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

基于从提高零件制造质量到支持更大几何复杂度的考虑，人们对多轴增材制造的兴趣显著增长。最为知名的是由Relativity Space开发的世界最大金属3D打印机，它基于定向能量沉积技术，拥有三只庞大的机械臂，一只用来熔化金属丝进行增材制造，另两只则用以进行减材加工。其典型的成就就是通过这台打印机来制造整枚火箭。 3D打印技术参考还于视频号推送了美国橡树岭国家实验室的3机器人定向能量沉积大型金属3D打印机，依赖于多机器人和旋转台协同，同时打印，极大提高了大型金属零件的生产速度。该实验室表示，将使用更多机械臂（如多达6个）来进一步提高零件的沉积效率。 橡树岭国家实验室的3机器人定向能量沉积大型金属3D打印机  这一突破随之而来，笔者注意到橡树岭国家实验室制造科学部的研究团队最新公布了一种使用8轴工业机器人的5轴增材制造工艺，并通过构建板旋转实现零件成形的方法。在研究中，采用激光定向能量沉积打印了四个验证零件，高度超过500毫米、重44公斤、无支撑悬垂达45°的演示零件，从不同的角度证明该技术的制造潜力。 需要验证的零件结构 橡树岭国家实验室的团队开发了一种切片技术、过程控制方法和多轴系统，支持使用激光热线能量沉积工艺打印中等复杂度的大型Ti-6Al-4V结构。系统的主要组件包括带有两个10kW光纤传输二极管激光器的透射光学器件，其输出经过光学组合，总功率为20kW、丝材预热系统、送丝机、环境控制系统、运动控制系统。运动控制系统由安装有打印头的KUKA KR-90 6轴工业机器人和提供构建板倾斜和旋转的KUKA DKP-400 2DOF定位器组成。所有部件均使用Ti-6Al-4V线材作为原料进行打印，并在完全惰性环境以最大限度地降低打印部件上的氧化水平。 研究中所采用的工艺控制方法包括熔池尺寸控制和层厚控制。在熔池尺寸控制方面，采用了实时监控策略，使用轴内NIR相机监测熔池，该相机通过激光光学系统的二向色镜接收来自熔池的发射。对图像进行处理可产生由等温线定义的熔池大小信号。实时调控激光功率可以以控制熔池大小，事实证明，实时控制熔池尺寸对金属能量沉积有多种好处，包括实现高度的净形几何控制，并且这对于悬垂几结构的打印也具有重要意义。使用基于传感器的测量方法和前馈控制技术进行层厚控制。该方法包括对打印几何结构的层间扫描、层高度图的生成以及当打印头在高度图中移动时对后续层上的送丝速率进行调制，纠正与层标称预期高度的高度偏差。 验证零件实物 最终，研究团队完成了所有测试几何结构的打印，其中悬垂测试打印了两次，一次没有构建板倾斜，一次有构建板倾斜，通过构建板旋转打印的零件被认为非常成功。未使用构建板旋转打印的悬垂结构的主要失效模式是工艺和几何稳定性遭到破坏，在凝固之前熔池从零件边缘发生了滴落，飞溅量的增加也很明显，几种不稳定因素联合出现可能导致熔融金属从沉积点喷出。此外，5轴零件的的关注项目之一是机器人在执行5轴运动时的轨迹规划和速度控制；多层多道结构的打印代表了为具有复杂性和内部特征的各种应用部件可能需要的策略。 在打印过程中旋转台未倾斜导致打印失败 大规模（或大尺寸）金属增材制造正在成为工具和最终用途零件的主流生产技术，特别是在用于生产传统长周期产品如模具或作为机加工零件预成型件的铸件或锻件替代方法方面。在航空航天工业中，金属增材制造正被用于生产更高效的零件预制件并减少废料，特别是对于Ti-6Al-4V等高价值材料。在国内，最为知名的是王华明院士团队采用该工艺制造的大尺寸飞机机身整体加强框。 根据所选工艺，金属增材制造还可以提供更大的几何复杂性并实现小批量生产。虽然激光粉末床熔融或粘结剂喷射等金属增材制造工艺支持更高的零件复杂性，但定向能量沉积是一类具有高速率、大尺寸金属结构构建能力、足够分辨率和几何复杂性的技术，其用途广泛。 王华明院士团队采用该工艺制造的大尺寸飞机机身整体加强框（来自CCTV4） 定向能量沉积根据原料分为两类，即送丝工艺与送粉工艺，前者可以通过热源进一步细分为单激光、激光热丝、电弧和电子束工艺。橡树岭国家实验室的研究团队指出，与电弧增材制造 (WAAM) 相比，作为激光能量沉积具有显著优势，包括将原料输送和热源控制，实现高度的几何和热过程控制。此外，激光沉积过程具有较低的烟雾和飞溅，金属预制件也会具有更出色的表面质量，这为打印后处理阶段所需要考虑的工具磨损、成本等带来了优势。 为了实现更大更灵活的工作空间，激光送丝能量沉积经常部署在6轴工业机器人上，并且该领域对开发新的机器人系统实现构建体积大小、吞吐量和几何复杂度的组合方面产生了浓厚的兴趣。新兴方法包括使用外部运动轴、多个机器人串联工作、机器人和龙门系统的组合以扩展构建范围，以及使用移动机器人。 除了机器人系统本身之外，还必须发展必要的3D打印切片和工艺规划技术，支持系统和零件的复杂性，这是一个多智能体系统和先进切片方法的协调的领域。 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; 硕博千人交流群：248112776；网址：  延伸阅读： 1.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 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.电弧增材如何实现基于三维数据的离散堆积或层叠3D打印？

增材制造技术越来越多的应用于航空航天、医疗保健、汽车和能源领域。尽管具有良好的设计灵活性、较短的交货时间和较高的材料利用率，但铁路行业对增材制造的应用与航空航天和汽车行业相比仍有一段差距。此外，各种增材制造组件在维护、优化设计和生产中的作用尚不完全清楚。 近日，3D打印技术参考注意到，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。   (a) 火车转向架中使用的候选部件；(b) 防侧倾系统支撑的拓扑优化流程图  一. 增材制造对铁路行业带来改变 与传统制造技术相比，增材制造将3D制造转变为简单的自下而上的2D层沉积，从而大大降低了设计和制造的复杂性。可以快速生产出几乎任何形状的零件，这是增材制造的核心优势。 （1）设计自由度高  由于3D零件是逐层构建的，因此在设计零件时，不再需要考虑传统的设计规范，例如底切、工具进入和拔模角度。这为设计师提供了前所未有的设计自由度，可以轻松创建非常复杂的几何零件。结合拓扑优化和其他设计工具，增材制造可用于生产性能优异的轻量化零件。它还提供了整个部件的微观结构和成分变化的可能性，以局部定制属性。  （2）缩短交货期 作为一种数字制造技术，增材制造过程依赖于使用数字工作流程，无需工具（如模具）来构建零件。以前，获得原型可能需要几天或几周的时间，而增材制造将其缩短到几个小时。增材制造支持的一步制造减少了其他工艺的使用，如机加工和焊接。尽管有些零件需要更长的后处理时间，但与传统制造工艺相比，增材制造小批量生产最终用途零件的能力仍然可以节省大量时间，并能够按需制造，从而避免可能会损坏的产品的可能性和最终变得过时/过剩。 （3）材料浪费减少 提高原材料和最终组件之间的重量比对于减少制造的经济影响至关重要。对于通过CNC铣削等减材制造制造的物体，在极端情况下，不到5%的原始材料可能构成成品部件，从而产生高达95%的废物。增材制造工艺通常会产生更少的浪费，因为材料只在必要时熔化，而且大多数原材料都可以回收利用。在激光熔化过程中，该过程生产出接近最终形状的零件，导致废品率约为5%。需要注意的是，增材制造原料可能无法完全回收，支撑材料和后处理加工也会产生废料 （4）原型制造风险降低 原型制作成本是设计师最关心的问题。即使是制造过程中的微小变化也可能对时间和成本造成巨大影响。在生产昂贵的组件（例如模具或工具和夹具）之前，通过增材制造制作的原型验证设计可以消除原型制作过程中的重大风险。 （5）小批量生产更具成本效益 如果需要数以千计的重复零件，设计模具可能是最经济的方式。但是，如果只需要少数相同的零件或过时的备件（不再制造的旧零件或制造商不再营业），增材制造可能是最经济、最快速的生产方法。增材制造不需要工具，使其成为小批量生产的最合适选择。增材制造不仅适用于需要一次性生产的定制零件，也适用于按需制造零件。它允许企业根据需要生产备件，从而减少对仓库空间和成堆备件的需求。 二. 