由於(yu) 高價(jia) 值零件的高混合低批量生產(chan) 、集成複雜零件幾何結構和簡化的製造工作流程的巨大需求，航空航天是增材製造製造（AM）發展的關(guan) 鍵市場驅動力。航空發動機材料的激光增材製造（LAM）取得了快速而顯著的進展，包括先進的高強度鋼、鎳基高溫合金和鈦基合金。盡管研究界對這三類材料進行了廣泛的調查，但對高強度鋼的LAM缺乏全麵的審查，在已發表的關(guan) 於(yu) 鈦基合金和鎳基高溫合金的審查中也存在差距。

此外，盡管新興(xing) 材料（如高/中熵合金和異質結構材料）具有良好的機械性能，但在實際應用於(yu) 發動機零件之前，仍然需要嚴(yan) 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(guan) 係，對於(yu) 推動優(you) 質高價(jia) 值合金的發展仍然十分重要。

本綜述旨在對上述航空發動機材料的激光粉末床聚變（LPBF）和激光定向能量沉積（LDED）技術進行關(guan) 鍵和深入的評估。該綜述將總結這些航空發動機材料的材料特性、性能範圍，並概述這些材料的研究差距。此外，還強調了對航空發動機材料的研究機會(hui) 、材料開發和LAM新研發方法的展望。

圖形摘要，從(cong) 工藝窗口、微觀結構特征、機械性能及其相互關(guan) 係（內(nei) 圈）等方麵全麵回顧了激光增材製造（LAM）工藝和關(guan) 鍵航空發動機材料的最新發展狀況。在此基礎上，還強調了航空航天部件的研究機會(hui) 、材料開發和新研發方法的前景（外圈）。

1. 介紹

1．1. 增材製造市場趨勢

作為(wei) 高價(jia) 值產(chan) 品行業(ye) ，航空航天行業(ye) 一直是先進製造技術發展和采用的強大推動力。隨著航空工業(ye) 對節能減排、輕量化、可靠性和舒適性的要求越來越高，飛機製造需要越來越多的高性能材料和新設計。傳(chuan) 統的製造工藝已經達到了滿足要求的極限。因為(wei) AM具有獨特的優(you) 勢和可行性，可以克服製造幾何形狀、材料、性能和功能等複雜部件所帶來的挑戰。因此增材製造(AM)的快速發展為(wei) 滿足這些行業(ye) 需求提供了可能性。

它為(wei) 高精度製造複雜、複合和混合結構提供了前所未有的設計自由，這是傳(chuan) 統製造路線無法實現的。AM的上述優(you) 勢在航空航天、汽車、電子、醫療、軍(jun) 事、建築等行業(ye) 的廣泛工業(ye) 應用中得到了充分發揮和應用。全球AM市場規模從(cong) 2013年的約30億(yi) 美元迅速增長到2019年的118.67億(yi) 美元，如圖1所示，近年來年增長率均超過20%。隨著AM行業(ye) 市場規模的擴大，航空航天行業(ye) 在2019年將迅速接近20億(yi) 美元。

圖1 Wohlers報告了2014 - 2020報告總結了2013-2019年各行業(ye) 增材製造的市場規模

在過去的30年裏，AM在越來越多的應用領域得到了應用。《state of the industry》是一份領先的年度“行業(ye) 狀況”報告，它每年進行一次調查，以找出AM的用途。2011年 Wohlers報告給出了如下關(guan) 於(yu) AM使用區域的數據。

增材製造目前應用的領域，摘自T.Wohlers全球年度進展報告，2011，ISBN 0 975 44 29 - 6-1

１．２． 增材製造對航空航天工業(ye) 的好處

AM在航空航天行業(ye) 的應用占據了整個(ge) AM市場的很大一部分，這是由於(yu) 以下優(you) 勢對該行業(ye) 的適用性。

(1）幾何設計和優(you) 化的自由度。AM使增材製造原料轉換成自由形式的3D組件，如複雜的外部形狀和建築幾何結構。AM還允許拓撲優(you) 化，以製造輕量級組件，通常使用晶格結構，同時提供同等甚至更高的機械性能。

