2xxx系列高强度Al-Cu合金由于其较高的比强度、优异的加工性能和时效硬化能力，被广泛应用于航空航天、军事、交通运输等行业。电弧增材制造技术（WAAM）作为先进增材制造技术的一种，具有材料利用率高、成形效率高等特点，为高强度Al-Cu合金的发展与应用提供了一个新的方向。 昆明理工大学李飞副教授和姜庆伟副教授团队合作，从制造工艺、凝固组织、常见缺陷、力学性能和后处理工艺五个方面，综述了WAAM的Al-Cu合金的研究进展。重点讨论了改善WAAM的Al-Cu合金的微观组织和力学性能的方法，并根据研究现状，对未来的发展前景提出展望。相关成果于2023年5月10日在线发表于《Journal of materials engineering and performance》期刊，一年级博士研究生范思越为论文的第一作者，李飞副教授和姜庆伟副教授为论文的共同通讯作者。  https://doi.org/10.1007/s11665-023-08233-5  近十年来，国内外针对WAAM的高强度Al-Cu合金开展了大量的研究工作，研究内容主要包括：(1)优化WAAM工艺以提高效率和质量；(2)开发新的丝材以改善成形件的微观组织；(3)设计后处理工艺以提高力学性能和减少缺陷。 1. 制造工艺 目前可应用的WAAM工艺主要分为：非熔化极WAAM工艺（GTAW-WAAM）、熔化极WAAM工艺（GMAW-WAAM）和混合WAAM工艺（Hybrid-WAAM）。  基于WAAM的非消耗性钨电极的示意图 GTAW-WAAM和GMAW-WAAM具有较高的沉积效率和材料利用率，可以制造高质量的Al-Cu合金成形件。研究表明，采用多丝WAAM工艺不仅进一步提高沉积效率，还可以制造焊接性较差的Al-Cu-Mg合金和Al-Zn-Mg-Cu合金成形件。通过将多种焊接工艺配合，还开发了几种混合制造工艺，如激光-MIG混合增材制造技术，双电极气体保护金属电弧增材制造和搅拌摩擦复合电弧增材制造。这些工艺的应用都可以有效地改善Al-Cu合金的微观组织，提高其力学性能。 2. 凝固组织 不均匀的凝固组织是WAAM的Al-Cu合金的常见现象，主要表现为： (1)当沉积高度较低时，晶粒组织主要由层间的细小等轴晶区（Fine equiaxed grains, FQZ）和层内的柱状晶区组成； (2)当沉积高度较高时，晶粒组织主要由层间的细小等轴晶区和层内的柱状晶区和粗等轴晶区组成。 这种不均匀的晶粒组织分布主要与WAAM过程中由热循环主导的散热和热积累有关。不均匀的微观组织还体现在主要合金元素的偏析。研究表明，通过优化成形工艺，降低WAAM中的热输入，优化丝材成分等方法可以有效地改善微观组织的不均匀性，提高合金的力学性能。  图1 常见WAAM的Al-Cu合金的凝固组织。 3. 常见缺陷 增材过程中的缺陷可分为两类:一类是与成形工艺相关的缺陷，如微观结构不均匀、气孔、残余应力和变形;另外一类是与材料相关的缺陷，如微观组织不均匀、气孔和凝固裂纹。 （1）不均匀的微观组织 主要与不均匀的热循环有关，非均匀性的程度则取决于热循环的性质。虽然这种不均匀的微观组织似乎不可避免，但是它可以被有效地改善通过优化增材工艺参数，或引入后加工工艺如层间轧制和T6热处理等方法。 （2）气孔 研究发现丝材的表面光洁度对WAAM组织中的气孔率影响很大，同时不同成形工艺制造的Al-Cu合金成形件的气孔率也有所不同。经过T6热处理后，合金中的气孔缺陷通常被恶化，这主要是氢微孔析出、相颗粒溶解和微孔生长共同作用的结果。  WAAM2319合金中微孔的3D视图  （3）凝固裂纹 分布于晶间的低熔点共晶液膜和粗大的晶粒组织加剧了Al-Cu的裂纹敏感性。研究发现可以通过采用多丝增材制造工艺、调整丝材中各元素的成分配比以及使用TiC纳米颗粒对丝材进行改性处理等方法可以降低Al-Cu合金的裂纹敏感性。 （4）残余应力和变形 残余应力指加工后仍然存在于成形零件中的内部应力。残余应力的存在不利于成形件的性能和尺寸精确度。当残余应力介于材料的屈服强度和抗拉强度之间时，材料将发生塑性变形；当残余应力超过材料的抗拉强度时，材料将发生断裂。残余应力的出现与WAAM的热循环影响有关。研究表明，一些后加工工艺如激光冲击强化和超声冲击处理等表面处理工艺可以改善成形件内部的残余应力分布。 4. 后处理工艺 热处理、层间冷加工和表面处理是目前电弧增材的过程中常用的后处理工艺。它可以提高WAAM的Al-Cu合金构件的质量和性能，减少组织不均匀、气孔、残余应力和变形等缺陷。 （1）热处理 改善微观组织的不均匀性，促进细小的纳米级析出相析出，从而提高合金的力学性能。但是热处理会导致材料的伸长率下降，这与材料中孔隙缺陷恶化有关。  热处理析出亚稳相 （2）层间冷加工 层间锤击和层间轧制处理等层间冷加工工艺可以通过消除WAAM成形件中的大部分气孔缺陷，并通过加工硬化来提高材料的力学性能，对控制残余应力也有一定的贡献。  冷加工消除气孔  （3）表面处理 目前应用的表面处理工艺包括激光冲击强化和超声波冲击处理。激光冲击强化在一定深度范围内可以提高合金的显微硬度，并且它可以使得WAAM成形件顶部和中部的残余应力均由拉伸应力修正为压缩应力，而这对提高WAAM成形件的抗疲劳能力有所帮助。 5. 展望 （1）丝材中的合金元素对WAAM的Al-Cu合金成形件的微观组织与力学性能影响很大，通过添加其他微合金元素或TiC颗粒来设计和开发专用的WAAM丝材具有重要意义。 （2）表面处理工艺在改善微观结构和消除残余应力方面的优势受到渗透深度、额外时间和成本的限制。相比之下，层间冷加工工艺，如层间轧制和层间锤击，可以提高WAAM部件的质量，同时保持其成形效率。因此，进一步探索新的冷加工工艺和WAAM与冷加工工艺之间的协同效应对于所有材料的增材制造都至关重要。 （3）目前的研究主要集中在T4和T6热处理工艺上。为了进一步改善组织和力学性能，可以探索和考察其它的热处理工艺。此外，应该针对具体的处理工艺，如层间冷处理等，探究适合的热处理工艺，防止热处理过程中的异常再结晶对性能的损害。 （4）基于铝铜合金主要应用于航空航天的事实，应该促进铝铜合金制造与WAAM技术的进一步结合，以实现复杂形状零件的成形。此外，混合WAAM工艺应适应复杂形状零件的生产，并通过数字自动化和机器人辅助设备进一步集成到工业生产中，以获得对形状和性能的控制。当然，还需要在成形路径规划、残余应力消除等方面进行进一步的研究，以扩大其应用领域。 注：本文内容由作者团队独家供稿。 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.电弧增材制造获评中国航天科技集团2022年度十大技术突破 2.视频：ORNL使用3组机器人，电弧3D打印大尺寸金属零件 3.西交大：新型熔滴+电弧增材制造铝合金研究取得新进展 4.西工大「高强韧铝合金增材制造」为梦天舱、长五B研制提供了重要技术

