航空典型金屬材料增材制造組織、缺陷、表面、構型研究進展

張學軍,陳冰清

（1.中國航發增材制造技術創新中心，北京 100095；2.中國航發北京航空材料研究院 3D 打印研究與工程技術中心，北京 100095）

金屬增材制造也被稱為3D 打印，是繼鑄造、鍛造之后發展起來的又一種先進的成形方法。金屬增材制造是基于離散-堆積原理，通過材料逐層堆積來實現零件制造。它是利用切片軟件將成形零件3D 數模沿橫向切成一系列“薄片”，打印設備按照規劃路徑打印出每一層“薄片”，層層“薄片”自下而上疊加形成三維實體零件[1-3]。

金屬增材制造可根據送進材料方式不同，分為直接能量沉積（directed energy deposition，DED）、粉末床熔融（powder bed fusion，PBF）兩類。根據熱源和打印材料形態不同，又細分為激光選區熔化（selective laser melting，SLM）、電子束選區熔化（electron beam selective melting，EBSM）、激光直接熔化成形（laser direct melting deposition，LDMD）、電子束熔絲沉積成形（electron beam freeform fabrication，EBF）、電弧熔絲成形（wire and arc additive manufacturing，WAAM）等[4-6]。

與傳統鑄造、鍛造方法相比，金屬增材制造技術的主要優勢是：不需要模具、型殼、型芯等輔助制品，制造初始投入少，制造流程短、周期短；研制過程中可隨時修改零件3D 數模，能夠實現快速迭代[7-8]。此外，增材制造還有其他優勢，例如材料利用率高、生產成本低、可用于復雜結構成形，可實現結構輕量化、一體化設計和制造等[9-10]；但不是所有增材制造零件都具有這些優勢，這與零件構型、功能、生產批量密切相關。

增材制造技術開始于20 世紀80 年代，從2012年開始被廣泛關注，被認為是未來“顛覆性技術”之一，吸引了全球多個大學、研究機構、企業、政府機構的廣泛參與。到目前為止，增材制造技術研究、領域應用、產業發展，都取得了顯著進展[11-18]。

在航空領域，金屬增材制造零件應用發展很快。國外，GE、羅羅、普惠、賽峰、波音、空客等開展了大量研制工作，其中燃油噴嘴、傳感器外殼、熱交換器、粒子分離器、燃燒室混合器、鈦鋁葉片、整體葉輪、輕質接頭、擾流板等實現了應用[19-21]。國內，中國航發、中國航空工業、中國商飛等單位也投入了大量人力物力，研制了噴嘴/噴桿類、管路/殼體類、支板/支架/拉桿類、機匣/環形件類、盤/片類、短梁/框梁類、點陣/格柵類等結構和零件，部分零件實現了應用。

在航空領域，金屬增材制造技術研究不斷深入。國內外在基于增材制造的新材料設計和制備、材料和零件打印工藝開發、材料熱處理和零件表面處理、微缺陷和復雜結構檢測評價、模擬仿真和新設備開發等方面開展了大量的全流程研究工作[22-30]，關鍵共性技術被不斷突破，正是這些技術的研究和突破，推動了上述零件在航空領域的應用。

金屬增材制造零件是由成千上萬條焊道沿著不同方向堆疊而成，其本質是焊接，其內在機制遵循焊接原理和規律。所以，不管哪個環節的技術研究，都要面對打印材料和零件的氣孔、裂紋、夾雜、未熔合、變形、性能等問題，對于航空關鍵結構，可歸納為兩方面：一是組織、缺陷特征及對壽命、可靠性的影響規律；二是影響結構服役性能的要素和控制方法。

針對上述問題，中國航發增材制造技術創新中心開展了大量的應用基礎研究工作，本文分析中心近些年獲得的研究數據和研究中發現的一些現象，總結一些共性規律，期望能為結構設計和應用評價提供參考。

