航空航天是增材制造(AM)發展的關鍵市場驅動力，因爲其高價值的零件往往需要多品種小批量生産、高度集成的複雜結構和快速高效的制造流程。激光增材制造(LAM)航空發動機材料近年來取得了快速而顯著的進展，包括先進的高強度鋼、鎳基高溫合金和钛基合金等。盡管新興材料(如高/中熵合金和異質結構材料)具有良好的機械性能，但在實際應用于發動機零件之前，仍然需要嚴格的表征、測試、鑒定和認證。因此，深入了解這些廣泛使用的航空發動機材料的工藝參數-微觀結構-機械性能之間的關系，對于推動優質高性能合金的發展仍然十分重要。
新加坡制造技術研究院的研究人員對激光粉末床熔融(LPBF)和激光定向能量沉積(LDED)制備的關鍵航空發動機材料進行了綜述，總結了這些航空發動機材料的材料特性和性能範圍，並概述了當前的研究空白區。此外，對LAM面向航空發動機材料的研究機遇、新材料開發、新興技術和新型數字化研發方法進行了展望。近期，該綜述以“Progress and perspectives in laser additive manufacturing of key aeroengine materials”爲題發表在機械與制造領域頂刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上。全文約5萬字，並且包含51個圖和19個表格。
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https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2021.103804
作爲高價值産品行業，航空航天行業一直是先進制造技術發展和應用的強大推動力。隨著航空工業對節能減排、輕量化、可靠性和舒適性要求的不斷提高，傳統的制造工藝已經越來越難以滿足需求。增材制造(AM)獨特的逐層沉積方式，爲制造幾何形狀、材料、性能和功能較爲複雜的零部件提供了無限可能。因此AM的快速發展爲滿足這些行業需求提供了可能性。
AM已在航空航天、汽車、電子、醫療、軍事、建築等行業得到了廣泛應用。全球AM市場規模從2013年的約30億美元迅速增長到2019年的118.67億美元。如圖1所示，近年來年增長率均超過20%。隨著AM行業市場規模的擴大，航空航天行業在2019年將迅速接近20億美元。AM在航空航天行業的應用占據了整個AM市場的很大一部分，這是因爲AM應用于航空航天領域有諸多顯著優勢，包括: (1) 幾何設計和優化的自由度高; (2) 功能組合和零件整體化，減少裝配，提高性能和可靠性; (3) 提高材料利用率和能源效率; (4) 定制和小批量生産優勢; (5)大大縮短産品的生産和交付周期。
圖1. Wohlers Report 2014-2020關于2013-2019年增材制造工業領域的各行業市場規模。
圖3.波音 787 飛機的 GE CF6 渦輪發動機中的材料分布。
圖13.激光增材制造C300馬氏體鋼的室溫拉伸性能彙總及與鍛件標准。
圖14.激光增材制造先進高強鋼的抗拉強度vs斷裂延伸率彙總圖。
圖15.激光增材制造先進高強鋼的強塑積vs屈服強度彙總圖。
圖18.鎳基高溫合金的可焊性隨Al和Ti含量的變化。
圖22.激光增材制造鎳基高溫合金的典型顯微組織特征。
圖26.激光增材制造鎳基高溫合金的室溫拉伸性能彙總。
圖27.激光增材制造鎳基高溫合金的室溫拉伸屈服強度與維氏硬度的關系。
圖28.激光增材制制造鎳基高溫合金的拉伸性能。
圖34.激光定向能量沉積Ti-6Al-4V合金的典型顯微組織特征。
圖35.激光增材制造Ti-6Al-4V合金中晶內亞結構特征。
圖41.選區激光熔化Ti-6Al-4V合金的疲勞性能彙總及與鍛件Ti-6Al-4V合金的對比。
圖45.激光增材制造先進高強鋼、鎳基高溫合金、钛合金以及TiAl合金的室溫拉伸性能彙總及對比。
圖47. (a) 原位電磁攪拌輔助LDED 裝置的示意圖 [451], (b) 同步感應加熱輔助LDED 裝備示意圖 [453], (c) 高強度超聲輔助LDED 技術的工藝原理及其産生的微觀結構 [454], (d) O-LHAM 實驗裝置示意圖。
圖50.激光增材制造專用新材料設計路線歸納圖。
圖51.面向航空發動機的增材制造合金研發新路線的觀點和展望。
LAM克服了傳統制造方法的缺點，在航空發動機領域具有廣闊的應用前景。本文綜述了航空發動機中廣泛使用的先進高強度鋼、鎳基高溫合金、钛合金和钛鋁合金材料的研究現狀和發展趨勢，重點分析了LAM加工工藝、微觀組織(如形態/織構、析出相、相組成/相變)和力學性能(靜態和動態)之間的關系；分析了LAM技術未來的發展趨勢，提出了基于LAM過程中獨特的熱輸入研發專用新材料的方法和思路，設計了航空發動機零部件數字化研發制備路線。
爲了確保飛行安全、經濟和環境效益，先進航空工業對航空航天部件提出了嚴格的要求(如輕量化、高強度、高韌性等)。當最終目標涉及同時優化多種材料性能(例如，高強度、隔熱耐火材料和耐腐蝕性)時，傳統的材料設計和開發中采用試錯法效率極低。因此，面向高質量航空發動機部件的新型研發方式，有助于處理這一複雜的多目標優化過程。數字化技術的進步，如人工智能(AI)和機器學習(ML)，開啓了航空發動機部件數據驅動材料開發的新時代。
圖51所示是作者展望的新型研發路線圖。新的數字化技術可以基于來自高通量實驗基因工程的大數據來模擬最佳合金成分、微觀結構演變甚至零件性能。因此，航空發動機部件的研發將涉及多學科知識和專業知識，包括基于AI/ML的計算、多尺度模擬、在線監測、微觀結構控制、功能增強、後處理、性能測試和結構拓撲優化等。通過研究人員的集體努力、數據共享、加工和測試方法的標准化，增材制造先進高性能航空發動機新材料和功能件將能夠實現。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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