增材制造通过材料逐层累积的方法来制造实体零件，其不只是一种制备工艺，而是一种包括设计-材料-工艺-设备-检测-标准全方位的技术群，而先进设计是增材制造发挥作用的源头。不同于传统的设计方法，增材制造对产品设计技术提出了更高的需求： 控形与控性多尺度力学设计与仿真技术 拓扑优化设计与仿真技术 创成式设计与仿真技术 轻量化设计与仿真技术 组元晶格结构设计与仿真技术 跨学科多功能融合设计与仿真技术 梯度材料结构设计技术 可以说，设计是增材制造技术应用的源头，而力学设计是增材设计技术的核心！由于涉及的内容较多，很难用一篇文章来诠释所有的内容。本篇主要概述安世亚太基于控形与控性的多尺度设计与仿真技术在增材制造的领域所做的一些探索与研究成果。 在增材制造过程中，控形与控性是增材制造中两个重要考察指标。通常说宏观控形和微观控性。而宏观控形需要重点考虑翘曲变形、部件开裂、刮板碰撞、支撑开裂及飞溅等；微观控性需要重点分析球化、孔隙率、相变、颗粒尺寸、晶粒结构和初始位错密度，如图1所示。 图1 增材制造控形与控性 而真正要实现增材制造在打印过程中的控形与控性，需要材料性能-打印设备-结构设计-打印工艺一体化调控与优化，这里面就涉及到微观-细观-宏观多尺度的力学分析。  多尺度力学设计 本文涉及到的多尺度力学设计主要在微观-细观-宏观多个尺度层面上进行对微观结构-细观结构-宏观结构进行研究分析。其实多尺度力学设计的核心：多物理过程耦合和多尺度关联。 图2  多尺度力学设计 增材制造过程，尤其是SLM打印工艺，在微观层面研究主要集中在粉末的成形、粉末的流动、熔池动力学及微观组织分析等方面；在细观层面研究主要集中在晶格结构力学性能、多孔泡沫金属力学性能、晶格结构热力学性能以及特殊的负泊松比结构力学的研究上；在宏观层面上研究主要集中在产品的宏观力学性能预测、拓扑优化设计、轻量化设计等等。如图2所示。多尺度力学设计的研究自下而上主要研究零件或产品的成形机制，预测产品的力学性能；自上而下则可以对打印工艺进行优化与打印设备优化。 粉末颗粒的微观力学设计 控性：粉末篇 在针对SLM打印工艺中，为了实现增材打印过程控性，安世亚太在金属粉末成形-撒粉-铺粉整个流程中都进行了深入地探索和研究，如下图3所示。 在这个粉末的全流程中，任何工艺参数的改变都会影响到最终产品的成形质量。比如在旋转电极制粉工艺中，电极转速、等离子体电弧功率等会对粉末成形粒度分布产生很大影响，进而会影响到后期撒粉、铺粉以及熔池的形成。 图3 金属粉末成形-撒粉-铺粉的力学设计 金属粉末对SLM打印工艺打印成形件最终质量有着至关重要的影响。粉末性能的评价指标主要包括：粉末粒度分布、氧含量、松装密度、粉末流动性和粉末形貌等。 金属粉末的成形方式有很多，目前比较成熟的用于增材制造的金属粉末制备工艺主要有两种：气雾化法（Vacuum Induction-melting Gas Atomization：VIGA）和等离子旋转电极法(Plasma Rotating Electrode-comminuting Process：PREP）。这两种制粉工艺的特点如表1所示。 表1  气雾化制粉和等离子旋转电极法制粉特点对比表 基于此，安世亚太也针对这两种金属粉末制粉工艺进行了CAE仿真分析，研究了制粉机理，分析了气雾化制粉和旋转电极制粉不同制粉工艺参数对粉末成形质量的影响。如图4和图5所示。 图4 气雾化制粉工艺仿真结果/图5 旋转电极制粉工艺仿真结果 成形后获得的金属粉末需要经过给粉器-分粉器-铺粉器最终到达成形平台，粉末在这一过程中的运动涉及流体（气体）、粉末通道内壁及金属粉末颗粒之间相互作用的运动。当颗粒密度较低时，不用考虑颗粒间的相互作用，当颗粒较多时，需要考虑颗粒间的碰撞作用，当颗粒非常稠密时，颗粒间的摩擦力是流体的主导作用力。 图6 金属粉末撒粉过程 ‍ 控性：熔池 ‍               影响SLM成形质量的因素有很多，主要可以分为归纳为三类：环境因素、工艺因素和粉末因素。其中环境因素主要包括打印设备的预热温度、保护气体类型，循环气流量等，工艺因素主要包括激光功率、激光扫描速度、激光扫描路径、铺粉层厚、光斑直径等等，粉末因素主要包括粉末的粒度分布、形貌、氧含量等。 熔池存在传热、对流、传质、气-液界面冶金反应以及固-液界面扩散等复杂的动态多物理场过程。对熔池的研究需要考虑激光的吸收与散射、粉末的熔化、表面张力、合金元素挥发、汽化、对流、辐射、熔池的熔化与凝固、高频次热循环下的固态相变等。安世亚太对熔池的形成过程、以及不同打印工艺参数变化对熔池的影响进行了深入地研究和探索，如图7和8所示。 图7 熔池的微观物理过程示意/图8 熔池的不同时刻的形态变化 晶格结构的细观力学设计 细观尺度是介于微观尺度与宏观尺度之间，细观力学主要研究的是材料在空间上的分布对结构力学性能的影响。其目的是将实际不均匀材料用等效均匀介质来代替，获得与之等效的力学性能常数。 晶格结构也称为点阵结构（Lattice Structure），是某种结构的单胞在空间按照一定的规律组合成的结构，能够承载一定的受力并实现某种特定的功能。晶格结构具有质量轻、比强度高、比刚度高、抗冲击、高散热隔热以及电磁屏蔽等优越的力学性能，当前是3D打印的一个重要研究领域。 晶格结构是由相同或者不同几何形状的晶格单元按照一定的规则组合而成的，所以晶格结构的设计包括晶格单元几何形状的设计和晶格结构的组合设计。晶格单元是组成晶格结构的最小单元，晶格单元的设计方法主要有实体几何构造法、隐式曲面法和拓扑优化法。 图9 晶格结构的力学性能与填充率的关系 图10 晶格单元性能数据库晶格种类 不同的晶格单元有着不同的特性，对晶格单元的特性进行研究并建立相应的晶格单元性能数据库才能满足晶格结构的性能要求。 结合安世亚太在仿真设计和增材制造领域多年的积淀，利用参数化建模仿真系统设计并建立了多种增材制造晶格单元的性能数据库，方便我们根据不同的应用场合来挑选合适的晶格单元和相应的晶格单元设计参数，并且可以根据不同晶格的性能特点进行优化组合，采用多种晶格进行拼接设计。见图9和图10所示。 部件系统级的宏观力学设计 在宏观尺度上也就是部件系统级上，要实现增材的控形与控性就要从增材打印设备上、增材打印工艺、以及产品结构设计这三个方面去调控与优化。 增材设备的宏观力学设计 增材设备性能的好坏直接影响到打印产品的性能，比如若增材设备的成型腔室刚度不足，就会造成打印的产品在成型面上出现变形不一致的现象；如果成型腔室内气流场不佳，在打印过程中有可能会出现烟气颗粒无法顺利排出，进而可能在打印件内部形成缺陷，影响打印件质量。 因此安世亚太针对公司的增材设备产品进行了各种工况下的仿真优化分析，大大提升了设备产品的各项性能指标，为打印产品的控形与控性提供有力的设备支撑。针对公司开发的增材制造设备所进行的仿真优化包括：   整机设备强度分析及优化 整机设备刚度分析及优化 关键部件疲劳分析及优化 入口均匀性仿真分析及优化 打印腔体内部气流场、温度场仿真分析及优化 惰性气体置换流程仿真分析及优化 废气置换流程仿真分析及优化 烧结烟气排出过程仿真分析 打印平台动密封仿真分析及优化 整机散热仿真分析及优化…