1 金屬增材制造組織

1.1 組織接續生長特征

金屬增材制造是熱源快速熔化金屬形成熔池，熔池連續快速凝固形成焊道，多條焊道搭接鋪展形成焊層，層層疊加形成結構的過程，激光選區熔化堆疊過程見圖1。熱源快速掃描時，形成的熔池很小，金屬熔化和凝固速度很快，后一層對前一層局部重熔，分層掃描凝固過程不連續，這個過程決定了增材制造組織呈接續生長特征。

圖1 激光選區熔化堆疊示意圖Fig.1 Diagram of selective laser melting（SLM) stack

根據凝固理論，外延生長和擇優生長是熔池凝固的典型特征。液態金屬的結晶過程起始于固液界面處的基體晶粒表面。新晶粒形核后，以與基體晶粒相同的晶體學取向向熔池中心生長，即外延生長。晶粒長大過程中，沿擇優生長方向的長大速度最快；同時，垂直于熔池固液界面方向的溫度梯度最大、散熱速度最快，更有利于晶粒生長。因此，當晶粒的擇優生長方向與最大溫度梯度方向一致時，晶粒生長速度最快，并阻礙處于不利位向的晶粒生長，從而形成具有一定取向的柱狀晶組織，即擇優生長（圖2）[31]。增材制造的層層堆疊過程，就是外延生長和擇優生長不斷重復的過程，最終在縱向形成跨越多層沉積層的柱狀晶（圖3）。

圖2 外延生長與擇優生長示意圖[31]Fig.2 Schematic diagram of epitaxial crystallization and orientation growth[31]

圖3 TB6 鈦合金激光直接熔化成形組織接續生長形貌（1 號晶粒穿越9 層，2 號晶粒穿越11 層）Fig.3 Continuous growing microstructure morphology of TB6 titanium alloy formed by laser direct melting deposition(LDMD)（Grain 1 through 9 layers，Grain 2 through 11 layers）

1.2 組織接續生長影響因素

（1）合金影響

鎳、鈷、鈦及其合金都有較強的組織接續生長能力，激光選區熔化柱狀晶一般可以穿越2～5 個焊層，呈相互交叉、嚙合、嵌套狀態（圖4（a）～（c））。增材制造熔池結晶遵循金屬凝固理論，取決于凝固前沿溫度梯度G和凝固速度R。與鑄造相比，增材制造熔池尺寸很小，熔池與固態金屬界面曲率極大，固液界面法線方向連續變化，當最大溫度梯度與界面晶粒易結晶取向一致時，晶粒就接續生長，不一致時生長被抑制，從而形成了相互交叉、嚙合形貌的柱狀晶。另外，激光選區熔化相鄰兩層焊道存在67°交角，熔池最大溫度梯度方向周期性變化，原有的生長方向不再是最優的結晶方向，晶粒停止生長。由于這種周期性變化，促進了縱向柱狀晶組織呈交叉、嚙合、嵌套式生長。鋁合金組織接續生長趨勢一般較弱，只有少數柱狀晶接續生長穿越到下一層（圖4（d））。

圖4 不同合金激光選區熔化組織接續生長特征（a）GH4169，Z 向；（b）TB6，Z 向；（c）GH5188，Z 向；（d）AlMgSc，Z 向Fig.4 Continuous growing microstructure characteristics of different SLM alloys（a）GH4169，Z-direction；（b）TB6，Z-direction；（c）GH5188，Z-direction；（d）AlMgSc，Z-direction

（2）工藝方法和參數影響

不同成形方法熱源斑點直徑、掃描速度、線能量密度不同，形成的熔池尺度、形狀和凝固速度不同。激光選區熔化熔池寬度約0.1～0.2 mm，電子束選區熔化熔池寬度約0.5～2.0 mm，掃描速度快，熔池凝固時間極短，熔池不穩定。激光直接熔化、電子束熔絲、電弧熔絲熔池寬度可達10 mm 以上，掃描速度慢，熔池凝固時間較長，掃描方向變化簡單，熔池相對穩定。因此，直接能量沉積（DED）相比于粉末床熔融（PBF），更容易建立接續生長的條件，一般更容易形成大尺度的柱狀晶。電子束選區熔化由于有1000～1150 ℃的預熱，有利于建立穩定的結晶環境，特別容易形成柱狀晶，單個柱狀晶可長至幾到幾十毫米，甚至可長成單晶組織（圖5）[32]。