5月18日，3D打印技术参考注意到，浙江大学联合大连工业大学，通过将大黄鱼肌肉纤维和脂肪细胞与3D打印凝胶组装在一起，成功合成国内首例厘米级细胞培养大黄鱼组织仿真鱼排。新华社评价这一突破——意义重大！ 3D打印制造仿真鱼排（来自浙江大学官微） 近年来，基于对效率、可持续性、环境负担和动物福利的关注，细胞培养肉类技术已成为部分替代传统畜牧业肉类生产的替代方案。组织样细胞培养肉，其组成和结构类似于真实的肌肉组织，主要包含脂肪细胞和对齐的肌肉细胞。随着数字建模技术的兴起，多名研究人员成功使用生物3D打印技术构建了牛、猪等家畜的肉组织。体外3D细胞培养条件包括培养基（如胎牛血清）和支架材料，目前已经受益于以再生医学和类器官生成为目标的人类细胞或其他哺乳动物细胞培养的研究。然而，食物构建的主要目的、成本和规模以及其他关键方面（如目标物种、营养素和感官特性）与生物医学组织完全不同。对于细胞培养肉，建立自己的方法仍然面临许多挑战。挑战之一是构建具有高效和可食用细胞外基质或可降解材料的支架，使细胞在突出、粘附、易位、增殖、分化和融合方面具有高度适应性。 海鲜是许多人最喜欢的食物，因为它味道鲜美，富含各种蛋白质、脂肪酸和微量营养素。近几十年来，人口增长加上环境压力和气候变化导致海洋食物资源过度开发，对生态系统产生了巨大影响。因此，科学评估和政策管理以及创新技术（例如：细胞培养鱼肉）等许多方面对于海产品生产的可持续发展都迫在眉睫。然而，与家畜不同，很少有研究使用海洋鱼类来探索体外肌生成。海鱼的肌肉类型多种多样，其生理和代谢状态各不相同。目前，找出什么样的物种、细胞、培养条件和支架材料可以用于生产海洋类组织细胞培养肉是主要的挑战。   在3D打印的仿生结构中“长”出鱼肉（来自浙江大学官微） 研究团队负责人之一、浙江大学生物系统工程与食品科学学院副院长刘东红教授介绍说，科研人员以大黄鱼为研究对象，分离出具有高传代能力的肌肉干细胞、脂肪干细胞，并通过调控两种信号通路诱导肌肉干细胞分化。研究团队基于可食用凝胶，改造仿生构建鱼肌支架，产生类似自然鱼肉的结构和纹路，令肌肉细胞沿着3D打印的仿生结构有规则生长，三维培养肌纤维束，成功用组织状细胞培养出鱼肉。 研究团队介绍，这块仿真鱼排17天长成，色白、质弹。根据研究文章的介绍，3D打印的大黄鱼鱼肉肌管和脂肪细胞的数量、肌原纤维和脂肪的比例、硬度、粘性、弹性、弹性、含水量等与本地鱼肌肉组织相似，但咀嚼度低，水分分布与原生鱼肌肉组织不同。 3D打印制造仿真鱼排（来自浙江大学官微） 总的来说，研究团队成功开发了一条生产组织状养殖鱼片的流水线。这将是针对不同鱼类甚至其他经济动物物种的高级方式。这表明基于真实组织结构的仿生支架在生产类组织培养肉方面具有巨大潜力。对于大规模生物打印，由于材料特性的限制，很难提升基于挤出的3D打印机的喷射流量和尺寸。多喷嘴同时挤压将是下一步大规模组织培养肉生产的较好选择。但细胞培养鱼肉真正走向餐桌，还要进行大量的安全性评估。 相关研究以“Tissue-like cultured fish fillets through a synthetic food pipeline”为题发表在《npj—食品科学》期刊。在中国轻工业联合会组织的鉴定会上，生物合成细胞培养鱼肉的关键技术被评审组认定达到国际同领域先进水平。  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.华曙高科-重磅发布批量金属3D打印系统FS511M和FS350M 3.视频：轻质+超高强+高延展 | 3D打印综合性能优异晶格结构 4.使用3D打印制造工装夹具，克服传统挑战的十个优势

3D打印技术参考注意到，《自然》杂志于5月10日刊登了美国印第安纳州圣母大学航空航天与机械工程学院首席研究员Yanliang Zhang副教授采用3D打印以前所未有的新方式实现新材料开发的研究，被认为“将改变新材料发现和制造的游戏规则”。 https://www.nature.com/articles/s41586-023-05898-9 新材料的开发通常需要10-20年时间，这项开创性的研究大大改变了这一规律，借助一种高通量组合3D打印方法，研究团队能够以微尺度空间分辨率制造具有成分梯度的材料，从而将开发时间缩短到不到一年——甚至几个月。 材料的成分组成及结构决定了性能，因此能够在具体实践过程中快速筛选材料。然而，激光或其他等离子体固有的高能特性使新材料开发可能并不总是有效，增材制造已经可以在新材料开发过程中使用微米级和纳米级材料，但即便是新近的喷墨、电化学和电流体动力氧化还原打印方法，在快速混合机制和快速改变混合比方面也存在不足，常规方法在不同材料的通用组合和梯度材料的生产方面仍然存在材料选择有限等挑战。 高通量组合打印开发新材料 对于理想的相互扩散系统，需要低流体粘度和最小尺寸的扩散单元，这促使人们研究使用气溶胶进行原位混合和打印的潜力。3D打印技术参考查询到，气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统，这些固态或液态颗粒的密度与气体介质的密度可以相差微小，也可以悬殊很大，从流体力学角度，气溶胶实质上是气态为连续相，固、液态为分散相的多相流体。气溶胶喷射打印是一种高效的非接触式增材制造技术，通过限域气溶胶射流，形成微米级射流幅宽，实现微尺度增材制造新过程。相较于传统材料打印技术产品，具有打印精度、边界可控性好、适用材料多(可雾化的溶液、悬浮液)、粘度范围宽及微纳结构原位调控等特点，可实现纳米级厚度，微米级特征，可广泛应用于新能源、电子、光电、微纳制造、半导体及生物医药等领域材料薄膜及高性能器件研发、制备和小批量生产过程，并为新材料设计、表界面研究提供一种全新方案。 研究团队指出，在气溶胶相中进行原位混合和打印，可以即时调整各种材料的混合比，这是使用液-液相或固-固相原料的传统多材料打印无法获得的重要特征。研究团队展示了多种高通量打印策略和在组合掺杂、功能分级和化学反应方面的应用，使掺杂硫族化物和具有梯度特性的成分分级材料的材料探索成为可能。 高通量组合打印设计策略 具体的说，这种新方法是在单个打印喷嘴中混合多种雾化纳米材料墨水，在打印过程中改变墨水混合比例，这种称为高通量组合打印 (HTCP) 的方法可控制打印材料的3D结构和局部成分，并以微尺度空间分辨率改变材料的梯度成分和特性。 基于气溶胶的高通量组合3D打印用途极为广泛，适用于金属、半导体和电介质，以及聚合物和生物材料。由此组合得到的材料“库”——可形成数千种独特成分。 据Yanliang Zhang介绍，将组合材料打印和高通量表征相结合可以显著加快材料开发。其团队已经使用这种方法来识别具有卓越热电性能的半导体材料——这是能量收集和冷却应用的一个有前途的发现。 除了加速发现新材料之外，气溶胶的高通量组合3D打印还可以制造功能分级材料，这些材料会逐渐从硬质过渡到软质。这使得它们在需要在柔软的身体组织与坚硬的可穿戴和可植入设备之间架起桥梁，因此其生物医学应用会特别显著。在下一阶段研究中，Yanliang Zhang还计划引入机器学习和人工智能指导策略，以加速发现和开发范围广泛的材料。 将增材制造自上而下的设计自由与自下而上的局部材料成分控制相结合的能力，有望开发出通过传统制造方法无法获得的成分复杂的材料。 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： 1.2023首篇Nature：哈佛大学多材料螺旋3D打印新方法 2.Nature最新：专为极端环境设计的新型3D打印合金 3.最新：国外团队使用中国3D打印机发表Science重磅研究 4.华曙高科-重磅发布批量金属3D打印系统FS511M和FS350M

