与锻造技术相比，采用SLM技术生产的Ti6Al4V零件通常具有更高的强度，材料力学性能具有明显的各向异性，而塑性较差。这是由于SLM过程所形成的典型显微结构所致。通常情况下，金属打印的零件可以通过热处理来改善微观结构，提高材料的延展性。本文我们要介绍的研究来自诺丁汉大学，其研究团队通过一种特殊的快速热处理方式，将3D打印的Ti6Al4V延展率提升到了16%以上，实现了强度和塑性的平衡。 研究人员所制备的试样尺寸为直径9mm、长度60mm，采用EOS M290垂直基板建造。通过测试，打印态的强度虽达到1240Mpa，但延伸率仅为5.2%（通常会高于该数据），无法满足ASTM F3001/14的要求。在经过常规去应力退火后，塑性提升至11%左右，但这仍低于标准。研究团队采用了一种特殊的快速热处理方式，发现断裂伸长率可以达到16%以上，且屈服应力和极限抗拉强度仍在可接受的范围内。 打印态、去应力退火、ASTM标准以及快速热处理条件下TC4的性能 作者对比分析了打印态和经过快速热处理的TC4钛合金晶粒尺寸变化。发现经过快速热处理后初生β相的晶粒尺寸变小，打印态由于粗大柱状晶产生的取向织构也消失了。快速热处理后样品中的大角度晶界比例增加，预示着其发生了再结晶。 打印态和快速热处理条件下的拉伸曲线 通过对Ti6Al4V打印态、热处理态以及锻造试样测试，发现快速热处理能够实现3D打印钛合金强度和延展性的平衡，且不会影响拉伸性能。 总的来说，经过快速热处理后，采用SLM制备的TC4钛合金强度略有下降，但延伸率大幅提升，且初生β相晶粒尺寸发生细化，这对于提升TC4钛合金的疲劳和断裂韧性极为有利。 本研究提出的热处理方法对于增材制造制件获得准等轴晶提供了一种思路。并且有可能应用到钢材和镍基高温合金热处理中，减小增材制造工艺所造成的取向问题并提升材料的疲劳强度。 注：研究原文已上传QQ群。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.顶刊：3D打印出1.4GPa超高强度钢，致密度达99.25% 2.【高被引综述】增材制造制备新材料的研究进展 3.最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹 4.西交大最新：3D打印单晶高温合金突破经典理念

激光增材制造金银材料可用于艺术品、首饰、手表等的定制化制造。铜是传统工业的重要材料，具有良好的导电性和导热性；铜的激光增材制造材料被广泛用于电子设备、热管理系统、交通运输、工业制造等领域。金、银、铜的激光增材制造具有广阔的应用前景，但也面临着重要问题:金、银、铜材料对激光的吸收率很低。 近日，来自南方科技大学和香港科技大学的研究人员总结了金、银、铜等高反射率材料的激光增材制造的面临的问题和原料端现状，同时对这些材料的激光增材制造的未来发展趋势做出了展望。本期，3D打印技术参考对此进行介绍。 金、银、铜激光增材制造面临的重要问题 金、银、铜材料对激光的吸收率很低。市面上大多数打印机用的是波长为1064nm左右的激光器。在此波长下，三种材料的反射率都达到了95%以上。如此高的反射率使金属粉末无法吸收足够的激光能量，导致熔化不充分，熔体湿润性差，难以铺展开，导致气孔和球化现象，打印态材料致密度低、性能差；同时打印中反射的激光可能会损害打印机的光学系统。 部分金属的反射率(室温下)曲线长波长下的反射率总体高于短波长下情况 克服高反射率成为采用激光增材制造打印金、银、铜等材料的关键，而另一方面，可供打印的贵金属粉末材料稀缺，高纯度的金粉和银粉甚至没有供应商。 增材制造用金、银、铜原料端现状作为金属激光增材制造产业链的重要环节，用于增材制造的金属粉体的制备及供应深受业界重视。研究人员调查发现，现阶段用于3D打印的铜及铜合金粉材供应面临以下两点挑战: (1)供应商少，由于铜和铜合金并非激光增材制造的主流材料，许多国内外知名的增材制造金属粉体供应商并不供应铜和铜合金粉末； (2)制粉技术不成熟。可供应铜和铜合金的厂商一般同时供应其他种类的增材制造粉末，如钛合金、钢、钴基合金、镍基合金等，并不专注于铜和铜合金的制备，这导致用于3D打印的铜和铜合金制粉技术不成熟，厂商可制备的铜合金粉体种类较少。 铜和铜的预合金粉末在1064nm波长下的反射率 专注于金、银等贵金属打印粉体生产和供应的厂商主要集中在欧洲，美国也有分布。用于制造首饰和手表的贵金属金银粉体主要为18K金粉及925银粉，应用于牙科的则是各种不同金含量的合金粉末。高纯度金粉和银粉没有供应商。 另一方面，金、银等贵金属的传统加工方法为在空气中熔炼，然后将液态贵金属倒入模具中浇铸出铸件，设备成本低。而采用激光增材制造的方法，虽然跳过了模具制作、熔炼和浇铸步骤，提高了定制化珠宝和少量零部件的生产效率，却增加了设备和粉末的成本。目前市面上能打印贵金属的打印机种类有限，售价高昂，如适用于打印金、银及其合金的EOSPre-ciousM080。