增材制造或三维（3D）打印为汽车行业提供了巨大的机会，通过整合零件、定制材料属性、实现多功能组件和简化制造工艺来减轻车辆重量并提高车辆性能。然而目前用于直接制造汽车零部件的增材制造研究有限，部分原因是汽车产量庞大。近日，日产北美技术中心、Altair公司、ExOne公司、德克萨斯大学的研究人员探讨了使用增材制造结合创成式设计方法直接制造金属汽车部件的潜力。以雷达安装支架为例，表明通过减轻42%的重量并简化制造和装配过程，可以实现所需的零件强度和安全性能。还基于两种主流增材制造系统进行了生产成本分析。结果表明，金属粉末的成本是汽车行业更广泛采用增材制造的限制因素。 图1 智能巡航控制雷达传感器安装支架的基线设计和加载条件 汽车行业正在广泛采用增材制造（AM）技术，如今已经发展到汽车制造商不仅可以将其用于快速原型制作，还可以用于生产最终用途组件，这些组件对于满足严格的要求至关重要，包括不断增加的燃油经济性法规、定制需求以及大流行后世界的供应链挑战。增材制造为汽车制造的新时代缩短了周转时间，最大限度地减少了材料浪费，提高了能源效率并简化了供应链。增材制造大致可分为以下几类：材料挤出，粉末床熔融，粘合剂喷射，片材层压，材料喷射，还原光聚合和定向能量沉积，这些技术中的每一种都有自己的优势和局限性，例如材料成本，制造速度，零件机械性能和可靠性。 在金属增材制造中，最广泛使用的材料原料是粉末，但也使用线材，箔带和液体形式。激光、电子束、超声波、等离子弧等高能量密度热源用于将材料直接粘合在一起。粘结剂喷射是另一种技术，它依赖于构建后的加热和烧结来巩固金属粉末并实现所需的机械性能。增材制造可以为汽车行业带来新的改进，允许在短时间内实现更轻、更复杂的构建。轻量化是内燃机汽车燃油经济性和纯混合动力电动汽车能源效率的重中之重。已经有许多例子探索了增材制造以减轻车辆零件/组件的重量或生产复杂的零件和备件。使用增材制造本田展示了重量减轻50%的曲轴；通用汽车将八个组件合并为一个座椅支架部件；宝马将Roadster车型车顶支架的重量减轻了44%；福特使用AM进行了原型设计，这是传统制造无法实现的歧管；保时捷制造了3D打印活塞，以提高功率和效率；奥迪利用3D打印为一系列车辆生产多个零件。图2 拓扑优化工作流程 图3 设计决策及性能表 这项研究探讨了使用增材制造直接制造的车辆金属部件的潜力，特别是粘结剂喷射方法。粘结剂喷射已成为激光粉末床熔融（LPBF）和直接能量沉积（DED）的有前途的替代工艺，因为它具有更高的打印分辨率，更好的表面质量，更少的支撑结构需求，更少的材料浪费，更高的产量和更低的整体生产成本。以雷达安装支架为例，通过增材制造和创成式设计，通过显着减轻重量（约42%）和简化制造和装配过程来提高零件强度和安全性能。还进行了基于两种主流增材制造系统的生产成本分析，揭示了金属粉末的成本是汽车行业更广泛采用增材制造的主要限制因素之一。图4 冯米塞斯应力、位移和固有频率的比较图5 通过粘结剂喷射的增材制造的ICC雷达安装支架的顶视图和底视图 图6 频率响应函数测量3D打印部件在2个位置的2个不同部件，最大频率为 440 Hz、最小 356 Hz、平均389 Hz 图7 两个系统的相关零件嵌套布局 图8 两种3D打印系统相关的相对成本分配 总结这项研究探索了使用增材制造直接制造金属汽车部件的潜力，特别是粘结剂喷射方法与汽车应用的创成式设计相结合。以雷达安装支架为例，证明重新设计和增材制造的部件满足并超过了所有要求的性能规格和安全要求，重量减轻了42%，工艺简化了50%。目前，金属粉末的高成本仍然是在大批量汽车制造应用中更广泛采用金属增材制造的限制因素。未来的研究将包括降低粉末成本的方法和其他D打印工艺的评估，包括选择性激光熔化和直接能量沉积，以实现具有成本效益的金属增材制造，用于最终用途车辆部件的中等批量生产。 参考：www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612523000729 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.粘结剂喷射金属3D打印│知名汽车品牌均在挖掘其应用潜力 2.GE Additive或在探索下一代金属3D打印技术 3.干货分享：陶瓷3D打印之粘结剂喷射技术的成形材料、优势与挑战 4.最新突破：粘结剂喷射完成攻克钛、铜、铝3D打印制造

2023年未过半，《自然》和《科学》杂志正刊分别发表了4篇关于3D打印技术的研究，这些成果代表了3D打印技术当前发展的最前沿水平。本期，3D打印技术参考带大家回顾这些突破性进展。1. Science：实时检测3D打印缺陷，预测率100% 2023年Science正刊首篇关于3D打印技术的研究已经于1月5日发表。弗吉尼亚大学材料科学与工程专业孙涛副教授领导的研究团队取得了新发现，极大提高了金属3D打印技术的质量保证能力，对扩大航空航天和其他领域该技术的应用带来新的契机。 该研究以“Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion”为题发表，研究人员通过同步高速加速器X射线成像和热成像，结合多物理场仿真，在Ti6Al4V激光粉末床熔融过程中发现了两种类型的锁孔振荡；通过机器学习进一步加深了这种理解，并开发出一种以亚毫秒级时间分辨率和近乎完美的预测率检测随机锁孔孔隙率生成的方法。总的来说，这是一种简单实用的方法，能够在商业3D打印系统中使用。 2. Science：3D打印有机硅弹性体，制造高性能生物结构 有机硅结构可以通过使用传统技术或先进技术如软光刻和3D打印制造。