3D打印技术参考注意到，新加坡制造技术研究所谭超林博士联合中国石油大学、上海交通大学、 普林斯顿大学、马耳他大学、华中科技大学（张海鸥教授）、加州大学尔湾分校、湖南大学以及EPM咨询公司于5月8日在制造领域顶级期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》发表了题为“Review on field assisted metal additive manufacturing（场辅助金属增材制造综述）”的文章。新加坡制造技术研究所、上海交大、普林斯顿大学为通讯作者单位。 这一“超级团队”阐述了当前场辅助增材制造技术的进展，揭示了场与沉积金属材料之间的相互作用机制，总结了辅助场、微观结构和力学性能之间的相关性，展望了场辅助增材制造的研究机会。 多种类型的现场辅助增材制造 (FAAM) 技术概述https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104032  场辅助增材制造  增材制造技术为加工复杂部件提供了前所未有的设计自由度和制造灵活性，它能够制造其他工艺无法制造的零件，同时最大限度地减少加工步骤。典型的金属增材制造工艺包括激光粉末床熔融（LPBF）、激光能量沉积（LDED）、电子束熔化 (EBM) 和电弧增材制造 (WAAM)等，这些技术各有其冶金特点、优势和适用范围。LPBF的构建速度较低，但在处理复杂几何形状方面具有出色的能力，例如晶格结构、先进工具（如具有随形冷却通道的模具嵌件）、定制的医疗植入物等；相比之下，LDED和WAAM具有较低的尺寸分辨率，同时沉积速率比LPBF高得多，使其适用于大型组件制造。此外，LDED和WAAM中材料进给的灵活性增加，可以在同一层内和跨层沉积多种材料，LDED中灵活的刀具路径可以修复大型自由曲面零件。 场辅助典型金属增材制造技术因此，尽管这些技术与传统制造方法相比具有众多优势，但仍然存在一些问题和瓶颈阻碍了其大规模工业应用。例如打印适应性差的材料会存在缺陷，导致较大的柱状枝晶在各向异性机械性能、疲劳性能差。为了解决这些问题并充分发挥增材制造技术的潜力，人们研究了用于定制微观结构、创新设备和装置以及引入新概念的新方法。场辅助增材制造 (FAAM)，是一种结合不同能量场的固有优势来克服增材制造局限性的新手段。应用在增材制造工艺中的典型辅助场包括磁场、声学、机械和热场，此外还有一些新兴的技术如等离子场、电场、耦合多场作为辅助能量场。场辅助增材制造的机理与优势  谭超林教授研究团队对当前主流的磁场、声学、机械、热场、电和等离子场辅助技术如何影响金属增材制造过程进行了审查，认为辅助场会影响熔池对流和动力学，改变材料凝固过程中的温度分布和热历史，并对沉积材料产生应力或塑性变形；详细回顾和讨论了辅助场如何对熔池动力学、凝固动力学、致密化行为、微观结构和织构、机械性能和疲劳性能产生影响；还讨论了场辅助增材制造的研究空白和进一步发展趋势的观点。  使用磁场辅助增材制造示意图  使用声场辅助增材制造示意图  使用热场辅助增材制造示意图  使用机械变形辅助增材制造示意图 辅助增材制造的多场相互作用可以为调整沉积材料的微观结构和机械性能带来更多机会。例如，增材制造中磁-热-变形场的耦合有可能提高材料的强度、延展性和疲劳性能。因为磁场可以促进等轴晶粒的形成，减轻机械各向异性和提高延展性，而热场能够在材料中原位形成强化沉淀物以获得更好的强度。同时，机械变形通过消除缺陷、细化晶粒和在材料中引起压应力来提高疲劳性能是可行的。此外，超声振动可以搅拌和混合熔池，这有可能用于解决复合粉末增材制造中的均匀性问题。当前，场辅助主要基于LPBF、LDED和WAAM工艺，并已应用于范围广泛的金属材料，包括铝合金、钛合金、镍基高温合金、镁合金和钢。辅助场对熔池对流和动力学、温度分布和微观结构凝固行为等有重大影响。辅助场在增材制造过程带来了几个优势，其中值得注意的有： 改善成形质量和表面粗糙度； 提高材料的打印适应性性和致密性；  减少残余应力或改变残余应力条件；  影响凝固行为并调整微观结构；  减轻机械性能的各向异性并提高机械性能；  改善疲劳性能等。 开发新材料，实现功能集成  增材制造材料的定制化是一种发展趋势。除了系统和工艺的进步外，还应强调协同设计材料和制造工艺的创新，场辅助增材制造为开发新材料提供了机会。例如，热场可用于促进沉淀物的形成和调整相组成；与机械场相关的大变形可以促进再结晶和原位析出，因为它们分别具有高储存能量和更多的潜在成核位点；具有快速沉淀动力学的材料有可能在辅助机械场处理过程中实现原位沉淀。此外，在增材制造过程中部署声场可以分散有害的硬相偏析，这也提供了一个很好的机会来容纳材料中的高密度硬相（如钢中的 Laves 相）以强化材料作为有益相。因此，必须从材料设计的角度构建场辅助手段，以最终利用辅助场。  场辅助对增材制造过程的作用机制总结  辅助场对增材制造的贡献总结使用场辅助开发异质结构和功能材料也是可行的。机械场可用于开发 BCC/FCC异质结构材料，因为机械应变可以诱导从FCC到BCC的转变。具体而言，在分层沉积中，交替施加机械应变（如滚压或锤击）可以获得分层BCC/FCC异质结构双相组分，这有可能实现更高的机械性能。除此之外，当前的金属增材制造技术无法对打印微结构的程序控制，因此缺乏对组件内材料复杂性的探索。在增材制造过程中使用辅助场可以在组件中局部调整晶粒尺寸/形状、相组成和应力水平，这能够定义不同区域的特性和性能以提高组件的整体性能，例如如强度-塑性协同、强度-疲劳组合、综合延性和耐磨性、综合强度-热性能、综合磁性和非磁性部件等。 场辅助增材制造技术的未来发展  这篇批判性评论为研究人员提供了有关场辅助增材制造的完整最新信息，这有助于确定每种场辅助技术的不足和优势，并提高成熟度和技术准备水平。 场辅助增材制造还有望在处理高几何复杂度组件方面具有高度灵活性，并在沉积大型或小型自由形式组件方面具有良好的可扩展性。这对过程和系统开发提出了很高的挑战，因为它要求均匀的场分布。均匀场分布的突破将提高场辅助技术的灵活性和可扩展性，并使其应用成熟和扩展。 场辅助增材制造系统的认证和商业化是另一个进展方向，因为目前的场辅助增材设备大多是实验性的，没有严格的测试和认证。实验室阶段的技术可能存在稳定性和可重复性问题，不足以处理可靠的工业产品。因此，需要严格的系统认证才能将场辅助技术商业化。同时，还需要制定和编制系统资质标准，对商业用途的资质进行指导和认证。可靠的商业设备将吸引更多的研究人员在工业应用中推进和实施 场辅助技术。 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.航天八院149厂成功中标大连理工大学增减材制造项目，可实现多能场复合 2.金属激光增材制造中的激光熔化模式 | 清华大学赵沧教授最新研究 3.美发布《关键和新兴技术国家标准战略》，3D打印未被提及 4.SLM-可进行多金属3D打印的材料体系，制造潜力、难点与要点