因为激光增材制造对粉体要求高，贵金属粉材的制作、保存成本也非常高。 Cooksongold供应的18K 3N黄金粉、925银粉及打印效果 此外，国内增材制造粉体生产起步较晚，有少量公司可供应铜及铜合金粉材，但没有贵金属粉的供应商。且国内制粉公司面临着宣传有限等问题，许多公司的网站上甚至难以找到其供应的粉体信息。 金、银、铜等高反射率材料的激光增材制造现状直接进行纯铜的激光3D打印难度很高，但最近几年研究人员已做了一些尝试。实验结果表明, 使用高功率激光可以提升激光打印纯铜的效果，相对密度甚至可以达到99%。然而, 使用高功率激光难以保证安全性,纯铜反射的激光可对打印机光学系统造成严重损害。目前，虽然一些主流的设备商宣称已经成功打印出纯铜产品，但在工业化应用中真正大规模打印纯铜的案例其实非常鲜见。 使用高功率激光打印纯铜12 h后的反射镜长时间暴露在反射激光下造成的损伤 对铜合金的打印研究则集中在锡青铜、形状记忆铜合金、黄铜，以及其他一些铜合金（铜和铜合金的激光3D打印案例图表详情，请查阅原文）。 金的激光3D打印最早见于英国团队在2008年对24K纯金的选区激光熔化研究. 在固定搭接间距与层厚的情况下, 他们探索了不同打印参数的打印效果,并绘制了24K金的打印工艺窗口，确定了最佳参数. 基于此打印出的黄金小方块层间孔隙很多,说明直接打印纯金不能得到致密的样品。其他研究则多集中在18K金的选区激光熔化，包括打印工艺以及粉末特性对成型的影响等等。 EOSPre-ciousM080纯金打印过程 银的3D打印也多停留在研究层面, 如工艺优化、数值模拟以及组织分析等。2012年有研究人员采用优化的工艺参数打印了复杂的多层结构戒指。 英国cooksongold打印的贵金属艺术品 然而受台阶效应和球化现象的影响，用选区激光熔化制造的产品表面质量与传统失蜡法浇铸的珠宝相比较差, 需要磨抛等后处理工艺。而由于产品形状复杂，后处理常常会用到手工打磨的方式，这增加了时间和金钱成本，成为贵金属激光打印的重要限制因素。 END 金、银、铜的激光增材制造具有广阔的应用前景, 但确实也面临着很多重要问题。理论分析指出光吸收率受材料的电导率和激光波长的直接影响，可采用混合粉末或表面改性的粉末替代原始预合金化粉末进行打印, 或用短波长蓝光或绿光激光打印, 是提高粉体对激光的吸收率、得到品质优良的打印态样品的行之有效的手段。 本期上传： 1.综述中文全文，包含提高金、银、铜等高反射率材料光吸收率的对策，国内外粉末供应厂商，及多张案例图表。 2.EOSPre-ciousM080贵金属3D打印机为防止粉末浪费进行的特殊设计和筛粉方式（视频）。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.重点解析：铜材料的直接打印问题 2.通快采用绿激光打印纯铜

利用太阳能进行海水淡化具有重大的应用前景。为提高海水淡化速率和提高能源利用效率，研究人员提出了利用新型光热转换材料降低热损耗、构筑有效的水/蒸汽传输界面，以及提高光热转换材料的耐用性等策略。然而，目前的海水淡化装置能耗较高，海水淡化的效率、耐久性均有待提高，尤其是盐度升高后的持续淡化仍然是一个巨大挑战。 最近，在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下，中科院化学所绿色印刷重点实验室科研人员在前期构建的快速连续3D打印体系基础上，与美国麻省理工学院合作，利用3D打印技术构建了三维锥形不对称结构蒸发体系，在高盐度下实现了高效太阳能利用和高速水蒸发。为实现高效的光热转换和海水蒸发，通过有效热管理实现高效水传输和蒸发至关重要。 仿生3D蒸发器的设计灵感来自鸟喙和猪笼草近口表面的非对称毛细棘齿的超强液体输送特性 蒸发器采用DLP技术进行打印，研究人员在紫外光固化树脂中添加了碳纳米管和柠檬酸钠，其中前者作为光热材料，后者则作为作为三维蒸发器的表面分布造孔剂。在连续打印过程中，由于切片厚度（5μm）远小于颗粒尺寸，柠檬酸钠颗粒不能随填充树脂流动，因而会在固化结构的表面凝固，待除去表面的柠檬酸钠后，三维结构表面就形成了微孔。 一次阳光照射下水/蒸汽界面蒸汽扩散通量的数值模拟 研究表明：所设计的3D锥形结构表面可以束缚梯度厚度的水膜，同时3D蒸发器的不同高度对太阳光的吸收不同，导致水的蒸发存在蒸发梯度，主要的蒸发位点为3D结构的顶部，因此水膜沿3D结构的侧壁呈现温度梯度，并由于马兰戈尼效应使水流向更快的蒸发区域，从而显著提高水蒸发速率和能量的利用效率。高盐度水蒸发时，水膜厚度梯度和蒸发场梯度导致3D结构表面存在盐的浓度梯度和顶部盐结晶特征，结晶的盐很容易去除，因而可以连续工作。该系统的海水淡化速率达1.72 kg m-2 h-1，有很强的应用前景。 该研究成果近日发表于Nature Communications，研究原文已上传。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.哈佛：多材料多喷嘴，高频无缝切换3D打印系统实现功能器件制造 2.光固化创新突破：一种无支撑多材料成型方法