然而，由于液态有机硅预弹性体的界面行为带来的挑战， 3D打印的有机硅通常质量不佳。来自佛罗里达大学的研究人员开发了一种可3D打印精确、复杂精细结构PDMS有机硅弹性体的方法，其利用了在与有机硅油墨接触时具有不明显界面张力的支撑材料。研究人员将该方法称为超低界面张力增材制造 (AMULIT)，支撑材料是一种填充的反相乳液，由硅油连续体中的液滴组成。相关研究成果于3月23日以“A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing”为题发表于Science杂志。 https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4441（点击） 研究人员发现，支撑材料和墨水之间的超低界面张力能够打印直径小至 8μm的特征，通过调整这种支撑材料的弹性和流动特性实现了高性能打印，能够制造如脑动脉瘤模型和功能性三叶心脏瓣膜这样的复杂结构。3D打印技术参考注意到，该团队3D打印出的心脏瓣膜模型的功能表明这种结构可能具有足够的柔顺性和耐用性，可用于制造与生物材料设计和手术模拟器相关的复杂硅胶结构，并引入了扩展使用其他材料打印的可能性。 3. Science：3D打印纤维流体泵用于新型可穿戴设备以可穿戴和便携的方式产生有意义的流体动力是一个巨大的挑战，3D打印可以快速准确的构建多种复杂的结构，为各种器件提供定制化服务，极大程度上满足可穿戴储能器件在尺寸、结构、性能以及一体化集成的要求。来自洛桑联邦理工学院提出了一种纤维形式的流体泵，它是一种柔性且可拉伸的器件，直径为毫米量级，可以产生连续的流体流动，而不需要任何移动部件或振动。https://doi.org/10.1126/science.ade8654（点击）由于其高拉伸性和出色的回弹力，聚氨酯(polyurethane, PU)弹性体被用于该研究。由该技术所制造的流体泵能够编织成纺织品的外形尺寸，具有人体尺寸应用所需的可扩展性，为可穿戴设备的进一步开发奠定了基础。3D打印技术参考注意到，基于该关键器件的研发于3月30日以“Fiber pumps for wearable fluidic systems”为题被发表在Science上，制造设备采用的是中国品牌Raise3D（复志科技）。4. Science：低温免烧结，3D打印SiO2微光学玻璃二氧化硅玻璃的3D打印以颗粒烧结技术为主，然而其软化点为1100°C，使得其制造本身就具有挑战性。然而，凭借卓越的光学透明度以及热、化学和机械弹性使其成为现代工程应用中最重要的材料之一，在微光学、光子学、微机电系统以及微流体和生物医学领域均有大量应用。传统的二氧化硅玻璃3D打印技术在纳米尺度上也限制了它们在微系统技术中的采用，从而阻碍了技术突破。已建立的微系统合成路线通过精心设计的自上而下的工艺序列制造二氧化硅结构，其中涉及2D掩模光刻、热氧化、气相沉积和蚀刻等技术，但这些工艺很难转化为3D打印技术。用丙烯酸酯功能化 POSS 树脂制备高质量熔融石英纳米结构（点击）来自德国卡尔斯鲁厄理工学院、美国加利福尼亚大学尔湾分校和爱德华兹生命科学公司的研究人员，通过配置优化的树脂材料，结合双光子聚合3D打印，大大降低了二氧化硅3D打印的熔点。具体的说，其使用了一种多面体低聚倍半硅氧烷 (POSS) 树脂，与粘结剂包覆颗粒相反，POSS树脂本身构成连续的硅氧分子网络，仅在650°C时即可形成透明的熔融石英。该温度比将二氧化硅颗粒熔化成连续熔体的烧结温度低500°C。相关研究以“A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass”为题于6月1日发表在Science上。 5. Nature：哈佛大学多材料螺旋3D打印新方法 在自然领域，具有独特功能的螺旋结构极为常见，如肌动蛋白和原肌球蛋白在骨骼肌中的螺旋组装引起收缩和其他功能；植物的运动源于植物细胞壁内螺旋排列的硬纤维素纤维。人为合成螺旋结构的努力在于制造人造肌肉以及超材料，哈佛大学刘易斯实验室是世界上最早开发毛细管结构多材料生物打印方法的实验室之一，过去几年一直在研究软机器人技术。 该实验室于1月18日在Nature发布了一篇名为“Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control”的文章，介绍了一种旋转多材料3D打印平台，可以实现多材料3D打印，并能够在局部方向进行亚体素控制。借助该方法，研究团队设计并制造了用于软机器人和结构应用的人造肌肉和弹性体结构，并为制造这些机构开辟了新途径。 6. Nature：NASA为极端环境设计了一种新型3D打印合金 4月19日，NASA技术团队以“A 3D printable alloy designed for extreme environments为题”在Nature发表了关于最新开发的GRX-810超级合金的相关研究，涉及其微观结构、机械性能以及与当前同类型增材制造合金的比较。 多主元素合金具有强大的机械和抗氧化性能，尤其适合于极端环境使用。NASA团队使用模型驱动的合金设计方法和基于激光的增材制造开发出了这种新材料——氧化物弥散强化型NiCoCr合金。无需机械或原位合金化，借助粉末床激光熔融工艺就可以将纳米级的Y2O3颗粒分散到整个微观结构中，该材料展示了在1093°C下与广泛使用的增材制造传统多晶变形镍基合金增强两倍的强度和抗氧化性，以及提高了1000多倍的蠕变性能。这种合金的成功开发显示出与过去的“试错”方法相比，模型驱动的合金设计能够使用更少的资源实现更佳的材料组分组成，展示了利用弥散强化与增材制造工艺相结合的未来合金开发将加速革命性材料的出现。…