导读：3D打印技术参考注意到，江南大学刘仁教授团队于近日新提出了一种陶瓷打印方法，通过将直接墨水书写和近红外诱导转换粒子辅助光聚合相结合，可以实现无支撑多尺度、大跨度陶瓷的3D打印。该技术可原位固化直径从410µm到3.50mm的多尺度细丝，通过无支撑打印成功构建了扭转弹簧、三维弯曲和悬臂梁等陶瓷结构。这种方法将为复杂形状陶瓷的无支撑3D打印制造带来更多创新。   陶瓷具有结构稳定、耐磨、耐腐蚀、耐高温等优异力学性能，广泛应用于机械、电子、能源、航空航天、生物医学等领域。然而，受制于陶瓷材料固有的硬脆特性，复杂形状陶瓷部件的精密快速制造难以通过传统成型工艺实现。增材制造技术的出现为获得结构和功能一体化的复杂陶瓷提供了一种高效便捷的途径，进而能够促进实现陶瓷的更多先进应用。增材制造为先进陶瓷的制造提供了更高的设计自由度，为高性能陶瓷材料的制造提供了革命性的推动力。增材制造的快速发展离不开工艺技术的进步和适用材料体系的扩大。传统领域也正面临着重大的制造方式转变，即按需制造具有足够分辨率的定制功能结构，在不同尺度上具有可调的化学成分。尽管立体光刻、数字光处理或粘结剂喷射等工艺可以制造分辨率高的陶瓷部件，但仍存在一些挑战。  www.nature.com/articles/s41467-023-38082-8 1. 探索大跨度无支撑陶瓷3D打印的必要性一个主要问题是由于重力原因，在不使用额外支撑结构的情况下，很难通过3D打印直接制造具有大跨度或异形结构的陶瓷。由于后期需要去除支撑结构，3D打印技术所谓的“所求即所得”的优势并未得到充分体现。同时，额外的辅助支撑会造成表面质量和尺寸精度较差，并增加加工时间长和成本。除此之外，去除支撑件容易产生微裂纹，这可能导致组件在使用过程中出现应力集中，增加陶瓷部件失效的风险。对于一些特殊设计的开放性较差的结构，内部支撑去除几乎是不可能的。为满足陶瓷的功能性和轻量化要求，探索大跨度结构的无支撑陶瓷3D打印技术具有重要意义。2. 使用近红外光代替传统紫外光进行3D打印基于紫外线的原位光固化辅助直接墨水书写（DIW）技术保留了光聚合的时空控制优势。适合的光固化行为可以提高DIW构建复杂结构的能力，并使聚合材料的无支撑打印成为可能。然而，在陶瓷打印时，由于紫外线或可见光在高固含量陶瓷浆料中的穿透力有限，固化效率和产量远不能令人满意。光敏浆料中大量悬浮的陶瓷颗粒引入了额外的光散射、折射，经过多次吸收、散射和折射后，光能在感光介质中梯度衰减，阻碍了光聚合过程。与紫外光相比，近红外光(NIR)由于其在各种介质中的线性吸收和瑞利散射较小，因此具有更强的穿透能力。近红外光诱导的上转换粒子辅助光聚合方法已成功应用于深度光固化、活性/可控光聚合、生物医学材料的3D打印。 直接墨水书写示意图 不同光聚合条件之间的差异 在此，江南大学刘仁教授团队开发了一种新方法，将直接墨水书写与近红外光诱导聚合相耦合，使用近红外辐射以受控的固化速率进行按需固化，能够获得具有灵活几何形状和高分辨率特征尺寸的陶瓷结构。 3. 实现高纵横比和大跨度复杂陶瓷结构无支撑打印 通过调整辐照强度和打印速度，陶瓷浆料可以在挤出过程中原位固化，无需使用支撑。挤出结构强度和自支撑能力提高了制造精度，而且3D打印的灵活性可扩展到XYZ空间，更容易打印低角度甚至水平的悬垂。NIR-DIW技术进一步增强了陶瓷增材制造的灵活性和自由度，允许打印多材料结构，并实现高纵横比和大跨度复杂陶瓷结构的无支撑打印。 该技术满足大跨度的制造需要，具有更大的设计灵活性。打印的悬臂结构长丝超过85mm，形状保持良好，没有观察到粘弹性下垂。通过将NIR光诱导的光聚合应用于DIW打印，研究人员在不使用任何支撑材料的情况下打印出了具有高一致性和高形状保持性的高强度长丝和陶瓷组件。选择这些特定结构只是为了证明概念验证，即制造具有悬臂的多尺度复杂结构，这是其他没有支撑材料的增材制造技术无法实现的。   打印部件的结构稳定性和保真度评估 打印部件的结构稳定性和保真度评估 在增材制造领域，人们对制造单一零件较感兴趣。然而，由于浆料本身的粘弹性和剪切稀化特性无法保持异形结构，因此很难通过DIW直接打印悬浮结构。为了最大限度提高打印能力并生成更复杂的3D结构，研究人员将打印方法扩展到了XYZ维度。 4. 多材料陶瓷结构3D打印 多材料3D打印可以将设计空间扩展到不同的材料，无需组装即可一次制造具有多种功能特性的产品。与高分子多材料增材制造技术相比，陶瓷多材料增材制造技术仍然是一个具有挑战性的研究领域。除了陶瓷材料的光固化特性不同外，陶瓷各向异性的尺寸收缩和烧结温度的差异也容易导致高温烧结时产生翘曲、分层和裂纹。 对不同浆料的多材料3D打印 为了确保多材料部件更好的共烧结，不同材料的烧结温度通过烧结添加剂匹配，调整热处理曲线和固含量。在这项研究中，研究人员展示了使用NIR-DIW打印多色陶瓷材料和离散梯度结构。 END 基于NIR-DIW的无支撑增材制造技术为陶瓷增材制造设计开辟了更高的自由度，这项技术不仅消除了典型打印过程中所需的支撑，而且还带来了许多其他优势，例如减少打印时间、材料使用和后处理工作量。同时成功构建了扭力弹簧、三维弯曲、悬臂梁等高保真局部悬垂和低角度陶瓷几何体。这些突破进一步优化了3D打印陶瓷零件的表面质量，同时还消除了支撑结构占用的成型空间。在近红外光诱导聚合的协助下，一旦NIR辐射强度达到一定值，光敏陶瓷浆料可瞬间凝固成稳定的结构，打印出的曲线无需支撑即可在空间自由伸展。打印过程连续流畅，无需加热等待冷却。时间和空间可控，可以快速制造异形结构件。该技术可提高材料利用率并增加设计自由度。 它在制备高纵横比组件、快速打印和多材料兼容性方面具有优势。虽然使用较小直径的喷嘴打印可以获得更高的精度，但对于单丝无搭接形成的结构（如扭力弹簧），烧结后的形状保持性要差得多。通过优化墨水成分和打印参数（喷嘴直径、挤压压力、移动速度、光照强度等），可以获得分辨率更高、外观独特的物体。相信NIR-DIW方法将得到进一步扩展，无支撑生产的陶瓷几何形状将有助于产生更多的创新组件，并促进增材制造技术的广泛应用。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，请勿侵权转载。 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 3.2300万！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 4.为特殊金属和特种陶瓷开辟一种可行的3D打印解决方案

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 密西西比州立大学、南阿拉巴马大学和阿伯丁试验场美国陆军研究实验室的研究人员研究了不同制造中断条件（中断时间和空气暴露）对激光粉床熔融（LPBF）制备Al-Si-10Mg合金显微组织和力学性能的影响，研究表明激光粉床熔融工艺的中断不会显著影响Al-Si-10Mg合金力学性能(即拉伸和显微硬度)。然而，中断可能会导致故障位置，特别是考虑复杂几何结构零件时。在增材制造生产中最大限度地减少中断和停机时间是非常重要的，因为这些会对交付时间产生不利影响。相关研究成果发表于《Journal of Materials Engineering and Performance》期刊。  原文链接：https://doi.org/10.1007/s11665-022-07217-1激光粉床熔融(LPBF)是种增材制造(AM)工艺，是以逐层叠加的方法制造复杂三维实体零件。该工艺利用激光束作为热源，以迭代的方式局部熔化粉末原料层，直到堆积成一个完整的三维实体零件。