增材制造技术在铁路行业的应用 经过30多年发展，增材制造技术已广泛应用于许多领域，然而应用于铁路行业却是在最近十年才发生，许多铁路公司和研究人员已经开始考虑在本行业中使用该技术。相关应用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。  （1）损坏零件修复在铁路车桥装配、卸车、运行维护过程中，车桥的轮座、齿轮座、轴身等部位会受到划伤、凹痕、微动磨损等，激光熔覆广泛用于局部损坏部件的快速修复和再制造。 铁路车轴的激光熔覆  激光熔覆铁路轴材料   2010年，澳大利亚Hardchrome Engineering Pty Ltd首次提出利用激光熔覆技术对铁路车轴进行试修；2013年，皇家墨尔本理工大学针对轴面损伤开展了基于激光熔覆修复轴颈位置的研究；2017年，焊接研究所 (TWI) 检测了大型金属部件的激光熔覆工艺，该项目证明了激光涂层对铁路车轴的适用性；中国中车、西南交通大学等国内机构也探索了激光熔覆用于铁路车轴修复的研究，相关研究旨在为电动多单元车桥的再制造选择最佳工艺参数，以满足车桥的机械性能要求和轮对压装条件。除了铁路车轴，激光熔覆还被用于修复铁路车轮踏面、辐条板、齿轮箱等，并取得了一些成功。  （2）更换常规零件在许多情况下，铁路公司所需备件的生产可能已经停止。此外，还必须考虑列车每天停运所产生的成本。为了解决这些问题，增材制造成为及时且低成本生产过时备件的一种选择。德国国家铁路德国铁路DB公司在2015年就将增材制造技术应用于铁路设备的运维，其为每个维护车间配备了至少一到两名增材制造专家，确定哪些部件可以有效打印；瑞典SJ AB列车运营公司也部署了该技术用来生产过时零件。  (a) 使用 WAAM 技术打印二次挡辊的过程；(b) WAAM 打印的近净形轮对轴承盖；(c) 打印的 转向架连接器使用增材制造技术快速生产模具也是铁路行业的重要应用，采用砂模打印无需其他工具即可快速生产原型和所需要的零件。除此之外，该技术的定制制造特点还可以减少对外包工具的以来，西门子移动在其 RRX铁路服务中心采用增材制造来生产工具。 （3）优化设计 近年来，增加有效载荷和降低维护成本一直是铁路行业提高效率的最大问题。有效载荷的效率可以通过有效载荷比来量化，铁路部件的重量优化设计是提高有效载荷比的一种方法。   (a) 二级垂直阻尼器座(b) 抗蛇形阻尼器座 (c) 横向止动器的拓扑优化流程图  基于增材制造复杂晶格结构零件设计流程图  虽然增材制造技术可以提供更多的设计自由度，但传统零件（设计用于铸造或其他CNC加工技术的零件）无法充分利用该工艺。在增材制造可行性研究中，克诺尔制造了一种用于铁路打磨系统的创新控制面板功能载体，该面板比传统的铝面板轻90%，允许更紧凑的组件排列方式。在低地板车辆和未来可能的铁路应用中，这是一个极具吸引力的解决方案。越来越多的案例证明，增材制造与结构优化相结合，包括集成设计、拓扑优化和点阵结构，可以在结构轻量化、装配集成等方面取得突破。 注：下篇将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。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，转载请联系授权，侵权转载会违规。 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.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 2.华曙高科-重磅发布批量金属3D打印系统FS511M和FS350M 3.金属3D打印专家铂力特与西门子签署战略合作协议 4.占地27亩！汉邦科技金属3D打印装备研制基地一期项目开工建设

导读：去年，弗劳恩霍夫激光技术研究所开发了一种将电弧增材制造和激光沉积融合在一起的混合金属3D打印技术，这种被称为COLLAR Hybrid的工艺能够提高焊接速度、获得更优的表面质量并推动电弧金属3D打印的应用。3D打印技术参考注意到，哈工大团队采用同样的工艺取得了研究进展。 线材和电弧增材制造 (WAAM) 是一种基于线材的增材制造方法，使用电弧（如惰性气体保护焊、钨极惰性气体保护焊和等离子弧焊）作为热源。近年来，随着技术成熟度的提高和产业发展的需求，电弧增材制造以其对设备要求低、运行成本低、沉积速率高（可达9kg/h）和相当的机械性能等综合优势越来越受到关注。 在焊接领域，激光的引入对稳定电弧行为和提高工艺稳定性的有益作用已得到广泛认可。去年，弗劳恩霍夫激光技术研究所开发了一种将电弧增材制造和激光沉积融合在一起的混合金属3D打印技术，这种被称为COLLAR Hybrid的工艺能够提高焊接速度、获得更优的表面质量并推动电弧金属3D打印的应用。近日，笔者注意到哈工大陈彦宾教授课题组开发了一种基于线材的激光-电弧混合增材制造 (LHAM) 工艺，并将其用于制造Al-Mg-Sc合金薄壁。   激光辅助电弧增材制造 需要注意的是，当前铝合金电弧增材制造正在加速得到应用。含钪元素的铝合金（Al-Sc合金）因其在强度、焊接性和耐蚀性方面优于传统铝合金而备受关注。由于Al3Sc颗粒和基体之间的晶格失配差异很小，因此在铝合金中添加少量Sc可以显著细化组织，从而提高力学性能。然而，由于Sc的价格昂贵，Al-Sc合金的应用在过去一直受到限制。对于传统的减材制造（如车削、钻孔、镗削、铣削、铰削），大量材料在加工过程中被丢弃，这对于昂贵的Al-Sc合金来说是无法接受的。3D打印为制造该合金提供了一种有效的解决方式，不仅可以节省材料，避免浪费，还可以制造更为复杂的结构。而采用电弧增材制造，则为大型铝合金的制造带来了可能。 Al-Mg-Sc 合金的 LHAM 实验装置 对于铝合金的激光-电弧复合焊，电弧形成的熔池降低了铝合金对激光的反射率，激光诱导等离子体具有压缩、引导和钉扎电弧的作用。激光和电弧这两种不同性质的热源的协同作用，可以使焊接过程更加稳定，优化焊缝形貌。据此，一些学者探讨了激光-电弧混合增材制造提高铝合金表面质量的可行性。同时，激光的加入可以促进熔池的流动，有利于细化晶粒和强化性能。因此，LHAM将是制造铝合金薄壁的一种有前途的方法，特别是对于昂贵的Al-Sc合金，这需要可接受的材料利用率以及可观的沉积速率。 沉积薄壁的表面形貌（最左侧采用了混合热源） 具有不同化学成分的各种铝合金，包括包括Al-Cu、Al–Mg和Al–Si合金都能够通过电弧增材制造技术制备，基于冷金属转移，该工艺具有热输入低、材料飞溅少、可操作性好等技术优势。而铝的电弧增材制造由于高热量输入容易导致出现粗大晶粒，机械性能低于预期。此外由于阶梯效应，元件表面会出现波动，当施加低电流时，这种现象通常会变得更加明显。为提高表面质量并改变微观结构和机械性能，通常会采用控制热输入和层间温度以及额外的铣削等方法来实现。然而它们的作用是有限的。因此，需要一种更稳定的高沉积速率线材增材制造工艺来构建结构合理、性能优越的铝合金薄壁部件。 研究人员系统研究了激光+电弧混合工艺制造Al-Mg-Sc合金的宏观形态、微观结构特征和机械性能。由于激光对电弧行为的稳定作用，沉积零件的的表面质量得到显著改善。在相同的热输入条件下，混合热源制备的沉积物显示出细化和均匀的微观结构。显微硬度结果表明，由于微观结构均匀且镁的烧损较少，混合热源制备的样品具有更高且更稳定的显微硬度分布，同时所制备的零件的各向异性更小。 沉积薄壁的横截面形态（最左侧采用了混合热源） 每层沉积物的宽度，混合热源熔池最为均匀 不同工艺沉积零件的拉伸特性 总的来说，本研究对比了在相同电弧电流和相同热输入以及电弧、激光双热源条件下沉积样品的表面形貌、微观结构和力学性能，展示了双热源工艺的有益效果，并为线材3D打印Al-Mg-Sc合金的微观结构和机械性能提供基础研究。同时，本研究也证明了国内在激光辅助电弧增材制造研究和应用方面处于国际同等水平。 文章： https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.110674 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.重点关注：黑格科技将推出消费领域桌面3D打印机 2.机械臂砂型3D打印机和智能化产线，峰华卓立推动铸造产业升级 3.智能制造，共创未来│3D打印专家铂力特与西门子签署战略合作协议 4.华曙高科-重磅发布批量金属3D打印系统FS511M和FS350M

