中外八校联合顶刊超全综述丨磁场、声场、机械、热场辅助金属增材制造的作用机理、研究进展及应用前景

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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。          

         

         

Graphical abstract          

各种类型的场辅助增材制造 (FAAM) 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。

         

场辅助典型金属增材制造技术          

         

近日，新加坡制造技术研究所联合中国石油大学（华东）、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）、加利福尼亚大学、湖南大学等在制造领域顶级期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》上发表了题为 “Review on field assisted metal additive manufacturing（场辅助金属增材制造研究综述）” 的综述文章。新加坡制造技术研究所、上海交大、普林斯顿大学为论文通讯作者单位。      

     

论文原文下载见本文末      

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趋势。      

场辅助增材制造的机理与优势

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。      

     

来源：增材制造硕博联盟