目前增材制造铝合金已经被广泛研究，大多数研究结果表明与铸造或锻造零件相比，增材制造的铝合金力学性能甚至超越传统材料加工方法制备的零件。由于零件是逐层制备的，因此在制造过程可能会发生打印停止或暂停过程。在某些情况下，打印中断是为了有意地在零件中插入传感器，如射频识别标签，甚至是为了调整工艺参数。打印中断也可能是由于缺乏原料、没有剩余惰性气体等因素造成，甚至是由于停电等更大原因造成。这些中断可能会导致零件微观组织异常，如孔隙率增加、存在缺乏融合的缺陷以及零件中的氧化物等导致零件在服役过程中过早失效。因此有必要了解这些中断对打印零件质量的影响。 这项研究报道了通过几次有和没有空气暴露的定时中断来扩展先前的研究，代表制造环境中可能发生的潜在中断场景。这些研究旨在将中断的冶金效应与中断的几何效应分开。研究还考虑了时间、热量和空气对中断增材制造零件的微观结构和力学性能的影响。研究结果表明对那些希望以非常低的生产效率制备复杂几何部件，同时确保满足强度和性能要求的零件来说，增材制造已经成为一种常见的选择。不同的中断时间（15分钟, 12小时和24小时）以及中断期间的空气暴露对激光粉床熔融制备的Al-Si-10Mg和最终零件性能没有显著影响。相反，在中断过程中加热的建造平台对合金产生原位热处理，中断时间延长至24小时导致局部失效。 表1 实验顺序及方案 图1拉伸试样的结构、尺寸及大致位置示意图，距离底部40mm处中断，用红色虚线表示。中断位置有意从试样的几何中点偏移，以区分中断引起的失效和正常拉伸加载引起的失效 图2 (a)对照样品和(b)中断24h样品的CT扫描结果  图3 中断24小时样品微观组织，虚线框周围的水平线因打印中断而变色，在所有中断24小时样品上观察到的一个独特特征是存在一条与中断面相匹配的水平线  图4 中断15min试样，黑色区域为缺陷 图5 (a)对照样品的SEM图像，Si相和α-Al共晶组织；(b) 中断12小时样品存在低Si相；(c) 中断24小时样品微观结构，取自中断以下的测量截面，虚线框表示硅相不连续的区域。白色箭头指向较大的硅网状结构；(d) 中断24小时样品微观结构，取自中断以上部位，Si的不连续区域并不普遍 图6 不同样品中氧含量 表2 不同样品的氧含量图7 对照样品，中断15分钟，12和24小时样品维氏硬度，红色虚线表示中断位置图8 各实验组弹性模量、屈服强度和极限抗拉强度图9 各实验组断裂延伸率与极限抗拉强度 表3 不同样品的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率的平均值和标准差 图10 (a)中断对照、(b)中断12小时空气和(c)中断24小时空气样品断裂图，蓝色实线表示中断位置。每个样品用胶带粘在一起，右半部分代表样品的下半部分 图11 (a) 中断24小时空气试样断口表面微孔；(b)中断在惰性气氛下24小时样品的微孔；(c)未融化的粉末颗粒在中断24小时空气中样品；(d) 中断24小时空气中样品其他地方未融化的粉末颗粒  总的来说，研究结果表明需要适当的重启程序，并能够尽快检测到激光粉床熔融过程的中断，以最大限度减少对试件和力学性能的影响。这项研究证明激光粉床熔融工艺的中断不会显著影响力学性能(即拉伸和显微硬度)。然而，中断可能会指示故障位置，特别是当考虑复杂的几何结构时。在增材制造生产中，最大限度地减少中断和停机时间是特别重要的，因为这些会对交付时间产生不利影响。从实验结果可以得出以下结论:  1.中断试样的屈服强度和极限抗拉强度不受中断的影响，与对照试样和文献中发表的结果差不多呈现一致。  2.在中断位置前后，每个试样的显微硬度都是一致的，这证实了力学性能没有受到太大影响，整个试样的显微组织保持均匀。  3.裂缝区周围孔隙度没有增加，CT和显微照片观察到的孔隙主要是球形的，在中断区周围没有明显缺乏融合缺陷。  4.在中断15min和12h的样品中，所有样品均以脆性断裂方式失效，中断样品的破坏位置不局限于中断区域，这些发现表明短暂的停顿不会导致特定的故障位置。中断表面上的氧化不会引起这个区域总氧含量的显著增加。  5.中断24小时的试样在中断区周围经历了局部破坏，归因于试样中断时发生的热处理，由于铝基体的界面能较高，24小时的中断时间导致热影响区内较粗的沉淀相产生。  6.中断24小时试样的微观结构受到原位热处理的影响，导致SEM图像中观察到Si相尺寸的增加，微观结构的变化不影响力学性能，但会影响断裂行为。 在未来，作者团队可能会继续研究包括研究额外热处理对中断样品的影响，作为使样品性能均匀化的一种方式，特别是抵消在中断过程中发生的原位热处理。还可能研究处理中断时不同的工艺参数，考虑增加总能量密度，以确保中断层内部和周围有充分的熔化。此外还可能会对中断试样进行疲劳测试，以了解中断对疲劳寿命的影响。 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.多光高效、稳定可靠、智能便捷 | 易加三维发布金属3D打印机新品 2.SLM-在传统加工零件上高精度3D打印，为整体制造降本增效 3.金属增材制造行业深度：新时代新工艺，先军后民踏上新征程 4.3D打印重要进展：EOS推出可实时自动调整激光功率的解决方案

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 近日，广东省科学院新材料研究所、湘潭大学、南方科技大学和法国贝尔福蒙贝利亚技术大学研究人员利用选区激光熔化（SLM）技术制备了具有优异机械性能（超高抗拉强度和优异延展性）的Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金。系统地研究了SLM制备Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金样品的微观组织结构演变、相变、晶体织构和力学性能。相关研究成果以“Achieving ultra-high strength and ductility in Mg–9Al–1Zn–0.5Mn alloy via selective laser melting”为题发表于《Advanced Powder Materials》期刊。广东省科学院新材料研究所为论文通讯单位，湘潭大学、法国贝尔福蒙贝利亚技术大学，英国伯明翰大学和南方科技大学的研究人员参与研究工作。 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100097 制造超高强度和延展性 Mg–9Al–1Zn-0.5Mn 合金的捷径 镁合金具有优异的生物相容性、接近人体骨骼的超低密度、无应力屏蔽现象等优点，在生物医学领域引起了人们的广泛关注。尽管镁基合金的生物降解性广泛地促进了其在生物领域的应用，但镁合金在体内降解后力学性能会显著降低，导致种植体过早断裂失效。因此设计和制备一种具有良好强度和韧性的高性能镁基合金植入物已成为当前的重要挑战之一。Mg-Al-Zn-Mn系合金是铸造镁合金中最受欢迎的成分之一。Al作为增强元素，增加逐渐材料的强度和流动性，而Zn和Mn提高了材料生物相容性、可塑性和耐蚀性。因此特别是Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金，已经成为骨植入物有前途的候选材料之一，因为它具有匹配良好的机械性能和耐腐蚀性。