3D打印技术参考注意到，GE Additive已经与知名蓝色激光器开发商Nuburu签署了一项联合技术协议，双方将共同探索蓝色激光技术对增材制造速度、准确性和商业的价值。 Nuburu首席执行官兼联合创始人Mark Zediker博士表示：“随着我们继续推进蓝色激光技术的研发，蓝色激光的功率已经进一步提高，从而能够开辟新的应用。已经实现的关键性能里程碑为金属3D打印的重大进步开辟了新的可能性。GE Additive在金属增材制造方面的专业知识将使我们能够快速优化区域打印方法，这些解决方案有可能改变军事物流、航空航天、医疗设备制造等领域的格局。” 由激光逐点扫描转变为蓝光+面区域熔化 根据3D打印技术参考去年的报道，NUBURU获得了美国空军“小企业创新研究”（SBIR）计划的第二阶段合同，以开发基于蓝色激光的区域3D打印技术，而GE Additive已经参与到该项目中。这项合同的目标是制造出更大规模的3D打印机，其打印速度将是基于红外激光的打印机的100倍，基于该项目的第一台机器已于今年5月交付给美国空军。 GE Additive在金属3D打印技术应用方面具有领先的经验，其所开发的部件受到严格的监管，因此对于金属3D打印质量控制和保障具有绝对的话语权。通过NUBURU发言人的表述，3D打印技术参考认为该合作的的关键在于，能够将蓝色激光、区域打印以及GE Additive的专业知识联系起来，这或可推进更新一代粉末床激光熔融金属3D打印技术的商业（落地应用）发展。 如果按照发展代际划分，SLM技术已经经历了单激光到多激光的发展，当前最新的技术发展类型表现为区域打印。虽然该技术也在有着“无支撑”、变光源形式，但并不能称之为该技术进化的主流方向。区域打印对于SLM技术来说，可称得上是制造效率的代际发展，而将这种打印模式与更高吸收率的蓝光相结合，则是优中更优的解决方案。 所谓区域打印，采用了脉冲激光代替常规使用的连续激光，通过光学设计取代原有的逐点扫描，变为逐面扫描，因此能够大幅提升制造效率。蓝光的优势在于金属对该波段激光的吸收率要远高于常规使用的红外激光，是铜、铝等高反射金属的更佳选择。更高的吸收率能够使工艺窗口更宽，熔化过程更为可控，飞溅污染将会减少；对激光器功率的需求也会将大幅降低，同时，激光扫描速度也会因吸收率的提高而增加，进而表现在打印效率上。蓝光的另一个物理优势是小尺寸光斑，对于金属3D打印来说可以获得更精细的分辨率。同时，蓝光能够在相对红外激光与聚焦透镜两倍以上的距离产生与后者相同的光斑尺寸，从而获得更大的扫描区域。 蓝色激光的吸收率优势   蓝光具有小尺寸焦点，对于增材制造，蓝光可以实现更精细的分辨率，更大的扫描区域 区域金属3D打印过程中产生的羽流 NUBURU还于近期向3D打印机开发商Essentium交付了蓝光激光器，双方正在合作开发用于定向能量沉积 (DED) 的金属3D打印的系统。  而对于粉末床熔融技术的开发，专注于激光技术的NUBURU需要一个强有力的合作者，但其却没有选择区域打印当前最知名的Seurat，而GE Additive是金属3D打印熔融过程基础知识、过程控制等领域的专家。对于双方的合作，NUBURU表示将加速其开创性的蓝色激光进一步扩展到创新的金属3D打印解决方案，而对于GE Additive，这可能有助于其探索下一代金属3D打印技术。 蓝光激光器正在日益受到重视，3D打印技术参考注意到，在2023年的“增材制造与激光制造”国家重点研发计划专项中，“制造用蓝光半导体激光器”赫然出现其中！ 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.蓝光+区域打印 | 美空军资助100倍速未来金属3D打印设备研发 2.上海交大采用国产装备开展铝合金蓝色激光定向能量沉积研究 3.西门子能源签署59吨区域金属3D打印零件制造协议 4.国外正在开发一种基于蓝色激光的新型金属3D打印机

导读：来自大连理工、江苏大学等机构的研究人员，通过脉冲激光-电弧混合工艺成功制备了高强度的Al-Zn-Mg-Cu合金。通过多尺度表征，详细讨论了微观结构和热处理对机械性能的影响。同时，结合熔池凝固模拟揭示了显微组织的演化机制。这项工作有望提出一种利用多能场混合调节高强度铝合金微观结构和力学性能的新方法。   https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103526  Al-Zn-Mg-Cu (7xxx) 合金具有超高强度、良好的加工性能和最佳时效硬化能力等优点，满足了大部分航空航天结构材料应用，正广泛用于替代较重的镍基和钛合金。增材制造技术能够缩短加工周期、实现灵活加工，已成为一种很有前途的制造方法，可以生产传统技术无法制造的大尺寸、复杂结构。与铸造和焊接领域类似，激光粉末床熔融(LPBF) 工艺因容易产生过多缺陷（如裂纹、孔隙）而不适合制造7xxx合金。 铝合金的可打印性与凝固间隔宽、热膨胀系数高、开裂敏感性高、熔体流动性差和热导率高有关。有研究人员采用LPBF工艺打印了7075 铝合金，发现裂纹易发生在柱状晶附近界限，参数优化后沉积样品内部仍然存在热裂纹。最有希望的方法是改变7xxx铝合金的成分或添加晶粒成核剂以降低热撕裂敏感性。但这种方法增加了制造成本，近年来通过电弧增材制造铝合金已成为重要的研究方向。 线材+电弧增材制造可以用于以更低的成本和更高的效率生产复杂部件。同时，电弧的热输入较大，熔池的凝固速率较低，这似乎理想的解决了7xxx铝合金在快速熔化/凝固过程中的热裂纹问题。但同时也由于高热输入导致了粗晶粒、气孔和元素偏析的产生，从而导致抗拉强度较弱。2022年，北理工的研究人员使用7050铝合金丝制备了无裂纹的薄壁样品，然而沉积的样品显示出机械性能较差的柱状晶粒；2020年，哈工大研究人员探讨了电弧增材制造的7055铝合金的微观结构演变，由于多次热循环，纳米级沉淀物分布不均匀。通过调整热输入可以控制7xxx铝合金的晶粒形态，在热输入减少的过程中，孔隙率降低，晶粒由柱状变为等轴状。 为了进一步提高7xxx铝合金的增材制造适用性，研究人员研究了多能量场混合来控制成形过程，发现层间轧制和超声能量的引入可以调节微观结构和力学性能，但结合激光和电弧两种热源来提升增材制造质量，比上述传统的能量场混合更具吸引力。3D打印技术参考此前已经介绍过，激光能够显著稳定熔池。利用连续激光-电弧混合工艺制备316L不锈钢，通过提高激光功率，可以细化重熔区晶粒尺寸，提高力学性能。将连续激光与圆弧同心定位，激光提高了液滴转移稳定性和沉积速率。与连续激光相比，脉冲激光的持续时间短、频率高，可以控制熔池流动和热输入可以在7xxx铝合金中产生独特的微观结构。尽管如此，脉冲激光-电弧混合增材制造仍然未能避免非平衡凝固。因此，为了获得具有优异机械性能的Al-Zn-Mg-Cu合金，通常需要进行后续热处理以产生纳米级析出物并析出强化。