圖5 激光直接熔化和電子束選區熔化組織接續生長特征（a）TB6，激光直接熔化Z 向；（b）GH4169，電子束選區熔化Z 向；（c）鎳基單晶高溫合金，電子束選區熔化Z 向[32]Fig.5 Continuous growing microstructure characteristics of alloys formed by LDMD and electron beam selective melting(EBSM)（a）LDMD TB6，Z direction；（b）EBSM GH4169，Z direction；（c）EBSM Ni-base single crystal superalloy，Z direction[32]

1.3 組織對力學性能的影響

增材制造組織沿著縱向接續生長形成不同尺度的柱狀晶，其尺寸、形貌影響材料的力學性能。通常，沿著柱狀晶方向的定向凝固合金，強度較高，垂直柱狀晶方向，強度較低[33]；但增材制造形成的柱狀晶不完整，呈交叉、嚙合、嵌套狀態，即“斷頭晶”，這樣的柱狀晶往往降低了強度，表現為橫向強度高、縱向強度低，且柱狀晶長寬比越大、越平直，材料橫縱強度差越大。圖6 是GH3625、TA15、TC18、TC4 合金激光直接熔化成形材料在標準熱處理制度下的橫向和縱向抗拉強度，橫向強度均比縱向高。這是由于激光直接熔化成形的柱狀晶長寬比大、晶界平直，平直晶界在切向應力下更容易滑移開裂。圖7 是六種合金激光選區熔化成形材料在標準熱處理下的橫向和縱向抗拉強度，GH4169、GH3536、GH5188 合金橫向抗拉強度比縱向高，TC4、TA15 合金橫向偏低或相當，AlSi10Mg 合金橫向、縱向性能相當。這是由于鎳基、鈷基合金激光選區熔化柱狀晶相對發達，鈦合金柱狀晶不發達且呈交叉、嚙合、嵌套狀態，鋁合金以較為細小的等軸晶為主，這種組織形貌差異影響了材料的橫向、縱向性能。

圖6 不同合金激光直接熔化成形橫向和縱向性能Fig.6 Transverse and longitudinal mechanical properties of LDMD different alloys

圖7 激光選區熔化典型合金橫向和縱向性能Fig.7 Mechanical properties of typical SLM alloys in transverse and longitudinal direction

2 金屬增材制造缺陷

2.1 氣孔

氣孔是金屬增材制造最常見缺陷[34-37]，氣孔降低了結構有效工作截面，增加了應力集中，過多的氣孔降低了結構靜強度和疲勞性能。增材制造氣孔可以用致密度、數量、尺寸三個指標描述。

增材制造鈦合金、高溫合金、鋁合金等金屬材料中存在大量氣孔。鎳基高溫合金、鈦合金中，每立方厘米內的氣孔數量約為1000 個，而鋁合金每立方厘米內的氣孔數量可達約3000 個。由于CT 設備檢測精度有限，檢測時只統計了直徑大于10 μm 的氣孔。激光選區熔化氣孔直徑主要分布在10～70 μm 之間，約占總數的99%以上，分布峰值約20～40 μm，直徑超過400 μm 的氣孔極少（圖8）。激光直接熔化、電子束熔絲、電弧熔絲成形金屬中氣孔數量要少得多，但氣孔直徑一般較大，可達1 mm 以上。

圖8 激光選區熔化三類合金氣孔數量和最大直徑（4 批次統計值）（a）TC4；（b）GH4169；（c）AlSi10MgFig.8 Pore number and maximum diameter of three types of SLM alloys（statistical values of 4 batches）（a）TC4；（b）GH4169；（c）AlSi10Mg