（2）功能集成和部件整合。AM能夠生產(chan) 具有定製材料結構的集成多功能部件，如功能梯度材料（FGM）。圖2a提供了AM為(wei) 增強功能而生產(chan) 的功能性多材料燃燒室的示例，其中Inconel沉積在銅合金表麵上。此外，還可以通過使用AM實現零件整合，從(cong) 而實現特征集成，並提高可靠性和性能。

圖2 (a) Inconel-copper多材料燃燒室，以及(b)用於(yu) LauncherEngine-2的LAM大型單部分燃燒室，燃燒室高86厘米，出口噴嘴直徑41厘米(來自Launcher aerospace);(c)伯明翰大學AMP實驗室LAMed發動機;(d) GE增材製造的噴嘴和(e)燃燒室(來自GE AM);(f)由LAM生產(chan) 的Inconel718噴嘴環(來自SIMTech)。

傳(chuan) 統上，複雜的航空航天組件由多個(ge) 簡單零件組裝而成，與(yu) 激光增材製造（LAM）整合組件相比，這可能會(hui) 降低可靠性和幾何精度，同時增加持續性維護成本。如圖2b所示，世界上最大的單部件燃燒室由Launcher aerospace使用LAM製造，用於(yu) Launcher Engine-2，為(wei) 小型衛星發射器提供了最低的推進劑消耗和每磅推力成本。將多個(ge) 零件整合成一個(ge) 整體(ti) 可以降低成本，實現高性能再生冷卻設計。此外，伯明翰大學的AMP實驗室也強調了使用LAM方法將數千個(ge) 發動機部件合並成多個(ge) 部件的可行性，如圖2C所示。

在使用氣體(ti) 輔助注射成型技術開發程序時，經常忽略的一個(ge) 因素是所涉及的額外成本。除了許可費用和專(zhuan) 利使用費，設備成本加上過程中使用的氮氣也必須考慮在內(nei) 。此外，模具的成本可能會(hui) 高於(yu) 標準注射成型，因為(wei) 除了通過噴嘴技術，氣體(ti) 噴射噴嘴必須集成到模具中。

這些增加的成本必須收回。可能有助於(yu) 收回成本的一些因素是:

零件合並導致更少的模具，更少的機器利用率和減少或消除組裝

使用低噸位機器

質量改進的部分

減少周期時間

更少的廢品

更輕的重量(更輕，更少的材料)

（3）材料和能源效率。就材料使用而言，LPBF的材料損耗約為(wei) 5%，遠低於(yu) 傳(chuan) 統的減法製造，減法製造可產(chan) 生高達95%的材料損耗。通用電氣（GE）使用LAM設計和加工燃料噴嘴（見圖2d），以減輕重量（25%）並降低燃料消耗，從(cong) 而將成本效率提高30%。圖2e和圖f所示的片狀燃燒室和噴嘴環是典型的材料節約案例，具有近淨形狀形成，與(yu) 傳(chuan) 統的鍛造鑄錠加工相反，後者將浪費大部分材料。

圖2

此外，通過使用LAM實現飛機部件的重量減輕是降低燃油消耗的非常有效的措施。據報道，商用飛機每減輕一公斤重量，每年可節省約3000美元的燃油，並大幅減少碳排放。

實驗燃燒器的原理圖如圖所示。它的特點是一個(ge) 空氣輔助燃料噴嘴，名義(yi) 上額定每小時0.5加侖(lun) 。在本研究中，煤油作為(wei) 燃料，空氣作為(wei) 霧化氣體(ti) 。

實驗用雙同心噴霧燃燒器。尺寸單位為(wei) mm

工業(ye) GTs的燃燒室部件，如燃燒器或內(nei) 襯，是大型、厚壁元件，由鑄造或焊接的鎳基或鈷基合金(圖9.9)。這些部件的側(ce) 壁與(yu) 燃燒氣體(ti) 直接接觸，燃燒溫度為(wei) 1400-1700°C。15另一方麵，牆體(ti) 通過壓縮空氣冷卻，將材料的溫度限製在900°C左右的可接受水平，以滿足機械和環境負荷的要求。