综上所述，有必要进一步研究微观结构的形成机制，以及它们与使用激光-电弧混合工艺和后续热处理制备的Al-Zn-Mg-Cu合金的力学性能的关系。 研究团队使用自主研发的激光-电弧混合增材制造系统，包括数控机床（CNC）、脉冲激光器、电弧焊机、自动送丝机。引导激光束和电弧之间的角度为55°，焊丝和电弧枪采用前送丝方式固定，数控机床实现了激光透镜和安装在其上的电弧炬的精确移动。基板在数控工作台的控制下移动。使用该系统制造了120×7.6×60mm的薄壁试样。  本研究使用的打印装置   (a) 晶粒形态演化示意图。(b) 柱状和等轴晶的反极图 (IPF)  沉积态和热处理后的 Al-Zn-Mg-Cu 合金的机械性能   研究发现，沉积态样品显示为交替显微结构，电弧区为粗柱状晶粒，激光区为等轴晶粒。通过模拟热历史，确定微观结构的形成机制主要是由于在脉冲激光持续时间内急剧的温度梯度和凝固速率以及加速的流体流动造成的。稳定的富Zn和Mg相分散在激光区的晶粒内，而在电弧区则形成复杂的连续网状。两阶段固溶和时效处理促进了大量棒状η' 纳米沉淀物和较小的针状GP-II区的产生。此外，研究表明，热处理不仅有助于同时提高强度和延伸率，而且还显著降低了各向异性。 测试发现，材料的极限抗拉强度达到 602.3 ± 7.6MPa，断后伸长率为8.90 ± 0.10 %，优于传统的锻造7075铝合金。该研究采用激光电弧混合方法还将适用于其他合金，并将在航空航天工业中有广泛的应用。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.西交大：新型熔滴+电弧增材制造铝合金研究取得新进展 2.弗劳恩霍夫新工艺丨电弧+激光混合金属3D打印技术 3.波音扩大电弧增材制造工艺测试，将3D打印大型铝合金构件 4.西工大黄卫东、林鑫教授团队：3D打印Al-Si合金工艺–组织–性能量化关系研究

易加三维金属增材制造系统添加新成员EP-M825。公司研发团队历经一年多的研发设计、攻坚克难，应用技术再次取得突破，该设备最多可支持十激光同时打印，打印效率高达250cm³/h，适用于航空航天、模具制造、汽车工业等领域高性能零部件的直接制造。 成型室833mmx833mmx1100mm 成形尺寸大，成形体积＞760L，可打印钛合金、铝合金、高温镍基合金、模具钢、不锈钢、钴铬合金等多种金属粉末，可以满足航空航天、模具制造、汽车工业等领域大尺寸、高精度和高性能零部件的直接制造。 可配四/六/八/十 光纤激光器 更多激光数选择：4x500W / 6x500W / 8x500W / 10x500W，光斑直径70-120μm，可打印20-120μm分层厚度粉末，可根据不同场景、不同需求、不同工艺选择最优配置，有针对性的为您提供最适合的生产力工具。 最大成型速度可达250cm³/h 定制化核心光学器件，激光光束质量高，采用多激光精准定位+拼接区精度控制技术，8m/s高效激光扫描，金属打印件的致密度 >99.9%，拼接区精度偏差≤±0.1mm，保证设备的高质量、高效率及高稳定性打印。 三级过滤、配备永久滤芯 风场结构优化设计，有效去除烟尘、飞溅，保证打印面光亮整洁、火花明亮一致。采用三级过滤，配备永久滤芯，有效保障设备长期稳定运行。 EP-M825规格参数 EPHatch 打印工艺规划软件 EPHatch是易加三维自主研发的工艺规划软件，支持对SLC/CLI切片文件进行加工路径填充，具备不同特征区域智能识别、工艺参数丰富、开放可调的特点，能满足不同类型零件的打印工艺需求。 EPlus 3D 控制软件 EPlus 3D控制软件可完成从数据到零件加工成型的整个控制过程，同时具备过程监控及物联网等相关功能，可满足智能车间的生产管控需要。该控制软件主要由调机页面、排版页面、加工页面、报告页面构成，具备易操作、流程化、智能化等特点，用户按操作指引即可轻松完成打印任务。 易加三维专注研发工业级3D打印装备，以市场需求为导向、以技术创新谋发展，践行实干；专注生产制造稳定、可靠、一致的工业级增材制造系统，以解决行业痛点为初心，以让3D打印走向直接制造为使命，锐意进取；专注服务好每一位行业客户，以秉承深化合作互利共赢为理念，携手共促我国制造业健康发展。

使用3D打印技术制造玻璃的应用并不常见，这种透明的结构具有无机非金属的材料属性，与激光作用也无法被轻易熔化。然而自2009年开始，玻璃的3D打印开始受到关注，从以色列Micron3DP到德国Fraunhofer和KIT，再到美国LLNL和MIT，世界各地涌现出不同的玻璃打印工艺，而且相关的研究已经在《科学》杂志发表过文章。3D打印技术参考注意到，《科学》杂志最新一期报道了一种采用低温热处理免烧结3D打印制造纳米光学玻璃的研究。 https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq3037 二氧化硅玻璃的3D打印以颗粒烧结技术为主，然而其软化点为1100°C，使得其制造本身就具有挑战性。然而，凭借卓越的光学透明度以及热、化学和机械弹性使其成为现代工程应用中最重要的材料之一，在微光学、光子学、微机电系统以及微流体和生物医学领域均有大量应用。传统的二氧化硅玻璃3D打印技术在纳米尺度上也限制了它们在微系统技术中的采用，从而阻碍了技术突破。已建立的微系统合成路线通过精心设计的自上而下的工艺序列制造二氧化硅结构，其中涉及2D掩模光刻、热氧化、气相沉积和蚀刻等技术，但这些工艺很难转化为3D打印技术。 来自德国卡尔斯鲁厄理工学院、美国加利福尼亚大学尔湾分校和爱德华兹生命科学公司的研究人员，通过配置优化的树脂材料，结合双光子聚合3D打印，大大降低了二氧化硅3D打印的熔点。具体的说，其使用了一种多面体低聚倍半硅氧烷 (POSS) 树脂，与粘结剂包覆颗粒相反，POSS树脂本身构成连续的硅氧分子网络，仅在650°C时即可形成透明的熔融石英。该温度比将二氧化硅颗粒熔化成连续熔体的烧结温度低500°C。 基于本想研究3D打印制备出的SiO2玻璃桁架 双光子聚合也称双光子3D打印（TPP），基于“双光子吸收效应”， 可以将反应区域限制在焦点附近极小的位置，通过纳米级精密移动台，使得该焦点在物质内移动，焦点经过的位置，光敏物质发生变性、固化，因此可以打印任意形状的3D物体。