表1 是采用微納CT 檢測?5 m 試樣，獲得鈦合金、鎳基高溫合金、鋁合金的致密度、氣孔數量、氣孔直徑的多批次統計值。由表1 可以看出，同種合金不同批次的試樣致密度、氣孔數量、氣孔直徑差異很大，這與粉末、工藝參數、掃描策略有關。

表1 激光選區熔化三類合金致密度、氣孔數量和最大直徑（統計值）Table 1 Density，pore number and maximum diameter of three types of SLM alloys（statistical values）

增材制造氣孔形成有三種途徑：

（1）卷入型氣孔。激光熔化粉末時形成“匙孔效應”，在液態金屬中的激光束末端形成一個運動的不穩定的空腔，激光束快速移動時，不穩定的空腔被凝固在金屬中而形成氣孔[33]。

（2）帶入型氣孔。氣體主要由空心粉末帶入，粉末熔化后空心粉末內的氣體來不及上浮逸出形成氣孔，氣孔的大小和形貌與空心粉中的孔洞相似。

（3）析出型氣孔。氣體主要來源于粉末表面吸附、溶解析出、反應析出等。氣泡在液態金屬中經歷形核、長大、逸出過程，氣泡最終是否形成氣孔，取決于氣泡是否能夠在金屬凝固之前逸出熔池。

激光選區熔化由于熔化和凝固過程極快，粉末吸附和溶解的氣體、空心粉中的氣體來不及長大和逸出，大多形成了幾至幾十微米隨機分布的氣孔（圖9）。因此，受潮粉末、空心粉率高的粉末，成形的材料致密度下降、氣孔數量急劇增加。

圖9 GH4169 合金激光選區熔化過程形成的氣孔Fig.9 Pores formed in GH4169 alloy during SLM process

一定范圍內的小尺寸氣孔對靜力學性能影響不大，99.99%與99.9999%致密度的試樣抗拉強度最大差值為21 MPa（圖10）。圖10 中用致密度反映氣孔的數量，12 根拉伸試樣中有一根試樣存在兩個超過200 μm 的氣孔，最大的為268 μm，其他試樣氣孔均小于200 μm。

圖10 激光選區熔化GH4169 合金致密度與抗拉強度和伸長率的關系（a）抗拉強度；（b）伸長率Fig.10 Relationship between density of SLM GH4169 alloy with tensile strength and elongation（a）tensile strength；（b）elongation

氣孔會導致材料疲勞壽命表現出較大的波動性。同樣是致密度99.99%、氣孔尺寸集中分布于80～130 μm 的3 根TC4 鈦合金試樣，疲勞壽命分 別為5.49×106、1×107及1×107，相差450 萬次以上。

氣孔數量、尺寸、分布影響疲勞壽命，其中氣孔分布影響最大[38-39]。如果氣孔位于表面或近表面，即便尺寸很小，也會成為疲勞裂紋源；如果氣孔位置在材料內部，即使尺寸較大也不易成為裂紋源（圖11）。裂紋萌生階段占整個疲勞壽命的90%以上，表面和近表面存在氣孔，大大縮短了疲勞裂紋萌生時間，因此顯著降低疲勞壽命。所以，對于承受疲勞載荷的零件來說，應特別關注增材制造零件表面和近表面狀態。

圖11 激光選區熔化TC4 鈦合金試樣疲勞裂紋源（a）表面氣孔成為疲勞裂紋源；（b）表面其他缺陷成為疲勞裂紋源Fig.11 Fatigue crack source of SLM TC4 titanium alloy sample（a）surface porosity；（b）other defects on surface