然而受到密排六方结构（HCP）的固有性质（在α-Mg基体中只有几个滑移系）的限制，很难在低温或室温下制备Mg合金零部件。因此，Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金只能在高温下进行。通过平衡凝固制造的Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金总是具有相当大的晶粒尺寸，导致较差的机械性能（即极限抗拉强度250 MPa，延伸率< 5%）。而其他热成型技术（挤压、拉拔、轧制等）由于加工方法的特性，通常会在α-Mg中产生典型的织构，导致显微组织的各向异性，严重影响Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金的力学性能。并且这些热成型方法难以制备出具有内部复杂结构和具有曲面和超细晶格结构的植入物，因此需要新的制造方法以满足这些应用需求。选区激光熔化（SLM）可以在没有任何模具的情况下直接制造高密度的金属零件。采用 "逐点、逐线、逐层"的方法，利用一束或多束激光有选择地熔化金属粉末，在制造复杂结构零件方面具有高度灵活性。高能量输入和超高冷却速率，可以获得从微观尺度到宏观尺度的定制微观结构和可调整的复杂结构（图1）。然而到目前为止，受限于镁合金本身的多种限制和粉末获取的难度，关于SLM制备的Mg-Al-Zn-Mn合金的报道相对较少。为系统地研究SLM加工参数相互作用因素对SLM制备Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金的微观结构和力学性能的影响，这项研究采用中心复合设计（CCD）实验并对样品进行了分析。详细研究了凝固过程、微观结构演变和强化机制，以填补SLM制备Mg-9Al-1Zn-0.5Mn的研究空白，并为SLM制备用于生物医学的高性能Mg合金提供理论指导。 图1 SLM打印的Mg-9Al-1Zn-0.5Mn样品的强化机制-贡献雷达图；(b) SLM 制造的不同类型的生物医学植入物 广东科学院新材料研究所提供的原料为气雾化Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金球形粉末（图2），粉末粒度分布（D10=24.6μm、D50=41.6μm和D90=62.7μm）。为减少在SLM过程中Mg-9Al-1Zn-0.5Mn粉末氧化甚至爆炸的可能性，研究团队开发了用于制造镁基合金的自制SLM系统（GDINM-D150），如图3所示。专门定制了一个防爆过滤系统，用于储存回收镁基合金粉末。样品打印采用多种扫描策略，旋转角度为67°。为避免SLM工艺中的氧化，采用高纯度氩气作为保护气体，成形仓氧含量始终低于30ppm，制备的实体样品如图2b所示。 图2 （a）带有粉末尺寸分布插图的合金粉末形态；（b）典型SLM制备Mg-9Al-1Zn-0.5Mn样品 图3 研究团队自行开发的SLM设备，专用于Mg合金的打印 采用响应曲面法对打印样品的相对密度和维氏硬度进行测量分析，结果表明使用优化的SLM工艺参数（即P=120 W、v=500 mm/s和h=45μm）制备了具有高相对密度（99.5±0.28%）、良好显微硬度（95.6±5.28HV0.1）、优异强度（UTS=370.2 MPa）和延展性（10.4%）的Mg-9Al-1Zn-0.5Mn样品（图4）。 图4 激光功率、扫描速度和扫描间距对制备样品相对密度和维氏硬度的影响规律 SLM制备Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金样品中存在激光扫描过后的轨迹（粉色箭头）和熔池形貌（红色箭头），大量等轴晶在熔池中心形成，而在熔池边界仅形成少量柱状晶（蓝色箭头）。同时在熔池边界处形成一些不规则的微孔（紫色箭头），这主要与能量输入不足导致的融合不足，以及在SLM过程低沸点的锌蒸发有关。研究发现在样品不同横截面上存在亚结构，在XY横截面上仅检测到含有细小蜂窝状结构的致密等轴晶粒。相反，在熔池内尤其是在边界区域，是由等轴晶和柱状枝晶组成的梯度结构（图5）。SLM工艺导致的重熔现象不仅导致XZ面上的等轴晶粒比XY面上的少，而且由于SLM固有的热处理效应导致枝晶粗化。柱状晶沿熔体流动方向倾斜生长，熔体流动冲刷了柱状晶前端的富溶质层，导致枝晶尖端周围溶质分布不均。因此朝向熔体流动方向的溶质浓度低于远离熔体流动方向，从而进一步抑制远离熔体流动的晶粒生长，因此晶粒生长方向偏向激光扫描方向。XZ横截面上的平均晶粒尺寸（3.11±0.118μm）比XY面的晶粒尺寸（1.95±0.125μm）粗59.49%。并且亚微米晶粒（<1μm:7.18%）和超细晶粒（1-2μm:66.82%）的比例低于XY面晶粒（图6）。TEM表明SLM制备的Mg-9Al-1Zn-0.5Mn样品在等轴晶中（1.58±0.367μm）存在大量均匀细小分布的纳米颗粒，大的球形纳米颗粒（~95nm）被钉扎在位错线周围，导致形成位错墙。SAED和EDS结果表明这些纳米颗粒为球形β-Al12Mg17相、长板条状β-Al12Mg17相。同时在样品中的亚晶界周围也发现了大量短棒状富锰颗粒，主要为Al8Mn5纳米颗粒。其中这些β-Al12Mg17纳米颗粒主要来源于原始粉末（图7和8）。 图5 SLM制备的Mg-9Al-1Zn-0.5Mn样品微观结构特征：（a-c）XY面OM图、SEM和元素分布图；（d-f）YZ面OM图、SEM和元素分布图 图6 XY面和YZ横截面SLM制备Mg-9Al-1Zn-0.5Mn样品EBSD结果 图7 SLM制备Mg-9Al-1Zn-5Mn样品的TEM结果 图8 SLM制备Mg-9Al-1Zn-5Mn样品的STEM-EDS结果和Mg-Al-Mn三元相图 不同工艺制备的Mg-9Al-1Zn-0.5Mn具体机械性能如图9和表1所示。SLM样品（95.6±5.28 HV0.1）的平均显微硬度比粉末（73.3±6.89 HV0.1）和铸造样品（74.04.01 HV0.1）高30.1%左右。不止如此，SLM制备的样品所有机械性能指标都比铸造样品好得多。SLM制备的样品抗拉极限和延伸率（370.2MPa和10.4%）分别比铸造试样（150.8MPa和2.5%）高145.5%和300%。并且SLM制备的样品具有良好弹性模量（39.8–42.4GPa）接近人类皮质骨的弹性模量（10–30GPa），显示出良好的骨植入应用前景。 图9（a）Mg-9Al-1Zn-0.5Mn样品不同状态下显微硬度和（b）拉伸曲线 表1 Mg-9Al-1Zn-0.5Mn样品在不同状态下的力学性能 通过不同工艺制备的生物医学镁合金的性能气泡图 总的来说，这项研究通过SLM技术直接制备了具有超高抗拉强度和优异延展性的Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金试样，系统地研究了样品的微观组织结构演变、相变、晶体学织构和力学性能。