双光子聚合激光直写技术摒弃了传统增材制造层层叠加的方法，使得层与层之间的精度大大提高，消除了“台阶效应”，可以制造低粗糙度、高精度的器件，如各种光学元件、维纳尺度的结构器件等。 树脂内部的反应成分吸收两个或多个光子需要非常高的光子密度，这个过程只能发生在激光束的焦点上，能够制备具有亚微米范围内非常精细特征的物体 使用TPP技术打印玻璃的研究已经有报道，但仍旧是基于颗粒负载来牺牲聚合物粘结剂的方法，仍旧需要高温烧结，因此对于微光学元件制造来说适用性有限。本研究的团队介绍了一种无颗粒有机-无机POSS玻璃树脂，设计用于使用丙烯酸酯功能化以不受约束、简便和可重复的方式打印高质量3D结构，并通过低温热处理将聚合物模板转化为高保真光学级SiO2纳米结构。打印后零件使用 异丙醇显影浴溶解剩余的未固化树脂，在空气气氛中650°C的适度热处理将打印后的聚合物零件转化为熔融石英结构。伴随约40%的各向同性线性收缩，高温使有机化合物分解和脱除，最终获得致密的玻璃结构。 用丙烯酸酯功能化 POSS 树脂制备高质量熔融石英纳米结构 POSS玻璃树脂是一种负性TPP光致抗蚀剂，由三部分组成：89wt%丙烯酸酯官能化POSS单体、9wt%三官能丙烯酸单体和2wt% α-氨基酮家族的光引发剂。POSS单体是主要成分，其POSS笼核构成了能够实现SiO2转化的硅氧纳米团簇。丙烯酸官能团对于实现高性能TPP打印至关重要。此前所报道的环氧树脂POSS TPP树脂的负载量限制在10-60wt%。但在该研究中，尽管POSS负载量高达89wt%，仍然实现了可重现的TPP打印，并提供了重要的抗开裂弹性。这是打印具有足够紧密堆积的硅氧纳米团簇结构的关键，该结构在低温下成功转化为致密的SiO2。 本研究的团队基于此，使打印分辨率提高了四倍，使可见光纳米光子学器件直接打印成为可能。该研究同时展示了出色的光学质量、机械弹性、易于加工和可覆盖的尺寸尺度，所开发的材料为无机固体的微米和纳米3D打印设定了基准。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.最新：玻璃结构体积3D打印登上《Science》封面 2.瑞士高校开发出复杂陶瓷混合增材制造工艺 3.Nature最新：超越TC4，3D打印获得更高强韧性钛-氧-铁合金 4.视频：金属3D打印支撑机械自动化去除与化学去除

西南交大联合华中科技、中车工业研究院、中车青岛四方机车、北理工以及曼彻斯特大学发表了联合综述，总结了当前铁路行业利用增材制造技术的优势和挑战，对增材制造部件的疲劳评估进行了强调，详细讨论了应对挑战的潜在设计方法，包括公认的结构完整性和未来前景。研究结果不仅有利于铁路工程增材制造技术应用的发展，也有利于实现金属部件的轻量化设计，改进性能评估和安全检查策略。 上文总结了增材制造技术在铁路行业的应用及优势，涉及使用激光熔覆修复表面损坏、制造不再生产的零件、打印复杂零件以及开发超高强度材料等等，从而能够制造复杂零件、节省材料、缩短交货时间和快速设计迭代。本文将主要介绍增材制造技术在铁路行业应用的挑战与策略、铁路行业增材制造路线图。 (a) 最高设计时速600公里/小时的高速磁浮交通系统转向架；(b) SLM生产的磁悬浮臂；(c) HRAM生产的空气弹簧安装梁；(d) HRAM 生产的 ZL205A 合金的机械性能，以及验收指数 三. 增材制造技术在铁路行业应用的挑战与策略 与其他快速发展的技术一样，增材制造在铁路领域的实际应用面临着重大挑战。与成熟的传统制造方法相比，增材制造技术仍然需要提高生产力和质量控制。大多数科学文献来自大学和国家实验室，因此缺乏实际应用所需的经济和技术分析。相比之下，企业申请了大量专利，重要的产业创新并未公开。因此，增材制造技术的研究及其在铁路行业的技术应用还存在一定差距，仍存在关键的科学、技术和经济问题。 （1）增材制造零件结构完整性的关键 增材制造技术为复杂结构部件的设计和生产带来了前所未有的解决方案。然而，将这些优势扩展到大型承重铁路部件需要更深入了解这些材料的机械性能。增材制造工艺的异质微观结构、加工引起的缺陷、表面质量差和残余应力特征仍然知之甚少。探索这些因素的性质及其对铁路部件在其生命周期中的影响是一项关键挑战。 (a) 新开发的合金粉末，命名为CCRC-HP-1；(b)不同SLM铝合金的拉伸性能比较；(c) 使用CCRC-HP-1 合金粉末的 SLM 打印部件 SLM制造的高速磁悬浮交通转向架磁悬浮臂的剩余寿命评估 （2）资质认证 考虑到复杂的参数空间等因素，打印高密度、可预测性能、高可靠性和稳定性的零件是一项真正的挑战。增材制造铁路部件的迭代生命周期包括设计、打印机、原料、参数、后处理、性能测试方法、性能评估和工程应用。每个生命周期及其子步骤都会对随后的最终零件性能产生影响。还应注意的是，增材制造工艺选择是一个集成的迭代活动。例如，在设计过程中，构建因素包括零件尺寸、复杂性、特征分辨率、构建速率、原料、多合金、工艺经济性和成熟度。对于每种合金的使用，每种增材制造工艺都有其独特的优点和缺点，而且原料的可用性也各不相同。可以理解的是，考虑到安全影响，在铁路部门引入增材制造技术时，标准的制定至关重要。因此，资质成为增材制造零件生产和应用的关键环节。 影响增材制造铁路组件生命周期因素的详细流程图 目前，缺乏技术标准意味着无法保证给定增材制造产品的尺寸精度和性能。增材制造标准，包括原料、工艺、测试技术和质量控制，主要由ISO和ASTM承担。尽管已经发布了一系列增材制造标准，但疲劳性能和缺陷容限标准的缺乏使得增材制造认证变得困难，特别是对于特定行业。与铁路行业相比，增材制造标准在航空航天行业取得了进一步进展，这也是航空航天领域引领增材制造市场的主要原因之一。然而，与铁路领域相关的增材制造标准的制定仍处于起步阶段。 （3）经济可持续性 除了上面讨论的科学和认证问题外，铁路行业目前和未来对增材制造产品的应用障碍将是经济方面的考虑。对于铸造和冲压等传统工艺，零件通过模塑或加热或加压成型制成的，导致初始成本高昂。随着零件数量的增加，高昂的成本得到了分配，从而迅速降低了单位成本。由于避免了新零件的额外成本，因此单位成本不会随增材制造零件的数量而显著变化。因此，它比原型生产中的其他制造工艺便宜得多。 第一个增材制造的铁路部门安全关键部件（制动悬架连杆） 降低维护成本在铁路行业尤为重要，因为铁路行业的设计和制造迭代速度很慢，基于这些要求，减少实物库存中的零件库存并简化物流和整个供应链，将使增材制造技术在备件应用中更具吸引力 四. 