HGP中的塗層部件:帶有內(nei) 襯段的燃燒室、帶有塗層葉片和葉片的燃燒器和渦輪。

(4)定製和小批量生產(chan) 。與(yu) 傳(chuan) 統製造工藝相比，大批量生產(chan) 的LAM往往更昂貴。然而，考慮到模具製造、加工工具和庫存的高投資成本，LAM對於(yu) 航空航天行業(ye) 常見的小批量定製零件更具成本效益。

傳(chuan) 統的製造工藝路線嚴(yan) 重限製了經濟地製造複雜形狀零件的自由度，尤其是當需要小批量時。生物醫學行業(ye) 是受傳(chuan) 統製造限製的應用的一個(ge) 明顯例子，因為(wei) 它需要為(wei) 每個(ge) 患者定製非常複雜的形狀。替代方法包括逆向工程和快速原型製造，已經得到了廣泛的關(guan) 注，分層加工方法的發展逐漸演變為(wei) 附加製造。

3D打印技術在任何形式的材料結構（如長絲(si) 、粉末或樹脂）中的成功在很大程度上取決(jue) 於(yu) 加工技術。因此，通過工藝參數選擇合適的材料形式對實現目標性能起著至關(guan) 重要的作用。對於(yu) 複合材料而言，確定基體(ti) 和鋼筋之間的界麵至關(guan) 重要，因為(wei) 當界麵足夠堅固以避免脫粘和纖維拉拔時，複合材料的強度會(hui) 提高。其他需要考慮的參數包括形狀、尺寸、方向和基體(ti) 鋼筋的分布。材料的微觀結構分析是執行的合適方法。

PMMA粉末的掃描電子圖像

例如，上圖顯示了用於(yu) 評估選擇性激光燒結（SLS）工藝的顆粒尺寸和均勻性的PMMA粉末顆粒測量。選擇性激光燒結工藝的推薦粒度為(wei) 50–70μm。然而，微觀結構性能與(yu) 混合規律成間接比例，複合材料的體(ti) 積分數在決(jue) 定三維結構性能方麵具有重要作用。在某些情況下，複合材料需要均勻分布鋼筋，盡管這很難實現。除了物理性能外，化學性能也是3D打印中考慮的關(guan) 鍵因素。例如，熱塑性塑料適用於(yu) SLS和熔融沉積建模（FDM）。另一方麵，熱固性塑料適用於(yu) 材料噴射和立體(ti) 光刻（SLA）。金屬采用選擇性激光熔化和粘合劑噴射工藝印刷。砂和粘土等陶瓷可以使用粘結劑噴射工藝進行處理。

(5)縮短了製造生命周期。近淨成型LAM組件所需的較低加工時間的好處可以減少產(chan) 品製造提前期。Rolls-Royce報告稱，使用LAM可節省30%的生產(chan) 時間，而波音公司則聲稱，零件數量和安裝時間的減少導致總時間減少了50%。利勃海爾航空用額外製造的零件取代了傳(chuan) 統的主飛行高壓液壓閥塊組件，該零件重量減輕了35%，組件數量減少了10個(ge) ；因此，將所需的製造時間減少75%以上。

切斷閥的分解圖

在隔斷閥中，多個(ge) 隔膜閥被機械地集成到一個(ge) 閥體(ti) 中，不同的供應商提供不同的配置，並且它們(men) 可以由不同的結構材料製成。上圖顯示了一個(ge) 典型的塊配置。閥塊在流道中的優(you) 點包括更低的內(nei) 部體(ti) 積和顯著減少工藝係統所需的管道。這裏討論的閥門部件對於(yu) 單隔膜閥和隔斷閥是一樣的。單閥和隔斷閥的維修和備件基本相同。

1.3. 動機和範圍

在上述優(you) 勢的推動下，航空航天行業(ye) 一直在探索使用AM生產(chan) 飛機部件，包括各種鉸鏈、支架、內(nei) 部部件、輕質機身、機身設計，甚至包括發動機部件，如帶有內(nei) 部冷卻通道的渦輪葉片，燃料噴嘴、壓縮機和集成管道係統。值得注意的是，航空發動機是飛機的心髒，是現代工業(ye) 皇冠上的寶石。航空發動機最廣泛使用的高價(jia) 值材料是鋼、鎳基高溫合金和鈦合金，如圖3所示。鋁合金和複合材料不是航空發動機的主要組成部分；此外，還回顧了鋁合金和顆粒增強金屬基複合材料的LAM的最新進展。因此，本綜述的重點是高強度鋼、鎳基高溫合金和鈦基合金。