由于设备和组成材料的技术进步，复杂陶瓷结构的增材制造在过去几年中得到了极大的发展。由于市场上出现了新的3D打印设备，在可用的非直接制造技术中取得了明显进展。这些技术能够以更好的方式处理液体或粉末床，实现高分辨率零件制造。 1. 氧化物陶瓷与非氧化物陶瓷的3D打印工艺不同 零件生产的加速首先从最常见的氧化物陶瓷开始，对于这些材料，已成功制造出用于生物医学、多相催化、太阳能、滤水器、热管理、多孔燃烧器、汽车等领域。这些组件主要由立体光刻(SLA)生产，由于其良好的光学特性，该技术对许多氧化物粉末都是成功的。非氧化物陶瓷难以以这种方式加工，因为此类陶瓷粉末通常不透明、吸收或反射紫外光，不允许光聚合物进行适当的光固化。文献中很少有通过立体光刻工艺制造非氧化物陶瓷生坯的例子，只有少数如分散碳化硅(SiC)粉末的光固化浆料立体光刻的例子。另一方面，使用与光固化聚合物混合的前陶瓷前驱体，在碳化硅部件的立体光刻3D打印方面开展了几项工作。 光固化3D打印的陶瓷（来自lithoz） 将聚合物的增材制造与传统的陶瓷加工路线相结合也是研究的方向之一，例如聚合物生坯3D打印，然后进行聚合物渗透和热解；通过粘结剂喷射和热解进行生坯3D打印，然后进行聚合物渗透和热解；其他还有化学气相沉积、渗透或活性硅渗透的研究；此外，还有一个有趣的应用是在干碳化硅-硅粉床上采用选择性激光烧结(SLS)。硅用作碳化硅粉末的结合相，通过向预成型件提供额外的碳，通过反应键合进一步转化为碳化硅。这些技术各有优缺点，在这些优势中，其中一些易于使用并且已经工业化，可以实现高精度零件制造。对于缺点，在生坯制造中，不可能在复杂的陶瓷结构如蜂窝结构中实现高分辨率。对于光固化聚合物和SiC粉末的直接立体光刻，主要缺点是粉末的不透明性，不允许高粉末填充。 2. 一种新颖的混合增材制造工艺 在过去20年，瑞士南部应用科学与艺术大学(SUPSI)的混合材料实验室(HMLab)一直在对陶瓷进行前沿研究。2019年，HM实验室负责人Alberto Ortona教授已经展示了多孔3D打印技术在陶瓷材料方面的潜力。当前，Ortona教授的一名博士生Marco Pelanconi在陶瓷3D打印方面取得了新进展。 该团队提出了一种新的混合方法，该方法利用激光烧结结合聚合物渗透和热解。除了使用热塑性粉末的工艺成熟度和成本之外，这种方法的显著优势在于可以通过调整几个SLS参数来控制塑料预成型件的微孔率。通过调整预成型件的微孔率，能够控制在第一个浸渍周期中渗入预成型件的陶瓷前体聚合物的量；由于热塑性聚合物和陶瓷前体聚合物的陶瓷产率不同，可以在第一个热解步骤之后控制预成型件的收缩。之后，在大约1000°C下发生热解获得陶瓷转化，通过熔融硅渗透实现最终致密化，获得高密度的陶瓷部件。 采用SLS工艺打印混合粉末 SLS工艺打印陶瓷的机理 研究团队相信，了解哪些构成材料的特性将有助于进一步设计和制造复杂陶瓷制品，通过上述混合方法已成功制备碳化硅陶瓷。这个过程允许制造复杂的SiC周期性结构，具有高分辨率和比迄今为止开发的更小的单元。 3. 具有开放参数的孔隙度控制 该研究团队使用了Sintratec开发的SLS 3D打印机，能够改变包括粉末表面温度、层厚度、激光速度、扫描间距等工艺参数，从而轻松控制3D打印部件的孔隙率。通过改变这些参数，SUPSI大学的材料工程师能够获得理想的孔隙率（对于进一步渗透至关重要），从而获得高质量的零件。 SLS工艺打印陶瓷 SLS工艺打印陶瓷 在材料选择方面，研究团史使用两种材料制造最终陶瓷部件：PA12与SiC。PA12的黑色球形粉末用于聚合物预成型件的3D打印。PA12是一种适合用SLS技术加工的热塑性和半结晶材料，密度为1.0g/cm3，通过改变SLS工艺的参数可以定制成品的微观结构和性能。SiC的前体用于渗透聚合物预成型件并在热处理后产生最终的SiC产品。 4. 制造复杂的陶瓷结构 为了说明这种方法如何用于特别复杂的形状，Pelanconi的研究集中在两种具有不同拓扑结构的圆柱形多孔结构：旋转立方体和陀螺仪。在用PA12打印并随后转化为陶瓷后，所得部件表现出出色的机械和热性能，收缩约25%，可保持原始形状，没有变形或宏观裂纹。根据Pelanconi的说法，通过进一步的工艺优化，它们仍然可以提高双轴强度。 研究人员去除生坯粉末 采用混合工艺打印的陶瓷零件 END 研究人员表示：“这些类别的材料具有钢无法提供的无与伦比的热机械性能，如耐高温、高抗氧化性、高抗热震性和高强度。” 陶瓷非常适合用于极端环境，如热交换器、催化剂载体、蓄热器、燃烧器或航空航天。归功于可从范围广泛的预陶瓷聚合物中获得许多不同的陶瓷材料这种新颖的混合制造工艺可以被高科技行业利用。 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.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 2.无需脱脂烧结，重点实验室采用高精密陶瓷FDM 3D打印研制介质天线 3.主流3D打印工艺制备SiC陶瓷的优缺点及国产方案带来的新突破 4.2300万！燕山大学陶瓷增材制造课题获科技部国家重点研发计划支持

注：本文内容由峰瑞资本委托发布，作者：颜黔杭。 十余年前，3D打印风头正盛。2012年，美国《时代周刊》将3D打印产业列为“美国10大增长最快的工业”。同一年，中国3D打印技术产业联盟正式成立，多地建设3D打印产业园区。2013年，德国提出工业4.0发展战略，旨在提升制造业的智能化水平，而3D打印是4.0战略中的关键一环。 淡出公众视线之后，3D打印并没有停止发展的脚步。 2019年，通用航空研发出世界上第一台采用3D打印组件的涡轮螺旋桨发动机。2022年，生物3D打印机制造出了心肌组织与毛细血管。2023年，Meta（原Facebook）宣布开发一款配备最新版OpenAI人工智能的3D打印机器人。 本月，中国的研究团队，通过干细胞分离、工厂化培养与组织化构建技术，用细胞培养出大黄鱼组织仿真鱼排。 3D打印过去数十年经历了怎样的发展？如今在哪些领域落地？未来又会有怎样的发展？在本篇报告，我们将聚焦3D打印，探讨以下问题： 3D打印如何与最新的AIGC技术相结合？ 为什么3D打印最先在航空航天和牙科落地？ 生物技术和3D打印相结合，会碰撞出什么样的火花？ 为什么说混合加工是3D打印的未来？ 3D打印有哪些优势和劣势？ 希望能带来新的思考角度。如果你也关注3D打印，或者在前沿科技领域创业，欢迎联系本文作者，峰瑞资本副总裁颜黔杭（qianhang@freesvc.com）。 互动福利 你认为3D打印会创造哪些新的机会？欢迎在评论区和我们聊聊。留言最走心的5位用户将获得《3D打印：从想象到现实》这本书。本书讲述了3D打印技术的突破性发展。期待你的分享~/ 01 /3D打印，给AI配上了双手 我们可以把3D打印理解为“聚沙成塔”。3D打印又称为增材制造，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、塑料等其他材料逐层铺设打印，最后形成三维物体的制造方法。 无论是零维的点，一维的线，二维的面，最终都能聚合形成三维的实体。  就像在日常生活中，小孩子会用沙堆城堡，用积木搭建出想要的形状。我们可以把沙子理解成零维的点，被不断累加、堆叠之后，沙子就变成了三维的状态。 3D打印的起点是数字化的模型，终点是现实的物理实体。因此，3D打印相当于几何模型到真实物体的现实映射。3D打印和当下热门的大模型非常适配。人们可以通过大模型输出设计模型，再由3D打印机把物品制造出来。如果说AIGC与大模型是给AI配上了一支画笔，3D打印技术则是给AI配上了在现实中凭空制造物体的手。 2022年12月，OpenAI曾发布Point-E模型，只需几秒钟即可根据文本生成3D资产。 2023年5月，OpenAI再次发布了升级模型Shap-E，能够生成更高质量的模型。通过3D打印技术，这类由AI快速制作的3D资产，就能自动转化为物理世界中的真实模型。  ▲OpenAI发布的升级模型Shap-E生成的3D资产。图片来源：github 而Meta（原Facebook）也于2023年宣布开发一款配备最新版OpenAI人工智能的3D打印机器人。  ▲图片来源：3dnatives.com 关于3D打印的话题，近年来的讨论已经逐渐从过去30年的制造与材料科学的视角，转向了全新的领域。