铁路行业增材制造路线图 增材制造工艺技术的成熟、计算机和网络的快速发展以及竞争前的合作，是绘制铁路行业增材制造路线图的协同力量。在短期内，全球铁路运营商和制造商都可以采用增材制造进行翻新、维修和维护。修理传统制造的零件或制造备件，是减轻零件过时或交货时间长问题的机会。 增材制造高铁部件一体化设计-制造-评价框架流程图，主要包括四个主要步骤 从中期来看，增材制造可用于传统零件的重新设计、零件整合、拓扑优化或晶格结构的使用。在这里，驱动因素转向了对轻量化、减少材料浪费、降低生产成本和提高性能的需求。简化了冗长的开发时间尺度，以适应增材制造实现的更轻巧、更灵活的设计和结构。 增材制造路线图显示增材制造在铁路行业不同发展时期的可能应用 从长远来看，增材制造提供复杂的几何形状、结构重量减轻、定制设计、开发周期时间缩短、设计迭代快速和性能增强等优势。增材制造带来的复杂性不仅延伸到零件的几何形状，还延伸到零件内的微观结构，可能具有特定位置的属性。开发更快、更安全和更可靠的铁路系统是增材制造应用的主要驱动力。未来在铁路行业的应用可以充分利用增材制造的优势。多材料和多功能增材制造也引起了极大的兴趣，它有可能使设计人员能够定制组件。例如，增材制造工艺可以生产用于超高速轨道的部件，根据铁路轨道支架内部的应力分布改变孔隙率，可以生产具有梯度密度的定制轨道支架等。 结论 本文概述了增材制造在铁路行业的应用和研究，以及与增材制造铁路部件相关的挑战和前景。主要优势在于制造复杂零件、节省材料、缩短交货时间和快速设计迭代。综述了增材制造在铁路行业的近期研究和应用。目前，增材制造在铁路行业的应用还在很大程度上处于工程化的道路上。使用原始零件几何形状修复传统制造的零件或制造备件是目前的主要应用。由于传统零件不是为增材制造设计的，因此从材料特性的角度来看，增材制造替换零件将与原始零件不同。增材制造技术在铁路工程中缺乏认证标准、零件的结构完整性问题等可靠性差和其他限制是其广泛应用的主要挑战。然而，增材制造在复杂几何形状、结构减重、定制化方面具有极佳的设计潜力并支持快速设计迭代。未来，随着基于可靠结构完整性方法的增材制造材料、技术和标准的发展，增材制造将被用于建设更快、更安全、更可靠的轨道交通系统。 参考：Structural integrity issues of additively manufactured railway components: Progress and challenges 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，未经授权转载违规。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.六机构联合综述：铁路部件3D打印的结构完整性问题、进展与挑战（一） 2.3D Systems要收购Stratasys！潜在对手竟然还有这么多！ 3.北理工院士团队：采用国产多激光金属3D打印装备制备出高铁刹车盘 4.Formnext2023增材制造展金属粉末品牌展商预览

科技部于去年三月公布了“十四五”国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点专项（点击查看）2022年度项目申报指南，涵盖了基础理论和前沿技术、核心功能部件、关键技术与设备、典型应用示范等四大类26个项目。其中包含“大幅面纤维增强热塑性复合材料增材制造技术与装备”项目。 3D打印技术参考注意到，该项目由同济大学牵头，西北工业大学、上海电气自动化集团有限公司、西安航天复合材料研究所等8家单位共同参与。5月31日，同济大学新闻网发布该项目开始启动的通知。  该项目要求研究面向大型纤维增强热塑性复合材料构件的多丝束挤出增材制造成形机理及翘曲变形行为，发展大型纤维增强热塑性复合材料构件设计方法，攻克大型纤维增强热塑性复合材料增材制造的路径优化、多材料性能匹配、多工艺参数匹配、界面结合优化、成形精度控制等关键技术；研究增材制造复合材料构件非降级回收再制造技术和构件的性能评价方法；研制大型纤维增强热塑性复合材料构件增材制造装备。对于指标考核，要求： 1）研制纤维增强热塑性复合材料多丝束挤出增材制造装备，成形尺寸4000mm x 2000mm x 1000mm，成形效率比单丝工艺提升5倍以上，构件制造精度≤1‰； 2）增材制造构件纤维质量分数≥55%，层厚在0.1mm-1mm可调，层间剪切强度≥35MPa； 3）回收再制造复合材料力学性能不低于回收前性能的90%； 4）在航空航天、轨道交通等领域应用验证，制定大型纤维增强热塑性复合材料构件增材制造成形工艺标准和测试评价规范。   同济大学李岩教授任该项目的首席科学家，李岩教授在5月26日的项目的启动暨实施方案论证会上详细汇报了项目的实施方案, 项目围绕融合自动铺丝和3D打印大幅面连续纤维增强热塑性复合材料增材制造技术及装备，建立以机理和规律为支撑的构件设计、制造和装备一体化技术体系及应用验证平台，实现大幅面复杂复合材料构件的高性能、整体化和高效率制造，技术可推广。专家组对实施方案进行了审阅、质询和指导，认为该实施方案与项目任务书要求一致，技术路线、考核指标明确，项目课题设置合理；项目阶段目标和分工明确，计划安排基本合理；项目法人单位职责明确，交流检查机制健全，实施方案合理可行，一致同意通过实施方案论证。 3D打印可以非常精确的定位和定向连续纤维。因此，可以将纤维放置在产品内部的选定方向和位置，使其沿着指定载荷路径提供所需强度和刚度，形成内部结构的组成部分。这意味着纤维被安置在需要其发挥作用的任何位置，多条纤维甚至可以在整个零部件中形成一系列传感器。与此同时，由于3D打印不再需要工具或模具，因此它提供了一步制造方法来生产任何形状的连续纤维增强复合材料，从而取代了更复杂、耗时且昂贵的传统多步制造技术。 在国防应用领域，3D打印技术无疑提供了一种低成本、省时的方法来制造轻质、拓扑优化的结构部件。2021年3D打印技术参考报道了美空军研究室大力开发连续复合材料3D打印并用于无人机机翼成型的案例。2023年，3D打印技术参考注意到，德国宇航中心（DLR）结构与设计研究所为航空航天领域高性能结构件开发了全新的设计思路和相关制造工艺——热塑性复合材料增材制造技术，这是一种融合3D打印技术和自动铺丝技术的复合制造工艺。