航空航天領域高新技術密集，航空航天高端裝備的服役性能很大程度上取決于金屬構件的性能。隨著新型航空發動機、大飛機、新一代運載火箭等航空航天產品的開發及新材料的應用，對制造技術的要求也越來越高[1]。采用鑄、鍛、焊、機加工等傳統制造技術生產航空航天領域用金屬構件，往往需要重型裝備和大型工模具，技術難度大，材料加工余量大、利用率低，生產周期長、成本高，已難以滿足需求[2]。
近年來開發的增材制造技術能解決這些問題。金屬增材制造是以激光、電子束或電弧作熱源，根據三維模型數據將材料（流體、粉末、絲材、塊體）逐層堆積，進而實現金屬構件的直接制造[3]。該制造技術能快速完成高性能大型復雜金屬構件的直接近凈成形，是一種“變革性”綠色低碳制造技術[4-5]。目前，金屬增材制造技術已發展成提高航空航天設計與制造能力的核心技術，其應用范圍已從零部件（飛機、衛星、高超飛行器、載人飛船的零部件打印）擴展至整機（發動機、無人機、微/納衛星整機打印）[6]。采用金屬增材制造技術可實現復雜金屬構件的材料?結構一體化凈成形，為航空航天高性能構件的設計與制造提供了新途徑。
航空航天高端裝備正朝著高性能、長壽命、高可靠性及低成本的方向發展，采用整體結構和復雜大型化是其發展趨勢[1]。基于這種發展趨勢，要求金屬構件具有良好的力學性能，并兼具防熱、隔熱、減振、抗輻射等特殊功能[6]。材料是制造業的基礎，“一代材料、一代裝備”，材料直接影響和決定航空航天工業的發展水平和質量。目前，以馬氏體時效鋼為代表的高強鋼[7]、以鎳基高溫合金為代表的耐熱合金[8]、以鈦、鋁合金為代表的輕質高強合金[9-10]，均是重要的航空航天領域用增材制造金屬材料。通過創新和發展上述4種合金，并結合增材制造控形和控性技術，可實現材料?結構?性能一體化制造，以滿足航空航天領域對增材制造金屬構件的需求。本文從航空航天領域對增材制造金屬材料的需求出發，綜述了航空航天領域用鐵基合金、鎳基合金、鈦合金、鋁合金的研究現狀，指出了航空航天領域用增材制造金屬材料存在的問題及未來的研究方向。
1、航空航天領域用增材制造金屬材料的應用
1.1增材制造金屬材料體系及其應用
航空航天高性能構件多用于極端苛刻的環境，要具有超強承載、極端耐熱、超輕量化和高可靠性等特性[6]。航空航天領域用增材制造金屬材料的種類繁多，其合金體系及主要牌號如圖1所示。根據化學成分，可將航空航天用增材制造金屬材料分為鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金、鈦合金、鋁合金、銅合金等，其中鐵基合金、鎳基合金、鈦合金、鋁合金的生產和應用量大面廣[11]。
表1歸納了航空航天領域用典型增材制造金屬材料及其應用。鐵基合金的成本低，具有廣闊的應用前景。目前，航空航天用增材制造鐵基合金主要包括馬氏體時效鋼、不銹鋼等。
馬氏體時效鋼有AerMet100、18Ni(300)等，在火箭和導彈發動機等領域都有應用[12]；不銹鋼（如SS304L、SS316L等）具有良好的耐蝕性能，主要用于發動機和排氣系統、液壓件、熱交換器、起落架系統和接頭等[13]。
現代航空發動機中，高溫合金用量占發動機總質量的40%~60%，主要用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤等熱端部件，以及機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件。高溫合金有鐵基、鎳基、鈷基等，鎳基高溫合金的應用最為廣泛，其用量占比高達80%。常用的鎳基高溫合金有IN625、IN718等，主要用于渦輪發動機燃燒室、渦輪機、外殼、圓盤、葉片等，以及液體火箭發動機的閥門、渦輪機械、噴射器、點火器和歧管等[13]。