人工智能在3D打印领域的飞速应用，挑战了传统的3D模型制作方式。传统的制作方式，大多依赖设计师与工程师的专业能力。 借助于AIGC以及AI 3D扫描重建应用，即使是初级用户，也能轻松地创建大量属于自己的3D模型资产。 而ChatGPT这类具备逻辑能力的大语言模型快速崛起，让我们看到了通过简单语言交互即可实现3D打印工作的可能性。甚至在传统复杂的3D打印工艺编程上，大语言模型也展现出巨大潜力。未来，这类大语言模型能成为用户3D打印时靠谱的“老师傅”。 人工智能与3D打印，让人们打开了对未来的想象空间。然而，相比于借助其他领域的新技术，3D打印当前面临的核心工艺问题，比如力学性能有限以及表面精度不足，仍需由3D打印技术自身来解决。 这些挑战意味着新的技术创新机会。无论是从创业，还是投资的角度，抓住能解决当下3D打印工艺与应用局限的新技术，或许就拥有了成功的入场券。 / 02 /3D打印背后的工业哲学：减材VS增材 现代3D打印技术从何而来？  ▲图片来源: scitechdaily 日本名古屋市工业研究所的久田秀夫（Hideo Kodama）发明了利用大桶光敏聚合物成型的三维模型增材制造方法。 1980年5月，久田秀夫申请了与该技术有关的第一项专利。 1983年，美国人Chuck Hull成功发明SLA打印技术（Stereo Lithography Appearance，光固化成型技术），通过激光来催化光敏树脂成型，并制造出3D打印部件。 1986年，Chuck Hull基于SLA技术，创立3D systems copration。 1987年，公司推出了世界上第一台商业3D打印系统。 之后二十多年，各类新的3D打印技术（FDM、SLM以及CLIP等）不断诞生，打印的基础材料也从光敏树脂拓展到了金属粉末、生物墨水以及混凝土等等。 早在3D打印技术还没有爆红的2003年，隐形矫治就已经在运用3D打印技术制造牙齿模型。可以说，隐形矫治领域，是最早采用3D打印技术，实现批量化生产商品的民用细分领域之一。我们会在下文详细展开为什么3D打印机会最早广泛应用于牙科领域。 2008年，第一次有人穿戴3D打印的假肢（比如膝盖、脚、关节等）走上街头。 2012年，3D Systems推出世界首款开箱即用3D打印机Cube。  ▲Cube打印机&打印出的物体。图片来源：Amazon 随着2008年FDM和2013年SLA的关键专利到期，相关技术逐步开源，消费级3D打印市场迎来诸多新玩家，3D打印第一次出圈走到了大众面前。 在硬件方面，自2014年开始，消费级3D打印机热潮涌起，创想三维、3D Systems等公司推出更具性价比和易用性的产品，人们开始展望3D打印技术走入各行各业、家家户户的未来。 一场即将颠覆的制造技术革命正在酝酿之中。人工智能带来的智能化以及硬件的不断进步，让3D打印技术的爆发看起来指日可待。 然后，过去近十年，3D打印仍然像一种稀有商品，仅在工业的某些特定领域以及海外极客的工作室中出现。 关于3D打印的质量、材料、用户体验以及有限的应用场景等问题，一直存在争议，但这并未阻止3D打印技术的发展。在牙科及航空航天领域，3D打印新技术稳扎稳打，为行业实实在在降低了成本，提高了效率。 我们在上文提到，3D打印有个别称之一叫增材制造。工业制造领域有两大类制造思路，一种是减材制造，另一种就是增材制造。 减材制造起源于工业革命。火车、轮船、电机以及汽车等传统机械产品，都是减材制造的产物。减材制造通过各种方式切割、去除原始材料，制造出零部件与工具。这个过程中，材料会损耗。比如现代金属制造业，使用的车、铣、刨、磨、钻等切割工艺，就是减材制造技术。 而在3D打印过程中，材料不断增加成型，正好与减材制造工艺相反，因此被称为增材制造。 从本质上，减材与增材最根本的区别在于，减材的材料与成型过程是解耦的，而增材的材料与成型过程是耦合的。耦合和解耦是系统工程中常用的概念。 耦合可以理解为各个部分之间的连接程度，在高耦合的系统中，各部分之间的依赖性强。在低耦合系统中，各部分之间相互独立。解耦是指将高耦合的系统改成低耦合的系统。 用减材的思路生产物品时，无论是使用了什么锻造方式或者处理工艺，从最初的材料到成型的物品，都近似保持了原有的材料力学特性和强度。 例如制造减速箱齿轮，所用的材料是经由齿轮钢材锻造而成的齿轮毛坯，然后再进行切削处理，得到最终的成品。最终，齿轮的材料力学性质主要由毛坯决定。 增材则是一个耦合的过程，物件最终的力学性能和微观结构与成型工艺息息相关。骨科植入材料是非常典型的例子。人们通过改变材料的孔隙率，调整植入材料的强度，从而更适配不同类型的人体组织。这是普通的金属材料加工技术很难实现的。 具体而言，两种工具制造思路各有优劣。 减材的优势在于，适用于大批量生产；成型精度更高，表面质量更好；减材类型的打印技术已经成熟，门槛低；利用减材技术打印的产品，有更好的成品力学性能。 减材的劣势在于，很难加工结构复杂的或者微型的零件。其次，如果使用减材技术，材料利用率相对较低。比如，在航空制造领域，以飞机中框架为例，需要用大约3吨的毛坯材料，才能制作成150kg的成型零件。  ▲图片来源：NC Military Business Center 增材适用于小批量生产；加工性强，能制造极端复杂的几何结构。增材制造的利用率高，制造流程简单。 比如，在牙齿正畸领域，制作牙齿模型、人工牙冠以及牙齿贴片等等，如果利用传统方法，制作周期往往需要6到7天，如果采用3D打印，制作时间会缩短到数十分钟。 但增材的劣势也很明显，加工出的物品力学强度可能有限，整体质量可能不如使用减材技术制造的产品。比如，常见飞机发动机叶片对应的金属材料，很难用3D打印来实现。发动机在严酷的高温工作环境中作业，需要单晶钛合金这类非常特殊的金属材料进行减材成型，才能满足发动机的性能要求。 理解了增材和减材背后的底层逻辑，我们就能更清楚地意识到为什么3D打印还存在一些缺陷，以及为什么现在3D打印能够在部分行业应用，而没有被更广泛地应用。 / 03 /3D打印的流程 了解了3D打印的发展历史，我们再来把目光聚焦到3D打印的具体流程。与传统制造工艺相比，3D打印流程并不复杂，包含模型设计、加工规划、打印成型以及后处理这四大步骤。借助这些步骤，3D打印把数字世界，映射到真实物理世界。 ▍模型设计 在模型设计阶段，3D打印主要利用创成式设计这种技术。 创成式设计以拓扑优化技术为基础，在给定的设计目标下，例如轻量化、提高散热性能等等，直接生成满足需求但结构复杂的设计。这样的复杂结构，难以用传统减材制造工艺实现，我们很难做出内部镂空，但强度保持不变的结构。如今，这些问题都能都被3D打印解决。 市场中已经有在3D打印、工业设计软件领域发力的创业公司。比如，峰瑞已投企业优解未来是国内为数不多的，自主研发新一代智能设计拓扑优化SaaS平台的公司。 ▍加工规划 在加工规划环节，需要先把3D打印模型逐步“切片”，分解加工步骤，生成打印轨迹规划。此外，还要给3D打印模型设计支撑结构。打印过程中，物品需要有一定支撑，保持稳定性。 ▍打印成型 加工规划完成后，人们需要把一系列加工代码发给打印机。打印技术有许多种，比如选择性激光烧结、选择性激光熔融、光固化成型技术等等（具体详见下图）。  ▲3D打印相关技术。图片来源：亿渡数据 ▍后处理 打印成型并不意味着结束，还涉及非常复杂的后处理，比如去掉支撑结构、上色、精加工、打磨等等。后处理这道工序主要是为了弥补3D打印本身性能的不足，提升成型物体的精度与表面质量。 / 04 /3D打印的优势 ▍几何复杂性 3D打印提升了制造的灵活度，能实现高度个性化定制。一些结构复杂的设计，3D打印也能够实现。 ▍材料复杂性 人们可以通过3D技术，打印多孔结构或者多种材料复合的结构，让物品实现强度、功能等不同梯度的变化。 ▍层次复杂性 传统加工技术难以实现多尺度跨越加工。而3D打印技术的跨度非常大，可以用同一种技术原理，覆盖从微观到宏观的制造。 在微观制造尺度，2016年，科学家利用3D打印领域里的双光子直写技术，制成了目前世界上最小的用于肠胃检查的内窥镜。  ▲图片来源：格物者 在宏观制造尺度，2020年，河北工业大学团队打印出长达28米的新版“赵州桥”。  ▲河北工业大学3D打印赵州桥全貌。图片来源：河北日报 ▍功能复杂性 在工业领域，复杂的结构需要将每个零件单独加工，再装配到一起。