主要结论为：使用优化的SLM工艺参数（即P=120 W、v=500 mm/s和h=45μm）制备了具有高相对密度（99.5±0.28%）、良好显微硬度（95.6±5.28 HV0.1）、优异强度（UTS=370.2 MPa）和高延伸率（10.4%）的Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金；SLM制备的样品中存在α-Mg基体、球状和棒状β-Al12Mg17、Al8Mn5纳米析出相，这些SLM样品由XY面上的超细等轴晶和XZ面上的梯度微观结构组成。相比较铸造态样品，SLM制备的样品力学性能更加优异，最高抗拉强度为370MPa，延伸率10.4%。同时制备的Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金试样弹性模量接近人类皮质骨的弹性模量，这项研究填补了SLM制备Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金的空白，为SLM制备用于生物医学的高性能Mg合金提供理论指导与参考依据。该项研究工作得到广东科学技术研究院 （2021GDASYL-20210102005）、广东省基础与应用基础研究基金项目（2020A1515111031、2021A1515010939）、中国科协青年优秀科学家资助计划（YESS20210269）和广州市重点领域研发计划项目（20200702008）等项目的支持。论文引用：Cheng Chang，Hanlin Liao，Lin Yi，Yilong Dai，Sophie C. Cox， Ming Yan，Min Liu，Xingchen Yan，Achieving ultra-high strength and ductility in…

4月19日，NASA技术团队在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。3D打印技术参考于去年4月首发了对该材料的解析，这是一种采用热力学计算和3D打印协同开发的具有突破性性能的新型高温合金，NASA团队目前已经成功采用粉末床熔融工艺实现了其制造，而与新材料开发相关的3D打印工艺则多是采用激光能量沉积。 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Y 2 O 3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。 https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0 将重量百分比为1%的Y2O3包覆在NiCoCr粉末颗粒上 多主元素合金又被成为高熵合金，具有高抗拉强度和延展性，在航空航天和能源等需要在高温和腐蚀性环境中使用的组件制造显示出巨大潜力。而氧化物弥散强化高熵合金则可以对后者的高温强度和蠕变性能等带来改善，以往在3D打印过程中引入弥散强化的手段通常是借助机械合金化、原位合金化或化学反应，但这些方法通常使过程变得复杂且可重复性存在不足。NASA团队使用了一种不需要任何粘结剂、流体或化学反应的高能混合过程，成功将纳米级的Y2O3涂覆到NiCoCr金属粉末上。此过程不会影响粉末球形形态，对于高质量粉末床3D打印制造至关重要。使用这种方法，研究人员3D打印出的新合金与之前相比，1093°C时的抗拉强度提高了35%，延展性提高了三倍。 在该研究的基础上，NASA团队采用相同的方法进一步优化了NiCoCr合金系统，研究证实了模型驱动的合金设计和3D打印工艺的成熟，可以生产具有以前传统制造技术无法实现特性的下一代材料。 研究使用的粉末原材料（粒径为10-53μm）与纳米级Y2O3（直径为100–200 nm，纯度为99.999%）使用高能声学混合器混合，然后使用筛网去除大的氧化物或金属粉末颗粒。研究探索了NiCoCr、NiCoCr-ODS、NiCoCr-ODS，添加少量Re (1.5 wt%) 和B (0.03wt%) (ODS-ReB)的合金。 1093°C高温拉伸试验显示了五种合金的强度和伸长率差异，发现非ODS NiCoCr样品的强度和延展性低于NiCoCr-ODS样品。事实上，通过简单地掺入Y2O3颗粒，NiCoCr的强度增加了，延展性提高了两倍。这突出了这些氧化物在高温下提供的强化效果。向NiCoCr-ODS中少量添加Re和B似乎略微提高了合金的强度。值得注意的是，与其他ODS合金相比，GRX-810显示出更高的强度和延展性；事实上，GRX-810提供了两倍的强度和三倍以上的延展性，使其成为一种性能更高的高温合金。一个令人惊讶的结果是，非ODS GRX-810的强度，尽管延展性有限（与非ODS NiCoCr合金相比），但其似乎与成品GRX-810的强度相当。这一发现表明强度的提高是由于基础成分，而氧化物是延展性提高的来源。 GRX-810、非ODS GRX-810、锻造Haynes 230、锻造625和718相比，不同合金之间的强度和伸长率方面几乎没有差异，尽管与其他三种合金相比，GRX-810确实提供了略高的抗拉强度。HIP室温测试提供了一些强度变化，因为ODS合金能够在该处理步骤后保持更高的强度。打印态和HIP GRX-810在不同温度下的拉伸性能显示了两个值得注意的观察结果：首先，与 HIP GRX-810 相比，打印态的GRX-810始终提供更高的强度；其次，GRX-810提供了意想不到的低温拉伸性能，表明纳米级氧化物在这些低温下不会对合金强度产生不利影响。 GRX-810和NiCoCr成分空间的建模   a.测试材料在1093°C 下的工程应力-应变曲线；b.不同合金之间的极限抗拉强度比较；c. 1093°C下的蠕变曲线；d .包括与GRX-810 曲线的相同测试   1093°C和1200°C下的循环氧化结果   GRX-810的蠕变断裂寿命与当前的增材制造高温合金对比 蠕变试验也在1093°C下进行以比较这些合金的性能。数据显示，在1093 °C和20MPa下，HIP GRX-810在蠕变6500小时后破裂，而打印态样品在1%应变（超过2800 小时）时终止，其他非ODS合金在40小时内破裂。 与NiCoCr基体和NiCoCr-ODS合金相比，GRX-810表现出显著改善的蠕变断裂性能。此外，与目前最先进的增材制造高温合金（超级合金718、625和Haynes 230）相比，GRX-810在1093°C下的蠕变寿命提高了几个数量级。 总之，NASA研究团队介绍了一种新型NiCoCr基ODS合金GRX-810的设计、表征和性能，与当前的合金相比，它在极端环境中具有卓越的性能。在合金设计中使用计算模型产生了一种平衡性能和可加工性的成分，先进的表征可以深入了解底层的微观结构和机制。与目前使用的高温合金相比，GRX-810在1093 °C 下的蠕变性能提高了几个数量级，从而能够3D打印制造在极端环境中使用的复杂部件。 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.突破：NASA开发出一种新型超高性能3D打印合金，耐温1093℃ 2.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 3.天津大学：抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的新合金设计方法 4.顾冬冬教授总结回顾-金属激光增材制造技术在高端领域的应用与研究!