鈦合金具有比強度高、耐蝕性能好等優點，廣泛用于航空航天領域。TC4合金常用于起落架、軸承架、旋轉機械、壓縮機盤及葉片、低溫推進劑罐等航空航天零件。Ti6242合金用于壓縮機葉片和旋轉機械，而γ-TiAl合金較多用于渦輪葉片[13]。此外，TC2、TC18、TC21、TA15等鈦合金常用于飛機主承載件，TC11、TC17、Ti60合金等可用于整體葉盤等航空發動機部件[14]。
鋁合金比強度高，是一種成熟的航空航天領域用材料。目前，可增材制造飛機零件的鋁合金有AlSi10Mg、A6061、AlSi12、AlSi12Mg等，常用于要求減輕質量、降低成本的部件，如飛機機身件等[15]。
總體上看，增材制造金屬材料在航空航天領域具有廣闊的應用前景。航空航天領域用增材制造金屬材料的應用主要有四方面：（1）衛星制造，如衛星推進系統的鈦合金活塞和肼推進系統，衛星的鈦合金與鋁合金支架；（2）火箭制造，如火箭發動機的熱端部件等；（3）飛機制造，如飛機機身、大型結構件、承力結構件，飛機發動機的熱端部件；（4）武器裝備制造，如無人機發動機及巡飛彈的關鍵部件等。
1.2增材制造金屬材料的市場規模
采用增材制造技術可實現復雜金屬構件的材料?結構一體化凈成形，為航空航天高性能構件的設計制造提供了新的技術途徑。增材制造全球權威發展報告“WohlersReport”指出[17]，增材制造技術已發展成能提高航空航天領域設計與制造能力的核心技術，其在工業應用中的比例達14.7%。增材制造技術能在航空航天領域被廣泛應用，主要是因其在輕量化、復雜結構一體化成形等方面的顯著優勢。
WohlersAssociates統計數據（圖2）[17]表明，2021年增材制造產業銷售額中，增材制造服務（零部件制造）占比為41.0%，增材制造材料占比為23.4%，成形裝備占比為22.4%，其他占比為13.2%。從材料方面看，全球增材制造材料銷售額從2017年的11.33億美元升至2021年的25.98億美元，年復合增長率達23.06%。其中2021年金屬材料銷售額達4.73億美元，在全球增材制造材料總銷售額中占比約18.20%，同比增長23.50%，年復合增長率為26.80%。可見，增材制造材料市場快速擴大，其中金屬材料市場增速領先，增材制造金屬材料發展潛力巨大。
2、航空航天領域用增材制造金屬材料及其應用
2.1增材制造鐵基合金及其應用
馬氏體高強鋼是航空航天領域用增材制造鐵基合金，主要包括馬氏體不銹鋼和馬氏體時效鋼[18]，具有良好的強度和韌性。從節能和降低生產成本的角度考慮，高強鋼仍是未來航空航天領域用增材制造金屬材料的重要研究方向[19]。沉淀硬化不銹鋼的典型牌號有15-5PH、17-4PH等[18,20]。以17-4PH鋼為例，由于第二相析出強化，其具有高強度和高耐蝕性，常用于航空發動機精密零件[21-22]。馬氏體時效鋼的典型牌號有AerMet100、18Ni(300)等[23-24]，以18Ni(300)為例，其優異的強度、韌性、硬度、耐蝕性和耐磨性主要源于固溶強化、相變強化和時效強化，在火箭和導彈發動機等領域都有應用[23]。
2.1.1微觀組織與力學性能
馬氏體不銹鋼的室溫組織為細小的板條馬氏體、適量的殘留奧氏體及彌散分布的沉淀強化相[18]。板條馬氏體由于位錯密度高，具有很高的強度。亞穩殘留奧氏體能緩解裂紋尖端的應力集中，從而提高材料韌性。時效處理析出的納米級強化相能進一步提高鋼的強度[25]。
表2列出了4種典型增材制造馬氏體不銹鋼和馬氏體時效鋼的力學性能。表2表明，15-5PH和17-4PH不銹鋼的強度較低，主要強化相為富Cu相，如ε-Cu相等[21,26]。此外，鋼中MC相具有釘扎晶界、細化晶粒的作用。