2.2 裂紋

增材制造裂紋分為兩類，一類是熱裂紋，另一類是冷裂紋[40-47]。

（1）熱裂紋

增材制造熱裂紋主要是結晶裂紋，是熔池結晶后期處在固-液狀態時，在枝晶間形成了不連續的液態薄膜，焊縫冷卻收縮時，處于液態薄膜狀態的少量金屬在枝晶間既不能自由流動填充，又不能承受凝固收縮時產生的拉應力，從而開裂形成了結晶裂紋。由于這種固-液狀態下的金屬塑性很低，容易開裂，因此稱為脆性溫度區間[48]。這種裂紋長度多在晶粒尺度范圍內，一般在幾十微米至一百微米之間（圖12）。增材制造鎳基合金、鈷基合金、高強鋁合金、高溫鈦合金等熱裂紋敏感性高的合金時，容易出現結晶裂紋。

圖12 激光選區熔化GH3536、GH5188 合金熱裂紋（a）GH3536；（b）GH5188；（1）結晶裂紋；（2）結晶裂紋表面Fig.12 Hot crack of SLM GH3536 and GH5188 alloys（a）GH3536；（b）GH5188；（1）crystalline crack；（2）surface of crystalline crack

影響結晶裂紋的因素主要有合金成分、工藝參數、成形方法等。合金成分是影響結晶裂紋的最主要因素。合金中溶質元素的種類和質量分數決定著合金的結晶溫度區間，不同元素在合金中影響結晶溫度區間的程度不同，合金結晶溫度區間越大，脆性溫度區間也越大[49]，結晶裂紋傾向也越大。優化打印工藝參數能在一定程度上減少結晶裂紋，但一般無法完全消除。成形方法主要影響柱狀晶尺寸，柱狀晶尺寸越大，越容易形成結晶裂紋。

顯然，增材制造熱裂紋提供了疲勞裂紋源，會顯著降低疲勞壽命，由于熱裂紋尺寸小，常規無損檢測很難發現，往往會漏檢，因此承受疲勞載荷結構存在過早失效隱患；但對靜強度影響有限，特別是塑性好的材料，拉伸過程中裂紋張開距離增大、尖端鈍化，但長度不發生顯著擴展（圖13），靜強度的降低主要來源于熱裂紋減少了材料截面積，因此在短時、大應力、靜載荷環境下，增材制造零件應允許存在一定尺寸和數量范圍內的熱裂紋。

圖13 激光選區熔化GH3536 合金熱裂紋在不同拉應力作用下裂紋張開過程（a）0 MPa；（b）682 MPa；（c）729 MPaFig.13 Hot crack opening process of SLM GH3536 alloy under different tensile stresses（a）0 MPa；（b）682 MPa；（c）729 MPa

（2）冷裂紋

增材制造冷裂紋是由于多道多層成形時金屬反復加熱冷卻，在應力集中區域累積殘余應力產生的應變超過了該區域的塑性而引起的開裂。增材制造冷裂紋在鎳基合金、鈦合金、鋁合金、高強鋼及不銹鋼等結構增材制造過程中都可能會出現，表現為成形材料室溫塑性越低、結構尺寸越大、過渡圓角越小、結構截面積急劇突變，越容易出現冷裂紋。冷裂紋可在成形過程中產生，也可在放置一段時間后或退火過程中產生，一般在零件截面突變、小過渡圓角區域萌生并擴展，最終貫穿局部結構，目視可見。

冷裂紋往往會導致零件報廢，造成很大浪費。根據不同成形方法可以選擇預熱、中間退火、減少熱輸入、優化零件結構等途徑抑制冷裂紋的產生。

2.3 未熔合

增材制造未熔合是指焊道與焊道之間、焊道內部局部區域未完全熔化結合的現象（圖14）。增材制造未熔合同樣減小了結構承載截面積，降低了結構的承載能力，與增材制造氣孔、熱裂紋相比，有時危害更大。未熔合大致有兩種形態，一種是粉末顆粒以獨立個體存在的未熔合（圖14（a）、（b）），另一種是多個粉末顆粒聚集在一起連接成片的未熔合（圖14（c））。前者，粉末顆粒在打印材料中隨機出現，分布沒有規律，這可能與個別粉末顆粒表面氧化有關。后者主要由于是打印工藝參數不當、設備不穩定導致的。上述兩種狀態的未熔合，在激光選區熔化、激光直接熔化成形方法中比較常見。