圖3 波音787飛機通用CF6渦輪發動機的材料分布適應與(yu) 許可

盡管AM研究團體(ti) 對這三種材料家族進行了廣泛的調查，但沒有對AM高強度鋼進行全麵的審查，也沒有對鈦合金和鎳基高溫合金進行最新進展審查。例如，最近對鎳基高溫合金的審查僅(jin) 集中在Inconel 718上，為(wei) 進一步涵蓋新開發的鎳基高溫合金（例如WSU 150和單晶高溫合金）提供了機會(hui) 。盡管對Ti-6Al-4V的AM進行了大量報告審查，但對於(yu) Ti-6Al-4V以及TiAl合金等其他Ti合金的典型微觀結構、竣工靜態機械性能和片狀Ti合金的疲勞性能，仍然缺乏更廣泛和全麵的總結。

12Cr-l的顯微結構。5Mo-lW鋼(熱處理6455)，在不同溫度下時效1000小時，在50%的HNO3中電解腐蝕，極性相反。

在不同溫度下時效的冷軋12Cr-1.5Mo-lW鋼的微觀結構如圖所示。當時效溫度升高至700℃（1290℉）時，顯微結構穩定。在700℃時，觀察到一些晶內(nei) 析出物的溶解和晶界析出物的粗化，但在此溫度之前，未發生明顯的微觀結構變化。通過x射線衍射確定沉澱主要為(wei) M23C6。在725C（1340F）下，觀察到再結晶和析出物粗化，這兩(liang) 種效應都隨著溫度的升高而加速。

此外，層狀鈦合金中一些最關(guan) 鍵的問題，例如，如何在其建成狀態下誘導高延展性以及等軸β和α結構的形成機製通常未被考慮。LAM工藝過程中複雜的激光-材料相互作用使得很難概括不同航空發動機材料的工藝參數-微觀結構-力學性能之間的關(guan) 係。深入了解不同航空發動機材料之間的這種關(guan) 係，可以推動優(you) 質高價(jia) 值航空發動機材料和先進尖端LAM設備的發展。然而，現有的綜述傾(qing) 向於(yu) 關(guan) 注這三種廣泛使用的航空發動機材料中的一小部分。

這項工作的動機是對這些特定高性能合金的LAM進行嚴(yan) 格和專(zhuan) 門的審查，以總結其進展，並確定研究機會(hui) 和差距。因此，本文對LAM處理的航空發動機材料進行了深入的綜述，包括先進的高強度鋼、鎳基高溫合金、鈦合金和鈦鋁化物。

本文綜述和闡述了LAM工藝特點、微觀結構和織構演變、相形成和轉變、力學性能以及研究趨勢和前景。還將根據文獻報告繪製這三類航空發動機材料在加工窗口、強度-延性組合、疲勞性能、室溫/高溫性能等方麵的材料特性屬性圖。本評論旨在為(wei) 研究人員提供關(guan) 鍵航空發動機材料激光增材製造的完整最新信息，並鼓勵在新型先進航空發動機材料的激光增材製造方麵進行更具啟發性的科學研究，以促進該技術在航空發動機行業(ye) 的應用。

2.激光增材製造工藝

LAM技術利用激光束作為(wei) 能源。綜述了兩(liang) 種LAM工藝，特別是將粉末分散在襯底上的激光粉末床聚變技術和以粉末為(wei) 原料的定向能沉積工藝。根據ASTM標準F2792-12a的分類和定義(yi) ，兩(liang) 種LAM工藝被稱為(wei) 激光粉末床熔合（LPBF）和激光定向沉積工藝（LDED）。