馬氏體時效鋼的微觀組織與馬氏體不銹鋼類似，主要通過超低碳鐵鎳馬氏體基體中析出金屬間化合物強化，具有優異的綜合力學性能[27]。以AerMet100、18Ni(300)鋼為例，其沉積態組織為具有近亞微米級胞結構的馬氏體[28-29]。時效處理后，會析出高密度的納米級Ni3X(X=Ti,Al,Mo)金屬間化合物，使抗拉強度提高至~2000MPa[24,30]。目前有關增材制造馬氏體時效鋼的研究主要是18Ni(300)鋼，研究內容集中在成形工藝參數優化、熱處理工藝與組織性能之間的關系、時效強化機制等[7,29,31-36]。
為改善成形件的質量和力學性能，通常采取設計增材制造專用合金粉末、優化激光增材制造工藝參數和調控微觀組織等措施[23]。現有的廣泛應用于航空航天領域的增材制造馬氏體高強鋼粉末主要為傳統塊體材料，適用于增材制造技術的馬氏體高強鋼專用粉末較少。為提高成形件的質量和力學性能，需基于增材制造技術獨特的高冷卻速度、溫度梯度及非平衡熱循環等特點，設計適用于增材制造工藝的新型馬氏體高強鋼粉末。開發增材制造用新型馬氏體高強鋼粉末是航空航天領域用增材制造金屬材料的重要研究方向。
2.1.2應用實例
增材制造技術在飛機零件結構優化和缺陷修復方面具有一定優勢。歐洲宇航防務集團公司將拓撲優化技術與增材制造技術相結合，為空客A380打印的不銹鋼支架質量與傳統鑄件相比約減小了40%，單架機年運營費等成本降低了數萬美元[38]。北京航空材料研究院采用激光修復技術，對第三代戰機、伊爾76飛機的超高強度鋼起落架、不銹鋼軸頸等承載件進行了修復，部分修復的零件已通過裝機評審并被再次應用[39]，修復的伊爾76飛機超高強度鋼起落架狀態良好。
2.2增材制造鎳基合金及其應用
航空發動機的推重比和功率在不斷提高，渦輪入口溫度也隨之升高，對高溫合金葉片性能的要求也越來越高。目前，鎳基高溫合金的應用最為廣泛，其在650~1000℃具有較高的強度、良好的抗氧化和抗燃氣腐蝕性能等。典型的鎳基高溫合金有IN625、IN718等，兩者用量占鎳基高溫合金總量的83%，常用于航空發動機燃燒室、發動機尾噴管等零部件[40-41]。
2.2.1微觀組織與力學性能
鎳基高溫合金是以鎳為主要成分（鎳質量分數一般大于50%）的高溫合金，主要通過Nb和Mo的固溶強化提高其力學性能，Ni和Cr具有較好的耐蝕和抗氧化性能，Mo具有優異的抗點蝕性能[42-43]。鎳基高溫合金基體為γ相、強化相為γ′相，在常溫和高溫下均具有強化作用，被廣泛應用于航空航天熱端部件[44]。
采用選區激光熔煉（SLM）工藝制備鎳基高溫合金件的過程中，工藝參數會顯著影響零件的力學性能[16]。SLM成形鎳基高溫合金件通常需進行后處理（如熱等靜壓處理、固溶處理、時效等），來改善其顯微組織和力學性能[45]。表3歸納了SLM成形鎳基高溫合金經不同工藝熱處理后的力學性能。IN718合金是富含Cr和Fe的沉淀硬化鎳基合金，SLM成形IN718合金沉積態的屈服強度約為580MPa，時效后可提高至1000MPa以上。
增材制造IN718合金的熱處理工藝通常包括析出時效、δ相時效+析出時效、高溫組織均勻化+δ相時效+析出時效等[50-51]。析出時效處理時，時效溫度較低不會使沉積態組織發生變化，僅促進γ''相和γ'相析出，也不能消除打印過程中形成的Laves相。Laves相為有害相，會降低材料的力學性能[52]。因此，通常對增材制造IN718合金進行溫度高于970℃的均勻化處理，以消除Laves相。“δ相時效+析出時效”處理可使晶界的Laves相溶解并轉變為沿晶界析出的δ相。此外，δ相會隨“δ相時效”時間的延長而長大，且亞穩態γ''相會轉變為δ相（時效溫度650℃）。進行高溫組織均勻化+δ相時效+析出時效處理時，高溫組織均勻化處理不僅影響γ''相和δ相的析出行為，也影響材料的再結晶程度。固溶溫度高于1180℃時，沉積態組織將發生完全再結晶，且隨著均勻化溫度的提高和時間的延長，Laves相或碳化物完全溶解，γ''相尺寸增大[51,53]。可見，合適的熱處理能促進γ''和γ'相重新析出，從而顯著提高增材制造IN718合金的屈服強度。