圖14 增材制造未熔合形態（a）激光選區熔化GH4169 合金獨立粉末顆粒形成未熔合；（b）激光選區熔化AlSi10Mg 合金獨立粉末顆粒形成未熔合；（c）激光直接熔化GH3625 合金形成的片狀未熔合Fig.14 Morphologies of incomplete fusion in additive manufacturing（a）incomplete fusion formed by individual powder particles in SLM GH4169 alloy；（b）incomplete fusion formed by individual powder particles in SLM AlSi10Mg；（c）flake incomplete fusion formed in LDMD GH3625 alloy

產生未熔合的主要原因有：線能量密度偏低，粉末未充分熔化；焊道搭接過少；保護氣氛不佳；預置或送進的粉末不均勻；液態金屬流動性不佳；粉末被污染等。增材制造零件由成千上萬條焊道堆疊而成，零件中出現未熔合的概率很高，特別是增材制造過程中人為干預較多、結構復雜且存在眾多交叉焊道、設備不穩定時，更易出現未熔合缺陷。因此，增材制造工藝驗證和打印過程控制尤為重要。

3 金屬增材制造表面

直接能量沉積成形的零件，表面留有加工余量，需要加工后使用，因此零件最終表面一般為機加工表面。激光選區熔化成形的復雜內流道零件，內表面無法有效加工，除了上述表面和近表面氣孔、熱裂紋，還需關注表面粗糙度問題。

3.1 表面形貌

激光選區熔化成形由于受到傾斜角的影響，同一零件不同區域表面粗糙度不一致。把零件表面切線與水平方向形成的銳角叫傾斜角，銳角側表面叫下表面，對應一側表面為上表面。目前看來，在不加支撐的情況下，45°傾斜角是衡量是否能打印的分界線，傾斜角大于45°時可以打印，小于45°時不易打印。激光選區熔化表面粗糙度隨著傾斜角增大而下降（表2）。零件中的上表面、垂直側面無傾斜角，不會出現液態金屬下榻和粘粉現象，表面粗糙度較好。

表2 GH3536 激光選區熔化板狀試樣不同傾斜角度上下表面粗糙度Table 2 Upper and lower surface roughness of SLM GH3536 plate samples at different tilt angles

零件中流道內壁、橫向孔上表面等“上弧頂”區域，由于傾斜角很小，表面非常粗糙，是激光選區熔化成形復雜內流道結構重點考慮的部位（圖15）。

圖15 GH3536 激光選區熔化橫向孔上表面形貌（a）?5 mm；（b）?3 mmFig.15 Surface morphology of transverse hole of SLM GH3536 alloy（a）?5 mm；（b）?3 mm

除了上述表面粗糙度不一致，激光選區熔化成形堆疊過程，還形成特有的表面微觀形貌。圖16是激光選區熔化成形GH3536 合金的側表面微觀形貌，可以看到明顯的金屬堆疊流線，同時嵌有大量的半熔化狀態粉末顆粒，這不同于傳統的鑄造、機械加工、擠壓成形表面，它同近表面氣孔、熱裂紋一起，共同影響結構的力學性能和功能。

圖16 激光選區熔化成形側表面微觀形貌Fig.16 Micro morphology of side surface formed by SLM

3.2 表面影響

綜上所述，激光選區熔化內流道表面需要重點關注兩方面問題：一是表面狀態對疲勞等力學性能的影響；二是表面形貌對流體阻力、燃燒產物沉積等功能的影響。

材料具有尺寸效應，通常情況下，承受彎曲和扭轉載荷時，隨著試樣尺寸增大，疲勞強度降低；承受拉伸和壓縮載荷時，尺寸變化對疲勞強度影響不大[50]。圖17 是激光選區熔化成形TC4 鈦合金縱向試樣表面為打印狀態和機械加工狀態下的疲勞曲線，其中打印狀態為打印后吹砂處理，機械加工狀態為打印后單邊機械加工去掉0.5 mm 余量。每個厚度的試樣，均采用疲勞載荷為R=－1 方式加載，用升降法測得疲勞極限。數據表明，隨著試樣厚度增加，機械加工表面試樣疲勞極限下降，基本符合鑄鍛材料的尺寸效應。而打印表面試樣，0.3 mm厚度的疲勞極限最低，遠遠低于同厚度機械加工表面試樣，隨著試樣厚度的增加，疲勞極限增大，厚度到3.0 mm 時，打印表面和機械加工表面試樣疲勞極限接近。