材料是增材制造技术的基础，新材料的创造有望为增材制造技术增添新的内涵，并扩展这一先进技术的应用领域，从而为增材制造技术的未来发展提供新的机遇。应用增材制造技术“创造材料”的概念是基于从“使用材料”到“开发材料”逐步进化的科学过程。有研究表明，增材制造技术可以从根本上改变或扩展与结构-属性-工艺合成-性能相关的传统材料科学研究和工程应用，多种材料和多尺度结构为优化零件的整体性能提供了可能的途径。 结合材料设计，增材制造技术在新材料研究方面将有非常广泛的应用前景和研究价值。中国航发北京航空材料研究院的研究人员在此前发表综述性文章，较全面地呈现了增材制造技术在新材料研究方面的研究进展，重点评述了增材制造的材料设计，原料的选择，制造过程中的冶金行为和合成原理，以及由此产生的微观组织和性能，以及这些因素之间的关系。在此基础上，提出今后的研究方向或思路。 文章亮点 （1） 综述了近年来增材制造技术在制备新材料方面的研究进展； （2） 从材料冶金、界面反应等角度评述了一些令人鼓舞的结果； （3） 强调运用增材制造技术“开发新材料”或“创造新材料”的理念； （4） 提出目前在增材制造领域仍存在一系列有待解决的科学、技术和工程问题。 重要知识 （1）粉末粒度和粒度分布的影响——粉末粒度分布对其流动性和热行为以及制品的机械性能有重要影响，增材制造部件的成形质量可由颗粒尺寸、尺寸分布、表面粗糙度和形状确定。 （2）精细微观结构的制备方法——激光增材制造过程中的原位反应，在原材料中添加难熔颗粒和添加稀土元素是有利于在增材制造构件中形成更精细微观结构的三个重要方法。另一方面，将磁场、振动或其他辅助措施结合到激光增材制造过程中，对改善激光增材制造构件的微观结构和性能具有很大的潜力。综合应用以上这些手段，将研究开发出一系列性能优异的新材料，因此这个领域充满了创新机遇。 （3）通过增材制造创造新材料——增材制造过程是一种的典型的极端非平衡凝固过程，其熔化和凝固行为完全偏离了常规制备工艺的平衡/近平衡凝固过程，这为增材制造新材料的研发提供了想象空间。采用增材制造工艺开发功能梯度材料、陶瓷增强金属基复合材料、超高温陶瓷或陶瓷基复合材料、高熵合金等新材料具有重要的研究和应用潜力。增材制造为新材料的研发开辟了全新的可能性，而这些材料可能难以通过传统工艺制备。 （4）高附加值产品修复与再制造——增材制造技术不仅可以应用于结构和材料的制备，还可以应用于零件的修复与再制造。针对具有经济价值高、制造周期长的这一类构件，例 如航空发动机和燃气轮机零部件，对零部件服役损伤和加工缺陷进行增材制造修复与再制造，可以有效节约成本，缩短周期。 （5）深刻理解和应用增材制造新材料的挑战——未来新材料增材制造面临的主要挑战包括：为获得增材制造部件所需的性能进行原材料设计；控制成形过程中的应力和变形、深入理解成形工艺和合成原理的；微观结构和性能的可再现性；降低各向异性程度的必要性；制造部件内部缺陷的预防，部件的无损检测，以及增材制造材料或相关部件制备的标准制定。采用计算机模拟精确预测微观组织结构，建立增材制造新材料的综合力学性能数据库，会变得非常必要，未来也许要花很长时间才能解决这个复杂的问题。 END 针对增材制造用材料，加强现有材料筛选、优化和制备研究，建立增材制造用材料标准体系；针对增材制造结构工艺控制，加强尺寸和设备精度、工艺路线合理化、过程质量控制、冶金质量控制等关键技术研究，满足增材制造结构的成形工艺需求， 建立以增材制造结构为基础的工艺控制系列标准；加强增材制造结构和材料的失效分析、检测评价和寿命预测技术研究，为增材制造零件可靠应用提供基础技术，建立合理可靠的增材制造零件的检测评价系列标准。加强结构和材料的基础研究和关键技术研究，为未来应用做技术储备，开展相应的标准系列研究。 本期上传：本综述完整版本。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.北航Science: 3D打印抗疲劳高性能镍钛合金 2.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 3.最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹 4.最新研究：调整增材制造工艺参数，控制材料凝固过程，实现性能可控