IN718合金增材制造過程中極高的溫度梯度和極快的冷卻速度會抑制γ''和γ'相析出，導致增材制造IN718合金的硬度和強度降低[48]。根據增材制造鎳基高溫合金的微觀組織特點，通過開發新的熱處理工藝，有望使其獲得良好的綜合力學性能[54]。沉積態增材制造鎳基高溫合金件的綜合力學性能往往達不到鍛造件的水平，且成形過程中易產生微裂紋等缺陷。通過添加合金元素（Y、Re等[55-56]）或陶瓷顆粒（TiB2、TiC、TiN等[57-59]）等對高溫合金進行改性，可一定程度上提高其高溫性能。
2.2.2應用實例
鎳基高溫合金適合制備形狀復雜且極難加工的結構件，如火箭推進器零件、助推器等。
印度國防冶金研究實驗室（DefenceMetallurgicalResearchLaboratory,DMRL）采用增材制造技術制備了升級版燃料噴射器，其抗壓、抗拉性能和硬度均優于采用傳統工藝制造的燃料噴射器，具有強大的應用潛力[60]。美國馬歇爾太空飛行中心（MarshallSpaceFlightCenter,MSFC）成功制備了IN625合金整體推力室，該推力室內部有完整的通道結構，可用于腔室的通道冷卻噴嘴[61]。換熱器是航天設備長效穩定運行的關鍵部件，法國AddUp、Sogeclair和Temisth公司采用增材制造技術成功制備了薄壁IN718合金換熱器，其質量和性能與增材制造的鋁制外殼相近[62]。
2.3增材制造鈦合金及其應用
鈦合金具有較高的比強度、良好的韌性、耐腐蝕、耐熱耐寒性等，是航空發動機用重要材料之一[6]。目前，增材制造的鈦合金主要有TC4、TA15、TC11、Ti55、Ti60、TiAl等，主要應用于發動機葉片、機匣，飛機鈑金件、梁、接頭、大型壁板等。TC4合金（Ti-6Al-4V）具有良好的綜合性能，在航空航天領域的用量最大，使用溫度一般在400℃以下，能在400℃以上使用的鈦合金主要有TA15、TC11、Ti-55及Ti60等。
2.3.1微觀組織與力學性能
激光增材制造鈦合金是極端非平衡凝固過程，其快速熔化和快速凝固完全偏離了常規工藝的平衡/近平衡凝固過程。激光成形鈦合金的沉積態組織主要為柱狀初生β相及細小的針狀α′馬氏體，成品顯微組織高度依賴沉積過程中的熱循環和隨后的熱處理。通過控制固溶和時效溫度、冷卻速率等并結合適當的熱變形加工，可獲得傳統鈦合金的等軸、雙態、魏氏或網狀等典型組織。以Ti-6Al-4V合金為例，由于SLM成形過程的冷卻速率極快，遠高于發生馬氏體相變的冷卻速率，急速冷卻時初生β相將發生無擴散相變，轉變為非平衡針狀馬氏體（α'），其室溫抗拉強度超過1200MPa，但斷后伸長率僅約為8%（表4）[63]。
在SLM的極端非平衡凝固條件下，鈦合金往往會形成粗大的柱狀晶組織，導致力學性能各向異性，使構件累積損傷失效[64-66]。為避免粗大柱狀晶組織的不良影響，可向鈦合金中添加Cu、Ni等合金元素[67-69]以及ZrN、TiB2、ZrB2等陶瓷顆粒[70-75]，以促進等軸晶形成。