把复杂的零件一体化，是工业领域对3D打印需求最大的地方。 / 05 /3D打印的缺点 当前3D打印有哪些缺点，这些缺点导致了3D打印不能在某些领域应用？或者即使应用，也要增加成本来补足缺陷？ 第一，力学性能有限。  ▲图片来源：3D打印技术参考 3D打印有可能出现表面与材料内部存在粉末未熔、微裂纹、孔隙等缺陷，因此零件的力学性能，例如强度、耐磨以及抗疲劳均不如减材制造的零件。为了保证成型物品性能，人们需要选用高价的原材料，以及更保守的工艺设计，最终成本变高，耗时增多。 第二，表面精度不足。 如果我们借助减材技术，比如车削、铣削、磨削等等，物体表面精度会更高。如果用3D打印，只能通过后道工艺，继续打磨，或者进行化学抛光。但这些后道工序会增加成本。  ▲左图为3D打印直接成型的物品，右图为经过后处理的物品。图片来源：3D打印技术参考 力学能力有限以及表面精度不足这两大缺点，限制了3D打印技术在其他领域的应用。如果3D打印想要应用在更多领域，需要改进这些缺点，或者提高后道工艺的效率。 / 06 / 为什么3D打印最先在航空航天和牙科落地？ 目前，在医疗保健、航空航天、汽车和体育用品等领域，都能看到3D打印技术的身影。而航空航天和牙科领域，3D打印技术被应用得尤为广泛。这两个都是典型的高附加值、高客单价行业，3D打印技术能够助力这两个行业提高产品成型的效率。 ▍航空航天 20世纪以来，几乎最新、最好的制造技术，第一时间都被用在了航空航天领域。 比如50年前的CNC技术（Computerized Numerical Control，计算机数字化控制，利用数字化对机床运动及加工过程进行控制），以及如今的3D打印技术。 为什么航空航天领域适合使用新技术？ 航空航天是典型的高附加值、高客单价、小批量、高迭代、多SKU的行业，一个零件的造价可能高达数十万甚至数百万。航空航天在轻量化、复杂结构的一次成型、节省材料以及灵活验证迭代等方面的制造需求，跟3D打印的属性非常契合。 “锤子”和“钉子”匹配得恰到好处，航空航天可以说是3D打印在工业界应用最多的细分领域。 比如，通用航空于2019年研发出了世界上第一台采用3D打印组件的涡轮螺旋桨发动机。 发动机里的中框组件，原本由300多个单独的零件组装而成。通用航空通过结构优化，将中框组件变成了单一的零件结构，借助3D打印实现一体成型。3D工艺让中框组件轻量化的同时，也降低了制造成本。  ▲涡轮螺旋桨发动机的中框组件由过去的300个零件优化为一个。图片来源：3Dprint.com 此外，美国国家航空航天局（NASA）通过3D打印技术，制造出了火箭发动机喷嘴，并于2014年成功点火试飞。 NASA的工程师称，“如果用传统制造方法，要造163个单独零件然后再组装起来，但3D打印只需2个零件，不仅节约了时间金钱，而且造出的部件能提高火箭发动机性能，减少失败可能性。” ▍牙科 除了航空航天，3D打印也在牙科领域被广泛应用。 牙科领域的需求特别个性化，尤其是正畸过程中，每个阶段牙齿都会有变化，需要定制化、分阶段的技术方案。如今在牙齿正畸领域，钢丝牙套逐渐退出大众视野，隐形牙套取而代之。 隐形牙套技术是典型的交叉学科技术，涉及口腔医学、计算机科学、生物力学、3D打印以及材料学等多学科的知识。制作隐形牙套时，很多环节需要3D打印技术。比如牙医设计矫正方案，要用到3D动态设计软件。制作牙模，也要用到3D打印机。  ▲图片来源：创想三维 传统制作正畸牙模需要多次取模、制作、调整，而且会有一定的精度误差。而3D打印技术通过数字建模，减小模型误差，能够提制作出精密度更高的牙齿模型。 我们在上文提到，3D打印出的物品力学性能有限，为什么这项技术还能在牙科以及航空航天领域广泛应用？ 3D打印的牙齿模型并不会直接作用于患者，只是为了制作牙齿模型，帮助牙科医生制作矫正器。大多数矫治器是用高分子材料，压在牙齿模型上倒模出来的，3D打印只是解决了过渡期间的需求。不过目前也有少数机构，通过更精细的3D打印技术，制作矫正器。 航空航天领域也是如此，人们一般不会将3D打印材料用在精度要求极其高的器件上。很多火箭也都是一次性的。 / 07 /生物3D打印，超越人类想象力的技术 除了航空航天以及牙科领域，未来3D打印也有望被更广泛地应用于生物3D打印。生物3D打印是指用含有活细胞的混合物作为基础材料，打印出活体组织器官。 3D打印在生物领域的应用大多处于探索阶段。根据贺永等浙大学者的梳理总结，生物3D打印大致可划分为4个层次：  第一层次为制造无生物相容性要求的结构，比如目前广泛应用于手术路径规划的3D打印等； 第二层次为制造有生物相容性要求、不可降解的制品，比如钛合金关节、缺损修复的硅胶假体等； 第三层次为制造有生物相容性要求，可降解的制品，比如活性陶瓷骨、可降解的血管支架等； 第四层次就是狭义生物3D打印，即操纵活细胞构建仿生三维组织，比如打印药物筛选及机理研究用的细胞模型、肝单元、皮肤、血管等。   目前在生物领域，类器官被称为模拟体内微环境最好的技术之一。类器官是在特定培养条件下，使用原代组织、胚胎干细胞或诱导的多能干细胞在体外生成的一种微器官。 人们已经制造出肝脏、胰脏、胃、心脏、肾脏甚至乳腺等在内的各种类器官。类器官被应用于癌症研究、药物筛选和精准医学领域。但它仅仅在一小块定向培养的微小组织内模拟体内微环境，距离更大尺度的模拟依旧存在距离。 如果我们能直接用3D打印技术，打印出心脏或者肝脏，同样可以用来测试药物，辅助药物研发。2016年，生物3D打印企业Organovo与罗氏制药公司合作开展了一项药物测试，测试结果表明，3D打印的肝脏组织可以被用于区分多种药物的毒性水平。 相比于形态微小的类器官，这些仿生器官从更大尺度上，复刻了生物组织，提供了更丰富的体内环境模拟反馈。  ▲实验室通过改进后的六轴机器人，打印血管及心肌组织。图片来源：《Bioactive Materials》 《Bioactive Materials》发布的研究显示，2022年，有实验室将六轴机器人改造成为生物3D打印机，打印出了心肌组织。这个心肌组织还分布着毛细血管，并在体外维持了六个月的搏动。 既然2022年，已经有实验室能做到这样的打印能力，或许未来，3D打印的生物器官可以被更广泛地用于药物测试。 当然，不止是药物研发，3D打印可能会助益整个生物领域，反哺生物技术研发。 2019年，《微型机器》发表研究称，学者通过改进生物3D技术，打印出感觉神经元。感觉神经元是外周神经系统的一个重要组成部分。未来，当更多类型神经元细胞被成功打印之后，学者就能更直观地观察脑科学技术的效果，从而研发出更精准的脑科学治疗技术。 / 08 /3D打印技术的未来——混合加工 直到今天，3D打印的应用领域还不够广泛。 因为3D技术很难实现规模化生产，人们大多用3D打印技术来实验产品设计或者生产小批量的产品。 在线制造平台HUBS2022年发布报告，调查了人们如何应用3D打印技术。其中62%的受访对象选择用3D打印技术来打样，17%用来制造单批次的零件，11%用来生产多批量的零件，8%用来生产工业制造所用的固定装置，2%用来做美学设计，比如打印鞋子。  ▲图片来源：在线制造平台HUBS 在成本方面，3D打印与传统金属加工工艺差别很大。传统工艺拥有规模效应，当加工量达到一定量级，边际成本将非常低。而3D打印成本下降的速度，远远慢于传统工艺边际成本的下降速度。 图片中有两条线，橙色的线表示传统的制造成本，蓝色的线表示3D打印的制造成本。 两条线的交点就是break-even point（收支平衡点）。如果产品制造数量在这个点左侧，3D打印更具优势。如果产品数量在右侧，那么传统加工方式更具优势。 这也解释了，为什么在航空航天域以及牙科之外，3D打印没有被大规模广泛应用。几乎大部分行业都存在break-even…