超高强度钢一般是指屈服强度大于1380MPa的高强度结构钢，这种材料通常不易加工成型，且工艺成本高昂，采用3D打印制造则具有显著优势。 为了生产出具有高度几何形状控制的高强度零件，来自美国德州A&M大学的研究人员采用SLM技术对低合金超高强度马氏体钢AF9628进行了研究，最终成型出拉伸强度高达1.4GPa，延伸率高达11%的组织结构。研究人员称这是迄今为止3D打印金属材料有报道以来的最高性能。 3D打印零件的性能对工艺参数极为敏感，要获得稳定的打印参数往往需要大量的实验。研究人员通过建立工艺参数优化模型，并对模型中的各个相关系数进行修正，优化出了高强马氏体钢最优的打印参数。 研究路线图 通过利用Eagar-Tsai模型来描述打印工艺参数对熔池几何形貌和温度分布的影响，研究人员将输入参数分为两类：一类是热输入参数包括激光功率、扫描速度和激光高斯热源半径；另一类是材料参数，包括热导率、密度、比热、熔点和激光吸收率。并利用统计方法对该模型的不确定性进行校正，结合特殊设定的单道打印实验结果对模型偏差进行校正。提出以搭接量标准来预测熔宽和熔高，获得最优搭接量，建立工艺参数指导图。最终在保持全密度的同时，通过灵活选择工艺参数来局部调整微结构，从而改善材料的机械性能。 不同打印参数下的致密度 总的来说，采用基于搭接量评价的数学模型，能很好的预测打印过程中熔池的几何尺寸，控制好搭接量便能很好的控制打印样品的性能。这种方法有利于减少实验次数，特别是对于新材料的工艺探索是一种行之有效的方法。 美陆军研究实验室打印的AF96材料复杂形状零件 在应用方面，3月5日，美国陆军作战能力发展指挥部的陆军研究实验室，材料制造科学家使用AF96粉末3D打印了超高强度的复杂零件。陆军研究人员表示，这种钢合金具有惊人的品质，在地面车辆更换零件方面具有潜在应用，而且这种材料可能比商业上可获得的材料强约50％。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹 2.知识回顾：粉末床熔融过程中的冶金问题和质量控制 3.采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计 4.西交大最新：3D打印单晶高温合金突破经典理念 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：顶刊：3D打印出1.4GPa超高强度钢，致密度达99.25%

SLM能够以相比其他增材制造技术更高的尺寸精度制造复杂形状，通过将拓扑优化与铝合金相结合可以实现更优的轻量化组件生产。通常能够用于SLM良好成型的铝合金仅限于Al-Si二元体系，打印过程中一般不会出现结构缺陷。然而此类铝合金一般属于铸造材料，机械性能低，不能满足轻质零件所需的性能。 锻造铝合金（如2xxx或7xxx系列）因为其增强的比强度在汽车和航空航天业领域获得大量应用，是商用最强力的合金之一，因此采用SLM制造具有重要的应用潜力。然而，锻造铝合金是专为冷轧工艺设计，采用SLM打印很容易发生严重开裂。虽有研究通过改变工艺参数来抑制开裂和后热处理来改善机械性能，但却并未用于有效实践。 ▎对材料本身合金元素进行研究 近日，来自日本的科研人员研究了硅含量对选择性激光熔化（SLM）可加工性的影响以及所制备样品的性能。对于7075合金，硅含量过高会导致延展性降低和样品破裂，硅含量较低则无法抑制微裂纹。因此确定最佳硅含量为5%时，是消除具有增强的拉伸强度和可接受的延展性的裂纹所需的最低硅含量。 7075样品的最大和最小相对密度之间的范围 研究表明，通过SLM制造的7075合金零件存在发生严重开裂的问题，添加硅则可以消除重大缺陷，并且硅含量的改变有利于改善材料微观结构形态和机械性能。随着硅含量的增加，SLM样品中的空隙和裂纹得到抑制，促进了样品的致密化，材料的最大相对密度也得到了改善。 通过在最佳激光条件下加工7075 + 5%Si合金，可获得100.2%的最高相对密度，并且提高了维氏显微硬度和0.2%的屈服强度。7075+16%Si样品的硬度约为未改性7075的两倍。相反，过多的硅含量则导致脆性，这表现为在拉伸试验中测得的轻微延展性以及SLM过程中样品的断裂。在SLM工艺过程中7075+13%Si和7075+16%Si样品会自动断裂。 7075+13%Si和7075+16%Si粉末制备的样品外观 总体说来，硅是铝合金中一种应用普遍且价格低廉的合金成分，它可以抑制SLM制造7075合金过程中的微裂纹。而且，目前尚未观察到硅与其他合金成分（包括Cu，Zn和Mg）的相互作用，这表明类似的方法可能适用于SLM技术的其他锻造铝合金。同时该研究有望作为一种能够在不限制制造几何形状的情况下稳定地消除裂纹的方法。 注：相关研究已上传QQ群867355738。 ▎延伸阅读：2019年有多款高强铝合金上市 2017年，美国休斯研究实验室（HRL）发表于nature的一篇关于铝合金3D打印的研究文章引起广泛关注。研究人员受熔铸工艺启发，通过将纳米颗粒作为成核剂与液体金属混合来孕育晶种，从而实现在温度梯度较大和凝固速度快的非平衡条件下实现晶体精细生长，从而提高了产品的性能。 受此影响，高强铝合金的研究普遍得到重视，并于去年获得研究成果的爆发，2019年有多款高强铝合金上市。 3D打印的6061铝合金 3月，国内长沙新材料产业研究院通过添加稀土元素及化学成分调整、后处理工艺摸索等手段，成功研制出了一种高强铝合金粉末材料。