由世界各地的許多研究機構獨立開發(fā)的。因此，它有許多不同的術語，如激光固體成形、激光金屬沉積、激光工程凈成形等，盡管技術原理基本相似。在本文中，術語LDED的使用符合ASTM F2792-12a。粉末基LDED的技術機理如圖5所示。LDED將三維（3D）模型離散為二維（2D）層與LPBF類似，但LDED可以使用金屬絲或粉末（或兩者）作為原料。添加劑材料被輸送到熔池中，而不是擴散到粉末床上。

圖5 激光定向能量沉積工藝示意圖

與LPBF技術相比，LDED技術利用更高的激光功率和更大的激光束尺寸來實現(xiàn)更高的構建效率。此外，LDED非常適合使用多材料同步進給的梯度結構制造，以及高性能和高價值部件的維修。然而，利用LDED技術制造幾何結構極其復雜的零件存在一定的困難，這在一定程度上限制了LDED技術的應用。

激光工程凈成形（透鏡）技術由桑迪亞國家實驗室和普惠公司聯(lián)合提出概念，并于1997年獲得Optomec Inc.的許可（美國專利60464262000）。該過程的示意圖如下圖所示。與具有粉末床的SLM不同，該組件使用透鏡技術制造，通過噴嘴噴射提供粉末，并照射具有高能量密度的激光束，以逐層方式熔化并沉積在構建基板上。每層沉積后，構建平臺以受控方式向下移動。此過程重復進行，直到實現(xiàn)預期的組件。雖然透鏡技術基本上是為了生產復雜的幾何部件而發(fā)展起來的，但它也非常適合修復和翻新?lián)p壞的部件和結構。應注意的是，透鏡幾乎不需要考慮后處理、部件表面光潔度差以及由于殘余應力導致的部件變形等問題。

激光工程網成形工藝示意圖

激光工程凈成形（LENS）使用計算機控制的激光器，在數小時內將金屬粉末的氣流焊接到定制零件和制造模具中。這項技術生產的形狀足夠接近最終產品，從而消除了粗加工的需要。透鏡的用途之一是制造小批量的高密度零件或模具。

每個噴嘴將金屬粉末流導向其下方的中心點。同時，該點由高功率激光束加熱。當移動模型及其基板以提供新的目標，在其上連續(xù)沉積金屬時，激光和射流保持靜止，如下圖所示。首先，在基板上進行，然后在構建層上進行，直到通過3D金屬產品的生產完成所需的橫截面幾何形狀。這是一個復雜的操作，因為高溫使熔融金屬難以形成精確、光滑的物體。該技術可用于多種金屬，包括鈦、鋼、銅和鋁。

透鏡技術：（a）激光工程凈成形圖（b）透鏡制造的詳細觀察，（c）Optomec透鏡850系。

來源：Progress and perspectives in laseradditive manufacturing of key aeroengine materials，International Journal of Machine Tools and Manufacture ，

參考文獻：M.S. Pham, C. Liu, I. Todd, J. Lertthanasarn，Damage-tolerant architected materials inspired by crystal microstructure， Nature, 565 (2019), pp. 305-311，C. Tan, Y. Chew, R. Duan, F. Weng, S. Sui, F.L. Ng, Z. Du, G. Bi，Additive manufacturing of multi-scale heterostructured high-strengthsteels，Mater. Res. Lett., 9 (2021),pp. 291-299