圖17 TC4 鈦合金激光選區熔化板狀試樣疲勞性能Fig.17 Fatigue properties of SLM TC4 plate sample

激光選區熔化氣孔分布不均勻，一般在表面以下0～0.3 mm 內形成氣孔富區集。TC4 鈦合金激光選區熔化不會產生熱裂紋。因此，打印表面試樣反常的尺寸效應主要受表面狀態和近表面氣孔富集影響，也就是打印表面、近表面氣孔富集降低了疲勞性能。因此，承受疲勞載荷的零件，應根據打印材料尺寸效應的具體數據進行零件細節設計。

對于內流道結構，粗糙的內表面增加了氣體、液體的流動阻力，對于燃氣通道結構，粗糙的內表面會過快沉積燃燒產物，這些都會影響流道件的功能。表面形貌對內流道結構功能影響很復雜，本文不再贅述。

4 金屬增材制造構型

一個具體零件是否能夠進行集成設計、結構/功能一體化設計、拓撲優化設計，并采用增材制造技術制造出來，要考慮兩類問題：一是零件構型是否滿足打印工藝要求，能否被打印出來；二是打印出來的零件力學性能和功能如何，能否滿足使用要求。

4.1 影響零件構型的工藝因素

一個零件構型是否滿足打印工藝要求，能否被打印出來，要考慮如下工藝因素。支撐的添加和去除、封閉內腔粉末的清理、島狀特征及其不穩定性、懸垂結構、階梯效應、細節結構與鋪粉穩定性、下表面夾角、孔徑尺寸及走向等，這些工藝因素都直接影響零件能否被順利打印出來。一個置于坐標系中的復雜構型零件，當垂直Z軸切成若干層二維切片時，總是存在部分二維層片的某些細節結構處于不利于打印的位置，易產生局部翹曲、變形、開裂等問題，出現損傷刮刀、彈粉現象，甚至打印中途失敗。因此，工藝設計階段應進行充分評估，并按照工藝標準進行檢查[51]。

殘余應力是工藝因素中應重點考慮的。增材制造逐層熔化、凝固、堆積的成形過程，決定了成形零件內部必然存在很高的殘余應力，過高的殘余應力會使打印零件變形、開裂。增材制造殘余應力一旦形成就很難消除，即使采用足夠高的溫度熱處理，由于零件內部結構相互制約和組織的方向性，冷卻后又會形成新的殘余應力，因此熱處理只能起到“削峰”作用。對于直接能量沉積，采用中間退火方法可降低殘余應力峰值，對于激光選區熔化應控制零件XY向的尺寸，XY向尺寸越大累積殘余應力和變形也會更大。

另外，打印狀態下的塑性是衡量材料打印工藝性能的重要指標，打印狀態下鎳基合金具有較高的塑性，打印過程中不易開裂；而鈦合金塑性較低，容易開裂，因此打印較大尺寸鈦合金零件時，應選擇室溫伸長率大于10%的合金。

4.2 影響零件構型的力學性能和功能因素

一個零件進行拓撲優化減重設計后，會獲得不同的構型和承載能力。圖18 是對某TC4 支架零件進行拓撲優化減重設計，12 名設計師給出了12 個構型，可見在邊界條件一致情況下構型并不唯一。圖19 是對上述12 個不同構型結構進行疲勞測試，給出了循環周次和構型質量之間的關系，可見承受疲勞載荷的能力與構型質量沒有對應關系。