通过在国内多家用户不同型号设备上机使用验证，此种合金粉末材料的成型零件室温拉伸强度达到535MPa以上，屈服强度达到510MPa以上，延伸率达到12%以上，与空客公司研发的高强铝合金粉末产品性能相当。 8月，莫纳什大学吴鑫华院士领导的研究团队成功开发出了牌号为Al250C的高强高韧增材制造专用铝合金材料，为3D打印铝合金材料再添一名明星成员，其拉伸强度目前已超过600Mpa，屈服强度可达580MPa，延伸率11%，制备的构件在250℃高温下通过了持续5000小时的稳定试验，相当于发动机常规服役25年的要求。此举受到了包括美国通用、波音、雷神、赛峰等多家航空巨头的重视。 苏州倍丰采用SLM制造的民用飞机铝合金大型复杂结构（接近800mm） 同月，英国铸造公司Aeromet International宣布了一项突破性成就，其专利A20X铝合金粉末已成为目前市场上用于增材制造高强度铝合金粉末之一。该材料经热处理后拉伸强度为511 MPa，屈服强度为440 MPa，伸长率为13%。基于该材料开发的航空散热结构件已成功替代传统采用钛合金制作的中温构件，并帮助法国某型号发动机实现瘦身。 10月，此前发表nature研究文章的HRL将成果商用化，其开发的3D打印用高强7A77.60L铝合金正式投放市场。该材料因使用锆基纳米颗粒作为成核剂，避免了7075和6061铝合金在采用激光进行打印时出现的易开裂问题，并可实现细晶粒微观结构，强度超过600 Mpa。 HRL使用高强7A77铝合金探索先进设计 END 借助颗粒增强获得的铝硅基复合材料可显著提高传统的铝硅合金的力学性能，已经被广泛的研究并在实际工程中获得应用。根据SmarTech的介绍，铝合金占金属3D打印中所有金属粉末的消耗量（按体积计算）将从2014年的5.1%逐渐提高到2026年的11.7%左右。铝合金正在追赶上钛、镍和钢等材料，成为支持增材制造下一代发展的重要机遇。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.HRL使用高强7A77铝合金探索先进设计和创新应用 2.制约铝合金3D打印应用的六大因素及国内外高强铝合金的商用进展 3.北航最新Science: 3D打印抗疲劳高性能材料—镍钛合金 4.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹

航空发动机叶片由成本昂贵的单晶镍基高温合金制成。由于服役环境苛刻，单晶叶片容易受到局部损伤，发展可靠的叶片修复技术对航空发动机延寿、降成本至关重要。近些年来，3D打印凭借其“精准定位、可控增材”的特点在单晶叶片的修复/再制造领域展现出诱人的应用前景。 激光增材制造修复叶片 然而，3D打印材料凝固过程冷却速度快的突出特点，极易造成高残余应力和高位错密度的亚稳态微观组织结构。这种亚稳态结构在标准热处理或服役过程中容易发生再结晶，导致材料高温力学性能下降，造成安全隐患。 2月20日，由西安交通大学、美国麻省理工学院以及美国约翰霍普金斯大学组成的研究团队刊文指出，从微观结构演化的规律入手，为3D打印单晶高温合金定制热处理制度，可以解决单晶叶片3D打印修复后的再结晶问题，并提出了高温合金塑性变形回复的新机制。 3D打印镍基单晶的微观结构演变，与研究的新型高温还原退火相比较图 高温合金的标准热处理制度一般由固溶、时效组成，实践证明该工艺流程会导致3D打印高温合金发生再结晶。研究团队经过系统的文献调研与综合分析，提出并证实在固溶前增加“回复”（Recovery）步骤，可以消除再结晶驱动力。 经过“回复-固溶-时效”处理，高温合金的残余应力伴随微观组织γ′相的定向粗化而消除，位错密度可降低至热处理前的5%左右，时效后沉淀强化γ′相达到与铸态基材相同水平。因所发现的现象与高温合金在高温蠕变条件下发生的筏化效应（Rafting）相似，且在事实上起到了回复的效果，故将其命名为“筏化-回复”效应（Rafting-enabled recovery）。 镍基高温合金叶片 这一发现为防止3D打印单晶由于残余应力未消除而开裂提供了一种实用方法，为增材制造修复、恢复和重塑其他高温合金单晶产品铺平了道路；突破了经典观念所认为的“单晶高温合金不具备回复能力”的认知，为设计3D打印高温合金的非标准热处理制度提供了科学依据，并表明新的热处理制度完全能满足3D打印单晶叶片修复的需求。 注：文章题为《利用“筏化-回复”效应抑制3D打印修复单晶高温合金的再结晶》，已上传。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 2.北航最新Science: 3D打印抗疲劳高性能材料—镍钛合金 3.最新研究：调整增材制造工艺参数，控制材料凝固过程，实现性能可控