铝合金是一种重要的轻质金属结构材料，广泛应用于航空航天和交通运输等领域。行业的快速发展对铝合金零件的服役性能和制备过程都提出了更高的要求，传统减材制造已难以满足对铝合金零件高效敏捷、绿色环保的制备要求。增材制造作为一种新兴的快速成形技术，为铝合金零件的制备提供了一个崭新的思路。然而，由于增材制造的工艺特点和铝合金的本征性质，通过增材制造技术制备的中高强铝合金零件中易形成诸多缺陷，严重损害其力学性能，限制其实际生产应用。 北京理工大学程兴旺教授团队综述了增材制造中高强铝合金零件中的缺陷类型及其成因，并从优化工艺参数、合金成分和添加形核剂三个方面，重点讨论了目前消除增材制造中高强铝合金零件中缺陷，改善其力学性能的进展及发展趋势，并指出未来改善增材制造中高强铝合金微观组织和力学性能的努力方向应为综合调控工艺参数和合金成分，进一步探索增材制造铝合金的最佳热处理工艺，从而获得高强塑性增材制造铝合金。    增材制造中高强铝合金的缺陷 目前，增材制造中高强铝合金仍然存在一些不可忽略的问题和挑战。一方面，在激光／电子束增材制造过程中会引入很大的温度梯度和凝固速率，这将导致极高的冷却速率，因此容易形成柱状晶晶粒形貌；另一方面，由于中高强铝合金的某些本征性质，通过增材制造技术制备时容易形成各类缺陷而损害其性能。目前可用于增材制造的铝合金还局限于近共晶成分铝合金，如AlSi10Mg，AlSi12，AlSi7Mg0.3，Al-10Ce和Al-Ni合金等。 1. 热裂纹铝合金在增材制造过程中表现出极高的热裂纹敏感性，其中以凝固裂纹问题最为严重。热裂纹往往会沿着粗大柱状晶之间的晶界开裂，并贯穿于多层打印层之间，严重损害其机械强度、疲劳寿命和断裂韧度。铝合金极高的热裂纹倾向性主要与本征性质有关。2. 孔洞孔洞的存在也会 降 低 材 料 的 致 密 度 而 损 害 其 性能。中高强铝合金在增材制造过程中易形成匙孔、气孔和未熔合缺陷。  各类孔洞尺寸示意图：a）匙孔；b）气孔；c）未熔合缺陷 3. 元素挥发增材制造过程中的激光能量较高，若合金中某些元素的沸点低于合金母材沸点，则可能会发生选择性蒸发。铝合金粉末中的Mg、Zn等元素在较高激光功率熔融时易挥发 ，合金成分易发生波动而引起成分变化，这将改变材料的凝固组织、力学性能和耐腐蚀性等。 4. 氧化现象由于氧化铝的热力学稳定性较高，铝合金粉末表面极易产生氧化膜。尽管增材制造过程中不断充入惰性气体，但真空腔室中仍会有0.1%-0.2%的氧气残留，这导致在逐层打印过程中会发生氧化现象 。一方面，增材制造过程中的氧化现象会显著降低增材制造铝合金的零件质量；另一方面，打印层之间的氧化会导致下一打印层中的合金粉末颗粒团聚，使粉末分布不均匀，严重损害零件的结构完整性和精度。因此，抑制氧化膜的形成不仅可以提高增材制造铝合金零件的质量，还可以有效改善其力学性能。增材制造相关参数增材制造常规的工艺参数可分为能量相关工艺参数和几何相关工艺参数。能量相关工艺参数包括激光功率、扫描速度、束斑直径等，与金属粉末颗粒的逐点熔化有关，主要保证提供连续的能量输入；而几何相关工艺参数包括激光间隔距离、层厚、扫描方式等，体现了各扫描轨道和各层的熔融制造存在一定间隔。由于增材制造逐点、逐道次、逐层的制造特点，故在制造过程中存在本征的层间停留时间等非常规工艺参数，这些增材制造工艺参数也会对成品零件的微观结构和力学性能产生显著影响。 合金成分是关键要素 合金成分决定了溶质原子的分布情况和扩散过程，而溶质原子是产生成分过冷的根本原因，因此合金成分对晶粒形貌有着决定性作用。在增材制造中高强铝合金时，可以通过调控合金元素含量而优化合金成分，也可以通过添加形核剂而引入异质形核位点，二者都可以用于改善增材制造中高强铝合金的微观组织并提高其力学性能。 END 总而言之，工艺参数和合金成分是影响增材制造中高强铝合金的微观结构和力学性能的两个关键性因素，二者相互影响、相互依存，均通过控制热作用和溶质再分配作用而影响增材制造中高强铝合金的微观组织和力学性能。然而，当前有关增材制造中高强铝合金的研究中，针对工艺参数和合金成分的优化探索较为分裂，在未来，需要将二者相结合、相配合，以综合改善增材制造中高强铝合金的微观组织和力学性能。值得注意的是，增材制造铝合金时Mg、Zn等元素的挥发会使合金成分发生波动，在通过调控合金元素含量或添加形核剂而优化晶粒形貌的研究中，合金成分更是发生明显改变。此时，适用于传统铝合金的热处理方法已不再适用于增材制造铝合金，因此，未来需要进一步探索增材制造铝合金的最佳热处理工艺，从而获得高强塑性增材制造铝合金。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.西交大：新型熔滴+电弧增材制造铝合金研究取得新进展 3.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 4.永年激光金属3D打印新产品和科技成果通过鉴定——国内领先、国际先进

1、前言     碳化硅（SiC）具有优异的高温力学性能、热学性能以及化学稳定性，是一种优异的先进陶瓷材料。这里我们只讨论作为结构材料的碳化硅，不讨论作为半导体基材的SiC。     SiC 主要有两种晶型，即高温稳定型的六方晶系α-SiC和低温稳定型的立方晶系β-SiC 。α-SiC 的密度为3.217g/cm^3，β-SiC 的密度为3.215g/cm^3。β-SiC 于2100 ℃稳定性较好，高于2100 ℃开始转变为α-SiC，特别当2300-2400 ℃时转变迅速，β→α 转变为单向不可逆。2000 ℃以下合成的SiC 主要为β-SiC；2200 ℃以上合成的则主要为α-SiC。     碳化硅的获得必须依赖于烧结技术。 2、反应烧结SiC(Reaction Bonded Silicon Carbide, RB)     将碳化硅粉、碳粉与有机粘结剂混合，经过成型、干燥、排胶（脱脂），最后渗硅获得制品。国内外制造反应烧结碳化硅绝大部分都采用此方法。     烧结过程中几乎没有收缩及尺寸变化，具有烧结温度低、产品结构致密、生产成本低等优点，适合制备大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷制品。   反应烧结SiC 的密度3.05g/cm^3~3.15g/cm^3，弹性模量380GPa~430GPa，弯曲强度350-500 MPa，断裂韧性4.0-5.0 MPa·m^1/2。但随着Si 含量增加，强度和断裂韧性线性下降；当Si 含量一定时，随着SiC 晶粒尺寸减小，强度增大。高温下游离硅塑性增大，使材料的断裂韧性随温度增大，从室温下4 MPa·m^1/2 增加到1200 ℃下的12 MPa·m^1/2。     为了保证渗硅的完全，素坯(α-SiC+C)应当具有足够的孔隙度。因此必须严格控制素坯密度，通过调整最初混合料中α-SiC 和C 的含量、α-SiC 的粒度级配、C 的形状和粒度以及成型压力等手段可以获得适当的素坯密度。反应完成后SiC颗粒的残留气孔由游离Si 填充，从而可以获得致密烧结体。     采用亚微米级SiC(0.4-0.5 μm)颗粒为原料，调节配方中C 和SiC 的质量比值在0.1-0.5 之间，通过湿法成型制备素坯，反应烧结制备密度达到3.1 g/cm^3 的RBSC 陶瓷材料，由于材料中游离Si 的尺寸细小，普遍在100 nm 以下，材料组织分布均匀，因此材料抗弯强度可以达到1000 MPa 以上。     反应烧结SiC 陶瓷材料的使用温度一般不超过1400 ℃。当温度过高时，游离Si 熔化，从而导致材料的强度迅速下降。    …