3D打印技术参考注意到，由麻省理工学院领导的团队于近期发表了一篇论文，展示了一种简单且低成本的方法来强化航空航天和核能应用中使用的关键材料。该团队使用3D打印技术制造了一种用陶瓷纳米材料增强的金属粉末，从而生产出强度更高、裂纹和孔隙更少的部件。   该技术涉及将常用且能够承受极端条件的超级合金In718与陶瓷纳米材料一起研磨，以在合金表面实现纳米陶瓷的均匀包覆。然后将所得粉末用于激光粉末床熔融3D打印，以生产复杂的零件部件。 具体的说，是采用高速球磨法制备了含SiC纳米陶瓷的复合粉体，在In718颗粒表面形成了均匀的SiC包覆。在激光熔化过程中，SiC溶解，导致原位形成Nb和Ti基硅化物和碳化物纳米颗粒。这些原位形成的纳米颗粒使增材制造的In718具有更理想的凝固微观组织结构，具有更少的打印缺陷(裂纹和孔隙)和略微细化的晶粒尺寸。力学性能表明，与未添加SiC的样品相比，复合材料的硬度、屈服强度和极限抗拉强度分别提高了16%和12%。经过热处理后，相同的复合材料试样的极限抗拉强度比相同处理的未增强材料高10%，而总伸长率保持在14%左右。这种原位沉淀的形成为增强增材制造的高温材料提供了一种简单有效的方法，可以用于日益恶劣的能源和推进应用环境。  由LPBF In718和LPBF In718+SiC在热处理和不热处理的情况下获得的室温拉伸结果  打印和热处理的In718 和In718+SiC室温拉伸应力-应变曲线 研究人员认为，他们的方法也可以扩展到提高其他材料的性能。所得部件表现出改进的延展性、抗辐射性和高温强度。此外，该过程具有成本效益。这项工作的主要研究人员LijU教授表示，3D打印的冷却速度比传统熔体凝固工艺制造的部件的冷却速度快得多，这为探索添加陶瓷的基底金属开辟了更大的组成空间。该团队的创新方法得到了该领域专家的赞扬，他们认识到其在增强其他金属基复合材料和合金方面的潜力。 参考文献：Strengthening additively manufactured Inconel 718 through in-situ formation of nanocarbides and silicides 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.麻省理工-通过SLM原位形成纳米碳化物和硅化物强化In718合金 2.好书推荐 |《增材制造先进材料及结构完整性》 3.西工大黄卫东教授团队：3D打印稀土金属氧化物增强镍基高温合金 4.八校联合-重磅综述：场辅助金属增材制造技术应用潜力巨大

 一、内容简介 结构完整性是自工业革命发展起来的一种主要基于断裂力学的工程装备抗疲劳设计思想。但与传统铸造、焊接、锻造等成形材料不同，增材过程形成了难以除去的内部缺陷，是制约增材结构应用于高端装备的瓶颈技术之一。同时，鉴于增材制造“数字建模、分层制造、逐层叠加”释放出的巨大设计空间，一些负泊松比、零剪切模量等新型结构制造成为可能，在航空航天、国防军工、生物医学、高速列车等领域展现出巨大的应用潜力。《增材制造先进材料及结构完整性》在系统总结国内外研究进展的基础上，把“结构完整性”概念引入增材制造材料及部件的力学性能设计与可靠性评价中，推进增材制造在重大装备研发中的广度与深度。同时，一些新的技术或概念，如X射线原位成像、人工智能算法、智能材料结构、图像有限元建模等也在本书中进行了阐述。 本书可为从事增材结构设计、工艺优化、装备研发、性能评价等领域学者和技术人员提供参考，也可作为力学、材料、医学、信息、机械、控制等学科的高校院所研究生和教师授课的参考书。 二、前言 增材制造被称为新一轮产业革命的代表性技术之一，在航空航天、生物医疗、国防军工、轨道交通等领域显示出了巨大的发展潜力与应用效率。然而，金属增材制造在高端装备关键承力部件中还鲜有公开报道，亟待解决的共性技术科学问题主要有微观组织、残余应力、表面质量和内部缺陷等4个方面。同时，基于上述4个方面的增材材料及部件的结构完整性评价已成为国内外前沿研究课题，也是金属增材制造技术走向高端装备必须通过的核心环节。其中，通体或广域分布的内部缺陷称为增材制造发展的顽疾，而其他3个方面均可通过工艺优化、后热处理、机械加工等手段予以有效缓解。本书在简要叙述了增材制造技术的基本概念及内涵后，分章节论述了典型增材制造的微观组织、缺陷行为、表面质量和残余应力及其对拉伸性能和疲劳性能的影响，重点讨论了基于高分辨X射线三维成像的缺陷统计表征方法及缺陷与疲劳强度和寿命的映射关系，对人工智能在增材工艺-组织-缺陷-性能的跨尺度关联建模中的应用也进行了介绍。 与此同时，基于金属增材制造技术的先进结构设计及评价研究引起了材料冶金、计算力学、实验力学、先进制造等领域学者的广泛重视。其中，在增材制造复杂结构时，探索外部激励后的变形损伤行为，成为学科研究前沿。与此同时，作为一项诞生于2000年的新兴交叉学科研究方向，超材料结构曾两次入选美国《科学》杂志“世界十大科技突破”，更被美国国防部列为21世纪六大颠覆性技术之一。点阵结构是由杆件组元或薄面板组元沿着空间取向排布构筑的二维或三维胞元结构，可以产生超常规的机械和力学性能，具有优异的比强度、比刚度、抗冲击吸能、减振降噪、弹性波调控等多功能一体化的综合性能优势。随着增材制造技术的快速发展和应用，点阵结构设计-制造-功能-应用一体化得到快速发展。本书在第8章和第9章对增材点阵结构的力学设计及图像仿真方法进行介绍。 作者自2005年攻读博士学位至今，坚信金属增材制造必将在长寿命高可靠性重大工程装备中得到运用，见证了中国增材制造技术的发展壮大之路，有幸自2012年以来引入同步辐射X射线三维成像技术开展增材缺陷与疲劳演化关系研究，在对高铁关键结构（车轴、构架、车体等）进行疲劳行为研究中提出了“时域阶梯评估方法”，认识到金属增材制造材料及部件的抗疲劳设计与评价已是当前亟待开展的重大技术课题，进而提出了增材制造结构完整性概念。 本书共11章，由西南交通大学胡雅楠博士、吴圣川研究员、吴正凯博士、吴文旺副教授和钱伟建博士共同撰写，在结构完整性框架内，围绕增材材料的力学性能和疲劳性能，以实验分析、理论建模和图像仿真为手段展开叙述。由于从事增材制造材料结构强度及寿命评估研究时间不长，知识深度与认识能力有限，行文中难免有疏漏甚至错误之处，恳请大家批评指正。三、目录左右滑动查看左右滑动查看   四、作者简介 胡雅楠，博士，西南交通大学力学与航空航天学院讲师，硕士生导师。主要从事增材制造结构完整性、极端力学行为研究、材料疲劳损伤行为的先进光源原位表征。在 Nature子刊、Int. J. Fatigue、Mater. Design、Mater. Sci. Eng. A等期刊发表论文20余篇，引用量700余次，3篇论文入选 ESI高被引论文，单篇最高引用次数160余次。合作出版专著2部。曾荣获2022年度中国质量协会技术奖一等奖、2022年度中国交通运输协会科学技术奖一等奖等。 吴圣川，四川省学术与技术带头人，西南交通大学“扬华学者”、轨道交通运载系统全国重点实验室研究员，博士生导师。主要从事先进材料结构的高分辨原位试验系统研发、疲劳损伤多维多尺度表征研究及应用工作。以第一/通讯作者在Nature子刊、Acta Mater.、Int. J. Fatigue等顶刊发表论文100余篇，8篇论文入选 ESI高被引论文，Elsevier中国高被引学者和全球前2%影响力科学家。出版专著5部和教材1部，参编国家标准3部，授权专利15件和软件10件。担任疲劳顶刊Int. J. Fatiuge编委和断裂顶刊Eng. Fract. Mech.客座主编及Tomo. Struct. Mater.创刊编委等。现任第八届计算力学软件专业组秘书长、中国材料研究学会疲劳分会理事、中国腐蚀防护学会环境断裂专委会委员等，在国际会议作特邀报告20次。主持/参加国家973项目及国基青年、面上、联合、重点及军科委和企业项目等30余项。曾荣获四川省科技进步二等奖（排名1/8）、中国质量协会技术奖一等奖（排名2/15）、中国铁道学会科技进步一等奖（排名2/25）等多项奖励。  吴文旺，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院工程力学系副教授、博士生导师。本科、硕士和博士分别毕业于中国科学技术大学、清华大学、瑞士洛桑联邦理工大学，主要研究领域为机械超材料、增材制造轻质多功能复合材料与结构力学设计及性能评价、数据驱动和人工智能技术在机械超材料力学设计及多功能一体化领域的应用。在Prog. Mater. Sci., J. Mech. Phys. Solid等固体力学、材料科学顶级期刊以第一作者、通讯作者身份SCI论文70篇，SCI他引次数2300余次。主持国家自然科学基金 2 项（青年项目、面上项目）、军委科技委国防科技创新特区163重点项目（1 项）。 吴正凯和钱伟建为西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室博士研究生，导师为吴圣川研究员。 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.首款用于激光烧结3D打印的PLA粉末，可为PA12提供生物基替代品 2.机械臂砂型3D打印机和智能化产线，峰华卓立推动铸造产业升级 3.采用3D打印制造整枚火箭？Relativity工厂内部曝光 4.3D打印后处理过程复杂，自动化趋势明显，市场规模将达18亿美元

