航空航天是增材製造(AM)發展的關(guan) 鍵市場驅動力，因為(wei) 其高價(jia) 值的零件往往需要多品種小批量生產(chan) 、高度集成的複雜結構和快速高效的製造流程。激光增材製造(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、鎳基高溫合金和鈦基合金等。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) 質高性能合金的發展仍然十分重要。

新加坡製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)製備的關(guan) 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麵向航空發動機材料的研究機遇、新材料開發、新興(xing) 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”為(wei) 題發表在機械與(yu) 製造領域頂刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上。全文約5萬(wan) 字，並且包含51個(ge) 圖和19個(ge) 表格。

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https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2021.103804

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應用的強大推動力。隨著航空工業(ye) 對節能減排、輕量化、可靠性和舒適性要求的不斷提高，傳(chuan) 統的製造工藝已經越來越難以滿足需求。增材製造(AM)獨特的逐層沉積方式，為(wei) 製造幾何形狀、材料、性能和功能較為(wei) 複雜的零部件提供了無限可能。因此AM的快速發展為(wei) 滿足這些行業(ye) 需求提供了可能性。

AM已在航空航天、汽車、電子、醫療、軍(jun) 事、建築等行業(ye) 得到了廣泛應用。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。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，這是因為(wei) AM應用於(yu) 航空航天領域有諸多顯著優(you) 勢，包括: (1) 幾何設計和優(you) 化的自由度高; (2) 功能組合和零件整體(ti) 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) 定製和小批量生產(chan) 優(you) 勢; (5)大大縮短產(chan) 品的生產(chan) 和交付周期。

圖1. Wohlers Report 2014-2020關(guan) 於(yu) 2013-2019年增材製造工業(ye) 領域的各行業(ye) 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.激光增材製造C300馬氏體(ti) 鋼的室溫拉伸性能匯總及與(yu) 鍛件標準。

圖14.激光增材製造先進高強鋼的抗拉強度vs斷裂延伸率匯總圖。

圖15.激光增材製造先進高強鋼的強塑積vs屈服強度匯總圖。

圖18.鎳基高溫合金的可焊性隨Al和Ti含量的變化。

圖22.激光增材製造鎳基高溫合金的典型顯微組織特征。

圖26.激光增材製造鎳基高溫合金的室溫拉伸性能匯總。

圖27.激光增材製造鎳基高溫合金的室溫拉伸屈服強度與(yu) 維氏硬度的關(guan) 係。

圖28.激光增材製製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.激光增材製造Ti-6Al-4V合金中晶內(nei) 亞(ya) 結構特征。

圖41.選區激光熔化Ti-6Al-4V合金的疲勞性能匯總及與(yu) 鍛件Ti-6Al-4V合金的對比。

圖45.激光增材製造先進高強鋼、鎳基高溫合金、鈦合金以及TiAl合金的室溫拉伸性能匯總及對比。

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產(chan) 生的微觀結構 [454], (d) O-LHAM 實驗裝置示意圖。

圖50.激光增材製造專(zhuan) 用新材料設計路線歸納圖。

圖51.麵向航空發動機的增材製造合金研發新路線的觀點和展望。

LAM克服了傳(chuan) 統製造方法的缺點，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、鈦合金和鈦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(guan) 係；分析了LAM技術未來的發展趨勢，提出了基於(yu) LAM過程中獨特的熱輸入研發專(zhuan) 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製備路線。

為(wei) 了確保飛行安全、經濟和環境效益，先進航空工業(ye) 對航空航天部件提出了嚴(yan) 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(you) 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(chuan) 統的材料設計和開發中采用試錯法效率極低。因此，麵向高質量航空發動機部件的新型研發方式，有助於(yu) 處理這一複雜的多目標優(you) 化過程。數字化技術的進步，如人工智能(AI)和機器學習(xi) (ML)，開啟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於(yu) 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(zhuan) 業(ye) 知識，包括基於(yu) AI/ML的計算、多尺度模擬、在線監測、微觀結構控製、功能增強、後處理、性能測試和結構拓撲優(you) 化等。通過研究人員的集體(ti) 努力、數據共享、加工和測試方法的標準化，增材製造先進高性能航空發動機新材料和功能件將能夠實現。