增材制造的工艺参数（如激光功率、扫描速度、搭接间距、扫描策略等）对成型后的微观组织和力学性能的稳定性有着极大的影响。因粉末物性及成形工艺的差异，基于时空约束下的成形过程中，高能激光束与粉末在多场耦合交互作用下粉末的熔化/凝固行为极为复杂，导致难以有效调控成形过程及质量。 理解具有多个变量物理过程的一种方法是使用过程图，这可以帮助显示多个参数之间的经验关系。该技术此前已应用于激光焊接工艺，目前也已用于了解增材制造工艺，包括实际的机器设置、无量纲参数的使用等，从而有助于比较增材制造工艺之间的关系。采用合适的工艺窗口来更好的控制制造过程，同时能获得制造过程中的热模拟模型，以便掌握零件制造过程中的受热变化。 多材料SLM工艺标准化处理图谱（来源已上传） 而热模型可以用来模拟增材制造材料凝固过程中的微观组织变化、热梯度变化以及固液界面的液体流速变化等，最终可获得对应的增材制造过程中的微观组织变化规律。但是这不仅忽略了凝固过程中的形核与长大过程，而且还忽略了凝固组织取向的变化对力学性能带来的影响。 2月15日，美国加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员在金属材料领域顶刊Acta Materialia上发表题为“Solidification-driven Orientation Gradients in Additively Manufactured Stainless Steel”的论文。研究表明，在凝固方向上，晶粒内部存在一定的取向差，并且其取向差与成分偏析有关，这对3D打印的材料设计提供了一种思路（论文已上传）。 研究简介 作者基于LENS增材制造技术制备样品，利用基于飞秒激光TriBeam系统、FIB以及EBSD技术对样品进行逐层扫描，获得每一断层的EBSD数据，再进行三维重构，从而得到晶粒组织的三维形貌。利用K均值聚类算法，获得晶粒的形核位置，以形核位置的取向为基准，标定晶粒在生长方向上的的取向差，并讨论了三维晶粒形成的原因，发现随着晶粒在热梯度方向上的凝固，晶粒最后凝固的部分具有最大的取向差；并结合Scheil-Gulliver凝固模型，分析得到取向差与元素分布的存在对应关系。 晶粒组织的三维形貌重构 增材制造过程中形成的偏析很难通过后续的热处理消除，而偏析对于材料的性能具有不利影响，如材料的耐腐蚀性能。材料中形成的局部取向差可能会导致应力集中，这对材料的力学性能不利，进而降低材料的使用寿命。 通过调整增材制造工艺参数，控制材料的凝固过程可作为减小凝固形成取向差的一种方法，从而提高材料寿命。同时，可根据传统材料的成分，调整成分配比，减小凝固过程中低温条件下的液相体积分数，从而减少偏析。这为增材制造的材料成分设计提供了一种思路。 元素分布于取向差的对应关系 增材制造控形与控性 增材制造具有丰富的科学内涵，主要体现在：围绕“增”字，涉及“工艺调控基础”，对于激光增材制造则涉及高能激光与金属粉体作用机理及复杂构件逐层堆积工艺调控机制；围绕“材”字，涉及“材料设计基础”，主要涉及增材制造金属、合金、陶瓷及复合材料设计制备方法及成形机制；围绕“制造”一词，则涉及“结构与性能基础”，尤其是增材制造构件微/宏跨尺度组织与结构优化及性能调控机理。 美国国家增材制造创新研究院发布的新版美国“增材制造技术路线图”将设计、材料、工艺、价值链和增材制造基因组等5个技术领域设定为关键技术领域，并按照技术成熟度分别对各领域在2020年前的发展重点进行规划。路线图特别强调：在设计方面，需对增材制造结构、工艺、组织及性能/功能进行广义的设计与调控；在材料方面，实现增材制造现有材料及新材料的系列化；而在工艺与性能方面，需提升工艺调控及性能评价能力。可见，激光增材制造构件要实现控形与控性，需通过材料—结构—工艺—性能一体化调控与优化，这是由增材制造技术自身的科学内涵所决定的。 增材制造凝固过程的晶粒取向梯度研究，无疑是从微观尺度进行成型过程控制的工艺研究和材料研究，最终的结果将是有助于增材制造控形和控性的实现。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.金属材料选择性激光熔化过程中的冶金问题和质量控制 2.采用人工智能和3D打印设计超级材料 3.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 4.北航最新Science: 3D打印抗疲劳高性能材料—镍钛合金