增材制造技术为现代制造业提供了自由度高的设计能力。然而工业应用需要对增材制造零部件可靠性问题进行广泛的分析，而重复性问题目前阻碍了该技术向充分、广泛的生产方向发展。随着当前研究的重点扩展到增材制造技术，需要确保现有方法的可重复性。近日，美国德州大学阿灵顿分校机械与航空航天工程学院的研究人员回顾了当前围绕增材制造零件以及类似可变制造过程的零件可靠性分析，概述了增材制造方法的可重复性问题的发生情况和影响。介绍了增材制造的验证方法和当前设计与验证方法的发展，以帮助工业领域采用增材制造技术。相关概述发表于《Journal of Materials Engineering and Performance》期刊。  原文链接：https://doi.org/10.1007/s11665-023-07897-3增材制造和可靠性介绍  在过去几十年里增材制造技术迅速发展，正受到越来越多的关注。增材制造技术的核心是实现其他方法无法实现的复杂几何形状零件，以小规模生产，并且引入更复杂的零件可以减少子零件的制备。数字化到成品方法的使用减少了制备零件的流程步骤，进一步缩短供应链结构。尽管增材制造技术在制造业中具有明显优势，但在工业上的应用却非常有限。很大原因是由于增材制造零件的可重复性和可靠性较差。要将增材制造技术制备的零件性能实现到传统制造方法的水平，必须注重可靠性。图1是综述论文组成图，表明对可变性、可靠性和最终设计的主题进行分析的必要性。作者这项概述填补目前增材制造研究中可靠性这一首要主题的这些空白。   图1 与可靠性主题相关的综述论文的比例 确保可靠性的流程  可靠性在制造和应用领域发挥着重要作用，尤其是航空航天和汽车等行业严重依赖认证程序来确定零件或结构的可靠性。在当前航空航天领域，工艺、设备和部件的认证对安全高效地使用关键产品至关重要。增材制造C20-29、JSSG-2006和MIL-STD-1530C等文件概述了应用于整个飞机结构的模拟、测试和验证以及后续认证策略。这些指南依赖于模拟结果来帮助零件制备减少成本和时间。由于与生产全尺寸零件相关的巨大成本，一种通用的测试方法被称为图2所示的“构建块”方法。另一种方法通常在增材制造零件中引用，被称为“点测试”。这种方法的特点是用全尺寸零件进行测试。通过对几个全尺寸零件的统计分析来建立设计的完整性，可以在特定情况下优化认证程序。在这种情况下，生产完整零件的成本几乎与生产大量较小样品的成本相同。  图2 用于减少资格鉴定和认证过程中的成本和资源的基本构建块方法通过实验、设计和分析预测可靠性 可靠性指标，如疲劳寿命或几何变化已被证明在增材制造和传统制造技术(如铸造和复合材料)中是相似的。然而可重复性却没有，可靠性需要可重复性。因此首先了解该技术固有的可变性。可变性源于制造技术所固有的工艺条件，如在增材制造方法中可用的一些常见可改变参数（包括扫描速度、构建板温度、层高度和间距等）。在优化可改变参数的实验设计和响应面法方面进行了广泛的研究。按照这种方法，创建流程图将质量特征与可改变的参数联系起来，如图3所示。另外一个大的变化是增材制造中不确定性影响的量化。预处理的变化从来源开始，粉末形态和原料粉末的化学成分是增材制造工艺引入的许多变量的起源。粉末直径、球形度和颗粒附着力的分布影响填料密度和熔化颗粒的流动性，并最终影响表征打印局部热特性的熔池形态。机械变化，如疲劳，强度和缺陷分布，通常出现在增材制造通过所有输入变量的自然波动，几何设计与机械性能相关联，如不同壁厚的样品机械性能不一，不同摆放位置零件性能不一，不同高度部位零件机械性能不一（图4）。此外，粉末的汽化导致粉末液滴形成具有较差的球形特性也会机械性能的变化。增材制造机械性能可靠性的另一关键指标之一源于缺陷密度和分布。   图3 各种工艺缺陷形成与扫描速度和功率映射 图4 不同厚度样品机械性能不一   图5 增材制造样品的不同位置缺陷分布 验证和检查的可变性 无损评估对零件进行检查，不会对零件的功能产生负面影响。正在开发的无损检测技术标准，如ASTM WK47031和ASTM 52908，可以帮助选择无损检测方法。工艺后处理检查，从模拟到物理检验，无损检验提供了检查部件故障或缺陷的方法，以更新部件的预期寿命，并确定部件何时达到预定义的退役标准。图6表明工艺选择可以通过3D-XCT来检验。此外，这项研究还提供了一个关键的力学元素，即临界孔径。临界孔径决定了基于最大检测孔隙的整个零件的强度，提高了增材制造零件在设计和制造方法中彻底无损检验的重要性。增材制造技术在逐层打印方法中提供了独特的优势，可以直接监测打印过程中的异常。破坏性测试是在机械极限下对部件的机械性能进行表征，不适合未来使用。  图6 三维X-CT孔隙度与激光功率的过程映射图，缺陷分布和最大检测孔径的表征对于理解打印组件的机械性能是不可或缺的 增材制造中的可靠性设计  可靠设计的起点是利用研究和测试中发现的统计信息来开发确定设计允许范围的置信带。制定这些限制的一种方法是通过物理测试产生统计信息。然而模拟可能不总是与物理现象一致，但相关性会随时间的推移而提高。在产品开发的初步阶段，通过模拟添加优化设计可以帮助辨别设计决策，在增材制造优化早期具有优势。在物理层面上，使用有限元模拟制造结果，可以帮助减轻昂贵的机械测试。这些结果可以实现可靠性优化，例如减少残余应力和变形。可以确定导致产生可靠结果的最高概率的设计参数。如不简化模型，模拟的计算成本非常巨大。代理建模和降维已经进入增材制造建模和仿真领域，作为有效的工具来降低全尺寸模型的计算强度。制造后增材制造零件的无损检测标准正在制定中，并发布了ASTM E3166-20e1等指南，协助将传统的无损检测技术过渡到增材制造。 研究者开发了标准零件如图7，用于所有增材制造机器评估关键可靠性参数，以确保来自不同机器和工艺的零件之间的同一性。同时提出了三个关键元素，化学成分，相组成和热历史，需要观察以确定成品零件。还有学者研究了16个不同的参数，其中气室压力被发现有显著影响，因此在后续生产中得到了更严格的控制。图8中看出得到的拉伸率和拉伸强度的置信范围缩小，降低了整个过程的不确定性。零件的后处理也可以减少可变性，减少可能导致性能特征不稳定的因素，如疲劳和残余应力。一些传统的后处理技术在增材制造中的有效性已被核查。此外测试这些工艺对增材制造后续设计性能的优势是至关重要的。如热等静压可以减少增材制造样品中的缺陷。为了减少表面粗糙度的可变性及其对机械性能的后续影响，可以利用喷丸强化等流行技术。   图7 标准测试工件(a)用于增材制造零件的鉴定,以及(b)在拉伸试样移除后 图8 (a)和(b)分别显示了正控制腔室压力前后的平均伸长率与平均抗拉强度的差值。采用过程控制后，通过清楚地显示95%预测界限之外的异常值，增加了过程的可预测性 未来需要确保增材制造的可靠性  这项研究阐述了增材制造中开发方法和标准以确保可靠的必要性。然而这个过程本身存在一些局限。其中由于行业制造商之间缺乏标准化。随着新技术的逐年增加，所需要的是一套经过测试的增材制造技术，用于生产零件。研究表明通过灵敏度分析和不确定性传播等技术对确保可靠性的最关键因素有更全面的理解，则将提供进一步的帮助。虽然许多方法侧重于使用现场监测和前/后工艺测试，但显然需要更成熟的技术来快速分析缺陷。数据库的开发对于采用增材制造以提供无损检验收集的信息至关重要。通过增材制造流程各个阶段的分析和数据记录，行业可以共同开发增材制造零件统计分析所需的测试，从而减少这一通常昂贵且耗时的过程。 展望未来，增材制造最关键的焦点需要是实现和认证。这篇综述介绍了可靠性的关键要素以及标准和确定的差距，这些都推动了可重复的发展过程。这些与可靠性相关的关键要素如图9所示。增材制造工艺分为五个阶段，每个阶段都代表了定义增材制造技术的前置、现场和后处理的关键方面。可变性，如结构高度对质量特征(如熔池大小、残余应力和缺陷密度)的影响，被相互关联地展示出来，证明这些参数之间的相关性，这些参数有些由用户控制。最终图9显示了可变性对增材制造中再重复的影响。虽然不是全面的，但这些可变性来源可以作为未来研究的主题，以量化并反过来减少其值的波动性。 图9 增材制造过程中对性能指标产生负面影响的可变性来源流程图 总结 总之，纵观制造业历史，新技术不断发展为旧技术中遇到的问题提供解决方案。从铸造和机械加工到粉末冶金和纤维复合材料，增材制造似乎已经成熟到可以广泛引入工业的地步。在评估行业时我们可以参考美国国家航空航天局(NASA)在20世纪70年代引入的技术成熟度来衡量制造技术的成熟度。这种规模提供了一种想法，即一项技术何时可以被行业采用。从测试技术的基本操作原理的第1级开始，在所有希望利用增材制造技术的行业中始终达到第9级。牢记这一目标，各行业人们将继续努力，确保制造技术的可靠性和一致性，不仅可以提供复杂和限制较少的设计机会，而且还可以带来尚未完全实现的经济、生态和组织效益。 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.用好设备，解决问题 | 三维扫描助力轮船制造企业增强综合竞争力 2.国产3D打印数据准备软件重磅发布新版本，助力2万用户效率提升 3.科学家对金属3D打印中的缺陷形成有了新认识，能充分控制熔池稳定性 4.无支撑金属3D打印：VELO3D成功探索全球范围可重复、无差别制造