缺乏支撐結構也意味著零件可以自由堆放在粉末床中，增加了每次生產(chan) 中可生產(chan) 的零件數量，從(cong) 而提高了生產(chan) 率（如下圖）。然而，在從(cong) 截留體(ti) 積（如封閉孔隙）和細通道中去除未熔合粉末方麵存在一些設計限製。PBF技術的另一個(ge) 優(you) 點是可以加工的材料範圍廣泛：理論上，任何可以熔化和再溶解的材料都可以與(yu) PBF技術一起使用。但實際上，目前情況並非如此；本章將討論產(chan) 生這種情況的原因。

由多個(ge) 單獨部件組成的典型激光燒結成型裝置。因為(wei) 不需要支撐結構，零件可以自由放置在整個(ge) 構建卷中，而無需連接到下麵的零件。

PBF包括以下過程：直接金屬激光燒結（DMLS）、電子束熔煉（EBM）、選擇性激光熔煉（SLM）和選擇性激光燒結（SLS）。PBF使用激光源（SLS、SLM、DMLS）或電子束（EBM）直接和選擇性地熔化或燒結材料層，以形成固體(ti) 零件，而不是在粘合劑噴射過程中使用粘合劑。如果采用激光源，則沉積過程在惰性氣氛（如氬氣或氦氣室）中進行，以防止材料在高溫下氧化。使用電子束需要一個(ge) 真空室。

下圖顯示了SLM過程的原理。首先，將金屬顆粒噴塗在基板（基板）頂部。這些粉末隨後被激光熔化，然後凝固形成橫截麵。之後，基板向下移動一層厚度，並通過粉末重塗機構將另一層粉末噴塗在印刷部件的頂部。材料再次選擇性地熔化和固化以形成橫截麵。多層粉末的連續熔化和固化導致最終零件的製造。PBF可用於(yu) 加工多種粉末材料，但常用的材料是金屬和聚合物。粉末通常為(wei) 球形，SLM的粒徑通常在15-40μm之間，SLS的粒徑通常在20-80μm之間，EBM的粒徑通常在40-100μm之間。

選擇性激光熔化過程的說明。e.louvis, P. Fox, C.J. Sutcliffe, Selective laser melting of aluminum components, J. Mater

2.1. 激光粉末床聚變

為(wei) 了製造結構極其複雜的高性能金屬零件，Fraunhofer激光技術研究所的Meiners等人和大阪大學的Abe等人於(yu) 1996年首次提出了LPBF技術的概念。然而，在LPBF技術的早期發展階段，由於(yu) 粉末未熔合且熔化後易發生粉末球化，製造零件的密度和強度不足以應用。隨著高性能光纖激光器的集成和LPBF工藝的優(you) 化，LBPF製造的鈦合金、高溫合金、鋼和鋁合金的成形精度、密度和機械性能得到了顯著提高。此後，LPBF技術逐漸成為(wei) 醫療、汽車、航空航天等領域的主流商業(ye) 化AM技術之一。

LPBF技術工作流程如圖4所示。首先，重水器刀片在基板或先前形成的層上鋪展一層金屬粉末。然後根據零件的二維截麵形狀，利用激光束以一定的速率進行選擇性逐點輻照掃描，從(cong) 而使輻照後的金屬粉末熔化。當激光束離開時，這些熔化的金屬粉末迅速凝固。隨後，建造平台將降低一個(ge) 與(yu) 層厚度相對應的指定高度。重複上述過程，直到整個(ge) 零件製造完成。需要注意的是，工藝參數，如激光功率、掃描速度等，需要與(yu) 粉末材料和粉末層厚度相匹配，以獲得致密且無缺陷的零件。

圖4 激光粉末床聚變技術示意圖

整個(ge) LPBF工藝通常在惰性封閉環境中進行，以避免高溫氧化，平均粒徑約為(wei) 30μm。LPBF製造部件通常具有以下特點：1）可實現的相對密度通常高於(yu) 95%，甚至99.9%。2）較小的激光束尺寸使製造的零件具有較高的尺寸精度（可達到的最高精度為(wei) ±0.05 mm）和優(you) 異的表麵質量（Ra≤10μm）。3）快速冷卻和凝固速度產(chan) 生了極其精細的微觀結構（一次枝晶臂間距通常為(wei) 幾百納米），這使得鑄造和鍛造零件的機械強度優(you) 於(yu) 或相當。

