第一作者：李能

通訊作者：熊華平

通訊單位：中國航發北京航空材料研究院

DOI：10.1016/j.jmst.2018.09.002

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本文綜述了應用增材制造技術制備不同類型新材料的研究進展；特別關注了材料設計、增材制造原料選擇、增材制造過程中的冶金行為和合成機理，獲得的微觀組織和性能，以及這些因素之間的關系；展望了未來的發展趨勢，提出了應用增材制造技術“開發新材料”或“創造新材料”的觀點。

綜述全文共計21000余字，分為12部分進行材料增材制造研究進展的評述，共用41個重要圖片和2張重要表格，引用了249篇參考文獻。

背景介紹

材料是增材制造技術的基礎，新材料的創造有望為增材制造技術增添新的內涵，并擴展這一先進技術的應用領域，從而為增材制造技術的未來發展提供新的機遇。應用增材制造技術“創造材料”的概念是基于從“使用材料”到“開發材料”逐步進化的科學過程。有研究表明，增材制造技術可以從根本上改變或擴展與結構-屬性-工藝合成-性能相關的傳統材料科學研究和工程應用，多種材料和多尺度結構為優化零件的整體性能提供了可能的途徑。

結合材料設計，增材制造技術在新材料研究方面將有非常廣泛的應用前景和研究價值。本文較全面地呈現增材制造技術在新材料研究方面的最新研究進展。重點評述了增材制造的材料設計，原料的選擇，制造過程中的冶金行為和合成原理，以及由此產生的微觀組織和性能，以及這些因素之間的關系。在此基礎上，提出今后研究的重要研究方向或思路。

本文亮點

（1） 綜述了近年來增材制造技術在制備新材料方面的研究進展；

（2） 從材料冶金、界面反應等角度評述了一些令人鼓舞的結果；

（3） 強調運用增材制造技術“開發新材料”或“創造新材料”的理念；

（4） 提出目前在增材制造領域仍存在一系列有待解決的科學、技術和工程問題。

總結與展望

（1）粉末粒度和粒度分布的影響——粉末顆粒的形狀和尺寸是影響增材制造工藝和增材制造部件性能的關鍵因素。

（2）制備精細微觀結構的方法——激光增材制造過程中的原位反應，在原材料中添加難熔顆粒和添加稀土元素是有利于在增材制造構件中形成更精細微觀結構的三個重要方法。另一方面，將磁場、振動或其他輔助措施結合到激光增材制造過程中，對改善激光增材制造構件的微觀結構和性能具有很大的潛力。綜合應用以上這些手段，將研究開發出一系列性能優異的新材料，因此這個領域充滿了創新機遇。

（3）通過增材制造工藝創造新材料的前景——功能梯度材料、陶瓷增強金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、高熵合金等新材料都是增材制造工藝創造新材料的研究對象。增材制造為設計具有新特性的新型材料提供了全新的可能性，而傳統工藝很難實現這種可能性。

（4）廣泛應用于受損部件的修復——增材制造技術還可以用于多種材料失效或損傷部件的修復，而且面臨巨大的市場，包括航空、航天、船舶、石油和天然氣工業中的設備部件，甚至醫療保健行業制品。

（5）深刻理解和應用增材制造新材料的挑戰——未來新材料增材制造面臨的主要挑戰包括：為獲得所需的增材制造部件性能而設計的原材料；控制成形過程中的應力和變形、對成形工藝和合成原理的深入理解；微觀組織和性能的穩定性和可重復性；計算機模擬和精確預測反應產物的粒徑和詳細的相組成，將有助于進一步提高增材制造新材料的性能；隨著增材制造新材料的研究和應用的不斷發展，應建立增材制造新材料的綜合力學性能數據庫；最后，對增材制造部件的失效分析和壽命預測將變得極其重要。

致謝：該成果受到國家自然科學基金（51775525、51605456和51701198）的資助。

課題組介紹

中國航發北京航空材料研究院3D打印工程技術研究中心，設有航空航天新材料（金屬材料、金屬基復合材料、鈮硅基難熔合金、陶瓷基復合材料、梯度功能材料、滿足特殊性能要求的高熵合金材料等）增材制造、復雜結構增材制造、增材制造用合金粉末和絲材制備、增材制造材料與構件的性能表征、增材制造構件缺陷檢測、失效損傷部件的增材制造修復與評價、增材制造標準編制等多個研究方向。3D打印中心除了北京航空材料研究院本部外，近年來還開拓建設了鎮江基地，總共承擔了國家自然科學基金、重點研發項目、預研、關鍵材料一條龍、航發創新基金、各個型號攻關、北京市科委科技創新、國際合作等多項研究課題，在增材制造應用基礎研究及工程化應用方面不斷取得創新性成果。