在此前的文章中，我们曾经提到3D打印可以分为宏观尺度和微观尺度的概念。在宏观层面，那些毫米级以及更大尺寸的3D打印物体已经获得各行各业的应用；而在微观层面，建立在纳米级和微米级尺度上的3D打印对象似乎离我们很远很远。然而实际上，宏观尺度的3D打印需要建立在微观尺度上，才能实现更高速度的精确打印，Carbon 3D的CLIP技术是如此，惠普的MJF技术也是如此。 2020年1月，德国最顶尖的理工科大学之一—卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究人员发表文章，宣布已经开发出一种新系统，能够将一束激光分成九束，从而可以以前所未有的速度打印具有亚微米级细节的高精度、厘米大小的物体。 ▌单个体素大小与体素打印速率的乘积等于3D打印的速率 体素是体积元素（Volume Pixel）的简称，是数字数据基于三维空间分割的最小单位，无数的体素最终组成了大型且复杂的三维结构。从微观结构考虑3D打印的速度，就涉及到两个重要的因子，即体素的3D打印速度和最小可访问的体素尺寸。 体素3D打印 理论上，单个体素的大小与体素打印速率的乘积等于3D打印的速率。假设在3D打印速度恒定的情况下，体素的尺寸减小十倍，则体素的体积会减小1000倍，那么体素的打印速率就需要提高1000倍。 不同3D打印工艺与体素大小、峰值打印速率之间的关系 到目前为止，通常一个激光点每秒可以产生数十万个体素，如SLS技术每秒可以打印约105个 体素，这意味着它比二维喷墨打印机慢了近一百倍，这阻碍了迄今为止的许多应用。FDM的打印速度更慢，每秒的打印速度仅为几百个体素；改进后的CLIP技术，在体素大小为300 µm的情况下，打印速度也可以达到105个体素；轴向光刻技术（CAL）可打印体素大小在100 µm至1 mm的范围内，打印速度为103-104个体素。 ▌激光分光3D打印系统，实现快速多焦点打印 卡尔斯鲁厄理工学院研究人员与澳大利亚昆士兰科技大学的同事合作，使用迭代傅里叶变换算法和特殊的光学器件设计了一种将一束激光分成9个子光束的新系统，通过改进的电子控制，所有“子光束”可独立且同时移动，每个子光束聚焦在光敏材料的不同区域上，可以每秒大约1000万（107）个体素的速度使材料成型，这与2D喷墨打印机所达到的速度相对应。 激光分光方案 为了证明其速度和设计的可靠性，研究人员打印了一个60立方毫米的晶格结构，细节尺度达微米级，包含超过3000亿个体素，已经远远超过了3D打印所创造的记录。 包含超过3000亿个体素的超材料结构 所打印结构的扫描电镜图片，显示出3×3焦点阵列内不同焦点之间的缝合以及不同相邻区域之间的缝合 对于这种类型的3D打印，激光束以计算机控制的方式通过液体光刻胶，仅位于激光焦点上的材料才固化。这不仅依靠光学设计和计算机控制，还有赖于化学方面的进展。在此项研究中，最关键的因素为分光元件（DOE）的制造，它的任何缺陷都会破坏单个子束之间的功率分布和均匀性。 激光分光元件可将一个入射激光束分成3×3 = 9个子束：c为元件实际大小；a、b为扫描电镜下的显微结构 将来，多焦点多光子吸收方法可能会扩展到具有更多焦点的激光阵列，从而获得更大的峰值3D打印速率。该研究第一作者文森特·哈恩介绍，多激光焦点与喷墨打印机的喷嘴类似，唯一的区别是它们在三维上起作用。采用该方案能够生产更高精度的微细结构，可用于光学和光子学、材料科学、生物工程和安全工程。 注：关于本研究的详细内容，已上传QQ群。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.生物组织工程技术的变革—体积打印技术 2.2019年10大3D打印技术、材料和应用突破 3.哪些技术的进步推动了3D打印在制造业中的发展 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：德国科学家研发激光分光3D打印系统 创造新世界纪录

高速飞行器是航空、航天领域发展的重要方向，具有重大战略意义和重要经济社会价值。未来几年到几十年，武器装备、飞机、空天往返飞行器等航空航天装备面临着全面更新换代，而高速化是其重要趋势，具有代表性的方案包括中国航天科工集团空天往返飞行器和美国洛克希德·马丁公司的SR-72高超音速概念飞机等。不同于传统的弹道型飞行器，高速飞行器必须在极高的飞行速度下满足远射程、长航时、高机动等性能要求，对飞行器结构系统轻量化设计提出了严峻挑战。 中国航天科工集团空天往返飞行器概念图 目前，国内外采用结构优化技术开展高速飞行器结构设计的公开报道极少。近年来，围绕工程研制需求，北京空天技术研究所与西北工业大学和大连理工大学合作，开展了结构优化方法及其在高速飞行器结构设计中的应用研究。本期，3D打印技术参考分别介绍结构优化技术在零件、组合部件以及飞行器全机概念设计中的应用。 ▌零件设计，以增材制造工艺加工，性能较少向工艺妥协 发动机安装接头用于传递发动机推力，布置在发动机推力传递截面、发动机两侧左右各一个成对使用。该安装接头为集中承载部件，除了要保证其自身强度、刚度以及耐温性要求以外，功能上要实现发动机与机身结构的有效连接及载荷的可靠传递。根据对接头结构形式的分析，采用拓扑优化结合尺寸优化方法开展结构优化设计。重点考虑结构承载性能和轻量化水平，同时兼顾安装可操作性；构件以增材制造工艺加工，故设计中未特别考虑工艺限制。优化后结构刚度指标略有提升，局部最大应力略增、但仍在安全范围内；与面向传统机加工艺的原设计方案相比，减重超过 18%。 安装接头优化设计 舵轴初始设计采用分段机加、焊接连接工艺。