圖18 不同構型的結構優化減重設計Fig.18 Structural optimization mass reduction design of different configurations

圖19 結構優化減重設計與承載能力的關系Fig.19 Relation between mass reduction design of structural optimization and load carrying capacity

上述研究表明，零件承載能力取決于構型的細節設計。因此，打印出來的零件力學性能和功能能否滿足使用要求，要考慮如下因素：（1）尺寸效應，重點關注薄壁結構、細桿狀結構，應根據尺寸效應的具體數值進行評估；（2）組織方向性，重點關注組織生長方向與主應力方向之間的關系；（3）過渡圓角R，在設計和制造零件時，應設計盡量大的過渡圓角，可有效降低應力集中，降低零件服役過程中局部開裂風險；（4）內流道穹頂面，頂部存在的粘粉和塌陷問題會導致形成非標準圓，且成形過程中階梯效應明顯，都會改變原有內流道形貌，減小流道截面積，增加流阻。

5 金屬增材制造結構力學性能影響四要素

綜上所述，影響金屬增材制造結構力學性能的因素眾多，主要包括四個方面：組織、缺陷、表面、構型。這四個因素單純在材料級試樣中體現不出其影響，只有在增材制造具體結構中才會體現出來。組織包括晶粒生長方向、物相組成、晶粒尺寸等；缺陷包括在結構不同區域中的缺陷分布、缺陷類型、缺陷尺寸等；表面包括結構中不同表面的粗糙度、表面形貌等，均與結構特征密切相關；構型包括結構的增材制造工藝可實現性、結構中的應力分布以及綜合性能水平等。

因此，設計、制造、評價金屬增材制造結構，應將結構置于坐標系中，分區研究組織方向、缺陷分布、表面狀態、零件構型，以及這些因素在應力場、溫度場、流場中對結構力學性能和功能的交互影響，這四個因素共同影響結構的服役性能，稱之為金屬增材制造結構力學性能影響四要素（圖20）。

圖20 金屬增材制造結構四要素（a）組織；（b）缺陷；（c）表面；（d）構型Fig.20 Four factors of metal additive manufacturing structures（a）microstructure；（b）defects；（c）surface；（d）configuration

6 總結與展望

金屬增材制造是繼鑄造、鍛造之后發展起來的一種先進的成形方法，具有廣泛的應用前景。鑄造、鍛造經過了數百年發展，人類在生產實踐中積累了豐富的工程經驗，已經形成完備的技術體系和標準體系，而增材制造研究和應用才剛剛起步，缺乏工程應用經驗和標準，需要持續研究和積累，特別是航空領域，對增材制造技術研究需求更為緊迫：

（1）組織性能。低熱裂紋敏感性的高溫高強增材制造專用材料設計技術；提升高溫結構材料持久、蠕變性能途徑；高溫環境下結構性能穩定性等。

（2）缺陷。為從原材料端進行有效的質量控制，需明確粉末物理特征對成形制件中致密度、氣孔的影響規律；增材制造成形設備種類繁多，需研究材料-設備-工藝影響缺陷的關聯關系；需建立在線監測及反饋技術，及時發現并解決成形過程中遇到的問題，提高產品合格率；缺陷閉合界面狀態及再次萌生裂紋傾向等。

（3）表面。增材制造表面特征與鑄造、鍛造不同，需研究表面特征對流體流阻的影響規律；增材制造零件多具有復雜內腔，加工可達性差，難以進行光整處理，盡量通過優化工藝保證內表面質量要求。

（4）構型。需系統開展結構細節特征與零件承載能力之間的關系研究，為增材制造零件結構優化設計提供依據和準則以及復雜結構的無損檢測技術等。

另外，還需考慮組織、缺陷、表面與壽命之間的關系等綜合問題，需通過開展充分研究系統和準確建立針對航空發動機、飛機增材制造零件的評價方法和質量性能評價標準來解決。

隨著研究不斷深入和工程應用中的不斷驗證，上述問題將會陸續被認識和解決。