而对于十四五重大科研计划中的本项目，由航空背景的相关团队领导或可理解。 据航空科学技术杂志指出，连续纤维3D打印技术与传统的自动铺丝成形相比，自动化程度和柔性更高，对于典型的碳纤维／聚醚醚酮零件，研发周期可缩短至原来的1/30，生产速度可提高100倍。使该技术既可以用于大批量生产复合材料零件，也可以一次性打印高度复杂的几何形状或者需要极其精密制造的关键零件，被认为将颠覆航空复合材料结构的生产模式。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.“十四五”国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点专项2022年度项目申报指南发布 2.纤维复合材料3D打印入选“十四五”国家重点研发计划，附5款国内已商业化的打印装备 3.3D Systems要收购Stratasys！潜在对手竟然还有这么多！ 4.黑格科技重磅新品：专业级光固化桌面3D打印机，面向消费端

导读：3D打印技术参考注意到，来自墨尔本理工大学、悉尼大学、香港理工大学的联合团队（主要作者姓名有明显的中式特征）于5月31日在《自然》杂志发表了题为“Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing”的文章，其借助合金设计和3D打印，利用α–β钛合金中两种最强大的稳定元素和强化剂——氧和铁，开发出了一系列具有出色强度和延展性的钛-氧-铁合金。 www.nature.com/articles/s41586-023-05952-6 大多数工业钛合金都具有基于Ti的两个基本相的微观结构，即密排六方(HCP)α相和体心立方(BCC)β相，因此，按照基体组织可分为α型钛合金、β型钛合金和α＋β型钛合金。α型钛合金的室温强度不高，在低温和较高温度下组织稳定，不能进行热处理强化；β型钛合金未热处理即具有较高的强度，但热稳定性较差，不宜在高温下使用；α＋β型钛合金的综合性能较好，具有较好的强韧性，能够在高温下使用，最多使用的就是Ti6Al4V，可谓是钛工业的支柱。 α＋β型钛合金通过将Ti与α相和β相稳定剂合金化而成。α相稳定剂仅限于Al、N、O、C、Ga和Ge，其中N和C是严格控制的杂质，而Ga和Ge无法满足商业低成本使用要求。因此，Al和O成为钛α相和β相的两种最强大的稳定剂和强化剂。需要注意的是，O比Al对α相的增强作用强约20倍，对α相的稳定作用强约10倍，在凝固过程中对于β晶粒的生长限制能力强40倍。然而，O的这些属性在α＋β型钛合金的开发中未得到充分利用。 O作为Ti中主要的α相稳定剂的问题是它的脆化效应，它在变形过程中与位错有强烈的相互作用。此外，O会改变相平衡，促进脆化相的形成。这些限制导致工业钛合金的设计需要遵循相关规则。Fe是Ti中的β相最有效和最便宜的稳定剂，但Fe的使用也会产生导致影响机械性能较差的β斑点。因此，在一些工业钛合金中，Fe的使用量会受到限制。 尽管如此，O和Fe的上述优势也吸引了大量团队来努力开发α＋β型Ti-O-Fe钛合金以作为Ti6Al4V的替代品，最初期望是在钢锭开裂热加工操作期间改善热加工性和表面质量。这些努力取得了不同程度的成功，一些合金在热加工和退火条件下都表现出与Ti6Al4V相当的拉伸性能，但在铸态条件下的拉伸强度和延展性较低。 《自然》杂志最新的研究介绍了在Ti中结合使用O和Fe的另一种考虑，研究人员试图通过将合金设计概念与增材制造工艺相结合来规避Ti与O、Fe合金化所带来的冶金挑战。目标是通过增材制造创建一类新型的高韧性和高强度的α＋β型Ti-O-Fe合金。 根据合金中钼元素的含量，在Ti中添加3.5%的Fe可以通过淬火将先前的β相保留到室温。根据经验规则，最大O含量设定为0.7%（大多数Ti合金在氧含量超过0.7%时会失去拉伸延展性）。因此，在Fe含量为3%的前提下，分别实验氧含量为0.15%、0.35%、0.50%、0.70%共四个水平的十种合金。在增材制造工艺方面，选择了激光金属粉末定向能量沉积(DED)，在高保真模拟的帮助下，可以制造具有一致微观结构的大型近净形部件。 所设计的十种合金 DED打印的Ti-O-Fe合金试样、打印过程中的热历史、由模拟确定的处理窗口以及微观结构 DED打印的Ti-O-Fe合金在室温下的拉伸性能，合金成分不同但加工条件相同 DED打印的α-β Ti-O-Fe合金中O和Fe原子的分布  用于通过激光DED制造合金的原料粉末包括氩气雾化商业纯钛 (CP-Ti) 粉末（50–100µm）、水雾化铁粉（20–50µm）和 TiO2粉末（<5 μm），其中CP-Ti 的成分为Ti–0.13O–0.15Fe。 研究人员结合合金设计、计算模拟和实验表征绘制了增材制造工艺与以前未报道的α＋β型Ti-O-Fe合金的微观结构和性能之间的关系。通过计算模拟了DED过程，并使用计算热力学方法和量子力学方法分别检查合金的热力学和电子结构。然后，使用激光能量沉积制造合金试样，并使用先进的电子显微镜和原子探针显微镜对它们进行拉伸机械测试和成像。 研究表明，所开发的Ti-O-Fe合金包含稳定的α相和β相，可以使用多种参数进行3D打印。合金的微观结构非常理想，其中约70%的体积为富氧α相，约30%由细小的富铁β相晶粒组成。所开发的α＋β型Ti-O-Fe合金具有0.3-0.5%的氧重量，比具有相似延展性的Ti-6Al-4V合金强度更高，因此在室温下具有多种应用潜力。 调整3D打印工艺来获得没有不良微观结构特征（如β斑点）的合金是一项重要进步。然而，本研究所开发的合金仍然存在抗拉强度和延展性之间的平衡，当氧含量超过0.5%时，其延展性会降低，但强度会更高。同时值得注意的是，该研究所采用的主要原材料是一种低成本的海绵钛，将它们用作3D打印粉末生产的原料有可能显著增加价值并减少钛工业的碳排放。  注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.Nature最新：使用3D打印以微尺度空间分辨率开发新材料 2.2023年首篇Science：实时检测3D打印缺陷，预测率100% 3.SLM Solutions将向用户提供首批回收再制造的钛合金粉末 4.激光+电弧混合增材制造新工艺 | 哈工大团队取得重要研究进展