根据对舵轴结构形式的分析，依据整体结构拓扑优化结果，进一步应用尺寸优化减重设计与增材制造工艺加工，满足了所有性能要求，减重达 8.7%。零件结构优化设计在工程关键技术攻关阶段实现了改进或原创设计，在保证承载性能的基础上，取得了显著的减重效果。结合金属增材制造工艺，极大缩短了零件设计、制造与验证周期，初步实现了面向性能的结构设计。与以往面向工艺的结构设计相比，性能较少向工艺妥协，设计自由度更大，减重效果更好。 舵轴结构优化设计 ▌部件设计，拓扑优化结合增材制造是实现大幅减重的重要途径 根据飞行器减重和性能优化需求，开展了以舵面为代表的部件结构的优化设计工作，建立了较为完善的同类结构优化设计流程。舵面作为独立部件，在高温与压力联合作用下，必须满足刚度、强度和转动惯量等指标。首先采用拓扑优化获取主传力路径，结合设计人员经验提取结构特征，通过尺寸参数优化对重构模型进行详细设计，使结构减重约10%。结构设计人员在方案论证阶段可以利用部件优化设计方法对结构进行改进。应用案例表明结构优化技术与工程经验相结合，能得到符合功能需求、性能优异且具备工程实现条件的结构。 典型舵面优化设计 飞机发动机的吊挂是连接发动机跟机翼关键的结构，它要传递发动机的推力，以及发动机自身的重量，现在的结构形式是典型的框梁式的结构。中国商飞的设计团队对该部件进行受力分析后进行拓扑优化和重新建模，最终采用3D打印制造出来的吊挂比原来重量减少了1/10，原来的重量有1000多千克，1/10是100多千克，对于飞机设计人员来说，减少100多千克，这是非常了不起的数据。 商飞团队对飞机吊挂进行拓扑优化和3D打印 ▌全机概念设计，以结构系统整体作为设计目标 在概念设计阶段应用结构优化技术开展结构概念方案构建是一项具有挑战性的工作。基于工程前期研究基础，探索了一种基于拓扑优化的高速飞行器全机结构概念设计方法。首先，根据载荷和设计目标估计出初步的最大变形、质心位置、最小一阶频率设计要求，通过拓扑优化快速获得结构质量指标的可实现下限，从而确定一组可用于进一步结构设计的系统性指标；然后，在拓扑优化设计结果基础上，建立参数优化模型 (考虑功能需求，如预留设备空间、增加操作口盖等)；最后，根据上述结构系统性指标建立优化设计约束，以结构系统整体刚度最大作为设计目标，开展尺寸优化设计获得全机参数化模型。在结构概念设计阶段经过以上两轮结构优化，获得的飞行器全机结构概念设计方案可作为后期结构详细设计阶段的重要参考。 某高速飞行器结构概念设计 从图中可以看出，该研究中的高速飞行器与使用超燃发动机的超音速飞行器非常类似。超燃发动机实际上已经成为飞行器的整体结构的一部分，目前国内外均在开展此类大尺寸整体结构的3D打印，具体内容可点击下图查看。 超燃冲压发动机结构 ▌亟需突破的结构优化技术 结构优化方法作为创新设计手段，在高速飞行器结构设计应用探索中已经展现出巨大的能力与潜力。然而，目前的应用仍以冷结构和中低温热结构为主，结构性能主要考虑刚度、强度和固有频率；材料以金属为主，局部使用复合材料；拓扑优化设计结果的解读和特征提取仍依赖于设计人员的手动操作，工艺约束考虑较少；全机概念设计中受限于计算能力，模型规模较小，设计结果粗糙。 结构优化在飞行器设计中的应用 为满足高速飞行器极端载荷环境和高性能指标要求，结构优化技术近期亟待突破或完善以下技术： (1) 建立局部超高温热扩散结构设计技术； (2) 完善大梯度高温热结构拓扑优化技术； (3) 完善动载荷下的结构拓扑优化技术，实现局部动响应特性改善； (4) 发展全新的拓扑优化方法，避免密度法拓扑优化结果特征提取带来的性能损失； (5) 发展面向增材制造的拓扑优化技术，建立增材制造结构件性能评估和质量控制标准； (6) 发展陶瓷基复合材料结构优化设计技术； (7) 进一步针对未来复杂可重复使用结构优化问题，完善不确定结构优化设计方法； (8) 基于并行计算发展超大规模结构高性能分析与优化设计平台，实现大型部件和全机的精细概念设计。 END 结构优化技术在国内外航空航天领域已经得到大量应用，尤其是拓扑优化技术在提高结构性能、降低结构质量中已发挥出显著作用，被行业普遍接受。拓扑优化技术的应用已从肋板、支架、挂架等零件推广到机身、部段甚至整机的优化设计。高速飞行器由于其极端使用环境和严苛性能要求，对结构优化技术与制造工艺具有迫切需求。结构优化技术在零部件以及全机概念设计中具有极大潜力，但仍需要开展更为深入的理论方法和应用基础研究。 大量理论方法研究和工程应用实践表明结构优化技术不但为飞行器结构研制提供了有效的设计工具，更重要的是带来设计理念的变革。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 延伸阅读： 3D打印集成制造的最佳实例：从855个零件到12个零件的非凡效益 中国航发：基于增材制造的微型涡喷发动机轻量化设计及试验 兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者