点击上方「增材制造技术前沿」快速关注专注于3D打印技术硬知识分享 2022年，西北工业大学黄卫东教授团队在3D打印稀土氧化物增强镍基高温合金领域取得了新突破。相关研究成果在中科院材料科学一区top期刊《Materials Science and Engineering: A》上以“Microstructure and mechanical properties of Y2O3 strengthened Inconel 625 alloy fabricated by selective laser melting”为题发表，其中通讯作者为王理林副研究员、林鑫教授、杨海欧副研究员等人。  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143813 氧化物弥散强化（ODS）合金由金属基体和弥散在基体中的纳米氧化物颗粒组成。稀土金属氧化物具有高熔点等特征，因此ODS合金通常在高温下表现出优异的机械性能和热稳定性。由于铸造等缓慢熔化和凝固过程中难以防止这些稀土金属氧化物的团聚和长大。粉末冶金是制造ODS合金的常用方法，稀土金属氧化物首先通过高能球磨工艺机械合金化引入基体粉末中，然后通过后续材料成型和适当后热处理（如热等静压、火花等离子烧结、热轧或热挤压）使基体中存在纳米级金属氧化物。这些复杂制造工艺非常耗时，并且难以生产具有复杂几何形状的零件，限制了ODS合金的应用。 选区激光熔化是基于粉末的3D打印工艺之一，在SLM过程中极高的冷却速率（106–8K/S）凝固液态金属。与传统铸造工艺不同，ODS合金的SLM过程中熔池的快速熔化和凝固可以抑制氧化物的长大。由于成本低、化学稳定性高，Y2O3颗粒是传统ODS合金中最常见的氧化物，特别是它有利于镍基高温合金的高温性能和抗蠕变性。但目前关于Y2O3增强IN625高温合金的研究非常有限，在这项工作中作者团队首次研究了SLM制备Y2O3增强IN625合金组织演化以及相应热处理组织和室高温力学性能。 IN625合金粉末采用等离子旋转电极雾化工艺制备，粉末粒径分布在15-45μm（图2a），Y2O3粒度分布10-30 nm（图2b）。SLM制备的原料为1%的Y2O3和99%的Y2O3。混合粉末在VCM-1K机器中混合持续18分钟，图2d-f为混合后的粉末形貌及元素分布。样品是在BLT-S200 SLM设备上打印，主要工艺参数为层厚（D）20 μm，扫描间距（H）80 μm，激光功率（P）95、135和175W，扫描速度（V）600、750、900、1050和1200mm/s，层间扫描角度为67°。在打印过程中连续供应氩气气氛，氧气浓度始终低于100ppm。 图 2 粉末形态和元素分布图：（a）IN625;（b、c）Y2O3;（d） Y2O3/IN625;（e，f）混合粉末元素分布 研究结果表明了致密度和激光能量密度之间的关系（E=PVD/H)，如图3所示。致密度首先随着E的增加而增加到峰值，然后随着E的进一步增加而降低。当E为93.8 J/mm3时，样品致密度仅为98.9%，OM图中存在较大的不规则形状孔隙。当 E 增加到 145.8 J/mm3时，试样实现了99.6%的最高密度，仅有少量约0.5μm的微小孔隙。当E增加到182.3 J/mm3时，试样致密度降低到99.2%，孔隙率的数量和大小再次增加。   图3 样品致密度随激光能量密度变化以及三个不同能量密度处样品的OM图像   同时研究发现样品沿打印方向XOZ平面中存在大柱状晶，如图4（a、c），大多晶粒尺寸小于100 μm。直接打印的IN625和Y2O3/IN625合金的XOZ平面平均晶粒尺寸为23.1μm 和21.6μm，Y2O3的添加显著减小了样品晶粒尺寸。对IN625和Y2O3/IN625样品进行1200 °C固溶处理1 小时后（HT），样品微观组织由于重结晶而具有退火孪晶的等轴晶，如图4（e和g）。HT-IN625和HT-Y2O3/IN625在XOZ平面上的平均晶粒尺寸分别为51.9和25.1μm，表明HT-Y2O3/IN625中的Y2O3氧化物颗粒在热处理过程中可有效抑制晶粒生长，并且所有样品XOY平面和XOZ平面晶粒演变基本一致。 图 4 样品XOZ和XOY平面的EBSD图像：（a，b）沉积态IN625样品；（c、d）沉积态Y2O3/IN625样品；（e，f）HT-IN625样品；（g，h）HT-Y2O3/IN625样品 直接打印的IN625、Y2O3/IN625、HT-IN625和HT-Y2O3/IN625样品微观结构大多是初级γ柱状晶并沿打印方向生长，在直接打印的IN625样品的柱状晶中存在白色Laves相，如图5（a）所示，一些γ柱状晶也存在等轴或细长的胞状结构。对于直接打印的Y2O3/IN625样品，γ柱状晶在XOZ平面上生长方向比较杂乱。直接打印的IN625和Y2O3/IN625具有较小的一次枝晶臂间距，约为0.67μm和0.68 μm。热处理后晶粒内部的白色Laves相溶解到γ基体中，γ柱状晶消失。与HT- Y2O3/IN625试样相比，HT-IN625试样具有更大的γ晶和更多退火孪晶（图5c、d）。此外在Y2O3/IN625中观察到少量约为0.5-3.5μm的黑色颗粒（图5b），EDS表明颗粒中Al和Ti的浓度很少，O和Y的原子比约为1.5，如图5（b、d）。这些粒子尺寸约为100-200 nm如图5（d），由此推测它们是 Y2O3粒子。   图 5 样品XOZ平面的SEM图像：（a）IN625;（b）Y2O3/IN625;（c）HT-IN625和（d）HT-Y2O3/IN625   STEM观察到白色颗粒在γ基体中均匀分布，元素分析表明主要是O和Y元素，原子分数如图6（a、b）所示。衍射斑点表明颗粒是体心立方晶格结构如图6（c）。结合元素分析表明这些白色颗粒是具有体心立方体结构的Y2O3，在HT-Y2O3/IN625内部的尺寸分布的如图6（d）所示。 图6 样品透射电镜图像：（a）Y2O3/IN625；（b、c） HT-Y2O3/IN625；（d）Y2O3颗粒在HT-Y2O3/IN625中的粒径分布 最后作者测试了样品在20、800和1100°C下的工程应力-应变曲线和拉伸性能（图7）。在20°C时，屈服后存在明显的加工硬化，然后颈缩和断裂相继发生，HT-Y2O3/IN625和HT-IN625的屈服强度分别为394MPa和439 MPa，添加稀土金属氧化物后屈服强度提高了45MPa。在800 °C时，样品发生了动态应变老化，这种现象在其它高温镍基中也常常发生，主要是由固溶原子与可移动位错之间的相互作用引起的，之后由于动态回复和动态重结晶，试样经历软化阶段，HT-Y2O3/IN625和HT-IN625的屈服强度分别为273 MPa和333 MPa，添加金属氧化物后屈服强度提高了60 MPa。在1100°C时，试样在屈服点后迅速软化，没有动态应变老化，HT-Y2O3/IN625和HT-IN625的屈服强度分别为48 MPa和54 MPa，添加金属氧化物后屈服强度提高6 MPa（表1）。 图7 HT-IN625和HT-Y2O3/IN625的工程应力-应变曲线：（a）20、（b）800和（c）1100°C；（d）试样的机械性能   表1…