然而，LPBF技術仍有以下局限性：1）LPBF技術通常用於(yu) 製造相對較小和精確的零件，因為(wei) 其製造效率低，尺寸精度高。2） LPBF過程中的粉末球化也很難消除，導致小孔的形成和機械性能的惡化。3）由快速加熱和冷卻速率（高達106–108 K/s）引起的不均勻溫度分布會(hui) 導致較大的殘餘(yu) 應力，從(cong) 而導致變形甚至裂紋形成。

2.2. 激光定向能量沉積

激光定向能量沉積（LDED）技術是20世紀90年代初由世界各地的許多研究機構獨立開發的。因此，它有許多不同的術語，如激光固體(ti) 成形、激光金屬沉積、激光工程淨成形等，盡管技術原理基本相似。在本文中，術語LDED的使用符合ASTM F2792-12a。粉末基LDED的技術機理如圖5所示。LDED將三維（3D）模型離散為(wei) 二維（2D）層與(yu) LPBF類似，但LDED可以使用金屬絲(si) 或粉末（或兩(liang) 者）作為(wei) 原料。添加劑材料被輸送到熔池中，而不是擴散到粉末床上。

圖5 激光定向能量沉積工藝示意圖

與(yu) LPBF技術相比，LDED技術利用更高的激光功率和更大的激光束尺寸來實現更高的構建效率。此外，LDED非常適合使用多材料同步進給的梯度結構製造，以及高性能和高價(jia) 值部件的維修。然而，利用LDED技術製造幾何結構極其複雜的零件存在一定的困難，這在一定程度上限製了LDED技術的應用。

激光工程淨成形（透鏡）技術由桑迪亞(ya) 國家實驗室和普惠公司聯合提出概念，並於(yu) 1997年獲得Optomec Inc.的許可（美國專(zhuan) 利60464262000）。該過程的示意圖如下圖所示。與(yu) 具有粉末床的SLM不同，該組件使用透鏡技術製造，通過噴嘴噴射提供粉末，並照射具有高能量密度的激光束，以逐層方式熔化並沉積在構建基板上。每層沉積後，構建平台以受控方式向下移動。此過程重複進行，直到實現預期的組件。雖然透鏡技術基本上是為(wei) 了生產(chan) 複雜的幾何部件而發展起來的，但它也非常適合修複和翻新損壞的部件和結構。應注意的是，透鏡幾乎不需要考慮後處理、部件表麵光潔度差以及由於(yu) 殘餘(yu) 應力導致的部件變形等問題。

激光工程網成形工藝示意圖

激光工程淨成形（LENS）使用計算機控製的激光器，在數小時內(nei) 將金屬粉末的氣流焊接到定製零件和製造模具中。這項技術生產(chan) 的形狀足夠接近最終產(chan) 品，從(cong) 而消除了粗加工的需要。透鏡的用途之一是製造小批量的高密度零件或模具。

每個(ge) 噴嘴將金屬粉末流導向其下方的中心點。同時，該點由高功率激光束加熱。當移動模型及其基板以提供新的目標，在其上連續沉積金屬時，激光和射流保持靜止，如下圖所示。首先，在基板上進行，然後在構建層上進行，直到通過3D金屬產(chan) 品的生產(chan) 完成所需的橫截麵幾何形狀。這是一個(ge) 複雜的操作，因為(wei) 高溫使熔融金屬難以形成精確、光滑的物體(ti) 。該技術可用於(yu) 多種金屬，包括鈦、鋼、銅和鋁。

透鏡技術：（a）激光工程淨成形圖（b）透鏡製造的詳細觀察，（c）Optomec透鏡850係。

來源：Progress and perspectives in laseradditive manufacturing of key aeroengine materials，International Journal of Machine Tools and Manufacture ，

參考文獻：M.S. Pham, C. Liu, I. Todd, J. Lertthanasarn，Damage-tolerant architected materials inspired by crystal microstructure， Nature, 565 (2019), pp. 305-311，C. Tan, Y. Chew, R. Duan, F. Weng, S. Sui, F.L. Ng, Z. Du, G. Bi，Additive manufacturing of multi-scale heterostructured high-strengthsteels，Mater. Res. Lett., 9 (2021),pp. 291-299