研究表明，向純鈦中加入一定量的Cu，在SLM成形的Ti-Cu合金中形成了細小的等軸晶粒[76]。該成分合金凝固過程中固液前沿的成分過冷區顯著擴大，消除了增材制造溫度梯度大的不良影響，限制晶粒長大的同時提高形核速率，促進精細等軸晶形成。在無后處理的情況下，制備的Ti-Cu合金與傳統合金相比具有較高的屈服強度和斷后伸長率（表4）。筆者團隊受其啟發，向純鈦中加入微量Ni，在SLM成形的Ti-Ni合金中產生了直徑約1.2μm的等軸晶[69]。通過進一步優化SLM工藝獲得了具有細小等軸晶的納米馬氏體（α'）組織，并避免了脆性Ti2Ni相的形成，該高強韌鈦合金的強度和塑性均優于上述Ti-Cu合金（表4）。可見，設計新合金成分擴大凝固過程中固液前沿的成分過冷區是使增材制造鈦合金獲得精細等軸晶的有效途徑。
傳統鈦合金的激光增材成形性能較好，增材制造工藝較成熟。而增材制造技術固有的凝固特點導致的鈦合金微觀組織調控難題，仍需從粉體成分方面著手解決。鈦合金增強增韌方法是SLM成形鈦合金的研究重點。
2.3.2應用實例
國內外增材制造鈦合金已廣泛應用于多種飛機的復雜構件及航空發動機零部件，具有顯著的成本和效率優勢。王華明團隊致力于增材制造技術的研究，采用鈦合金成功制造了國內尺寸最大、結構最復雜的飛機關鍵構件[2]。西北工業大學黃衛東團隊采用激光增材制造技術成功制造了C919大飛機用Ti-6Al-4V合金翼肋上下緣條，其靜載強度及疲勞性能達到了鍛件水平[79]。中國航天科工306所將SLM技術與異種鈦合金（TA15與Ti2AlNb）過渡復合技術相結合，采用SLM成形技術成功制造了航空發動機復合材料燃燒室，克服了傳統鑄件強度低、接口易斷裂等問題，順利通過了力-熱聯合試驗[79]。意大利Avio公司采用電子束選區熔融成形技術成功制造了航空發動機鈦合金低壓渦輪葉片，800℃屈服強度達480MPa，具有良好的抗蠕變性能[80]。挪威NorskTitanium公司開發了等離子電弧熔絲增材制造鈦合金組件，通過了美國聯邦航空局(FederalAviationAdministration,FAA)認證，已成功應用于波音787[79]。
2.4增材制造鋁合金及其應用
鋁合金是航空航天領域常用的輕金屬。激光增材制造鋁合金有難度，這與其特殊的物理性質（密度低、激光吸收率低、熱導率高及易氧化等）有關[81]。鍛造鋁合金凝固溫度范圍較大，快速凝固時產生的應力易導致開裂、變形[82]。鑄造鋁合金含有共晶元素（如Si），凝固溫度范圍較小，因而熱裂傾向小，成形性能好，因此鑄造Al-Si系合金是研究最早且增材制造工藝最成熟的鋁合金。目前，增材制造鋁合金主要有AlSi7Mg、AlSi10Mg、AlSi12等，主要用于管路支架、殼體、框梁、網格結構、復雜管道、薄壁件等。
2.4.1微觀組織與力學性能
在SLM非平衡快速凝固條件下，鑄造Al-Si系合金（如AlSi12合金）顯微組織為微細的富Al胞結構，殘余Si顆粒從晶界析出；熱處理后，顯微組織發生一定程度的粗化，Si組元從晶胞中繼續析出并形成Si顆粒[83]。SLM成形的AlSi10Mg合金顯微組織及演變規律與AlSi12合金相似[84]。AlSi10Mg合金在SLM成形過程中并不析出Mg2Si相[85]，直接低溫時效后強度顯著提高（表5）。
激光增材制造工藝參數（如激光光斑尺寸、激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度等）、成形方向、成形件布局方式等均顯著影響構件的成形質量、顯微組織和力學性能。近年來，對SLM成形AlSi10Mg合金的工藝參數、顯微組織和力學性能進行了系統研究，建立了成形工藝及熱處理與顯微組織和力學性能的相關性[86-90]，發現沉積態AlSi10Mg合金具有較高的殘余應力和顯著的組織各向異性[91-95]。筆者團隊進一步研究發現，沉積態AlSi10Mg合金的拉伸性能各向異性主要與承載面熔池界面分布有關，承受載荷的熔池界面越少強度和塑性越好[96]。此外，熱處理能有效降低或消除殘余應力，弱化顯微組織和力學性能的各向異性，但會造成組織粗化和強度降低（表5）[97]。
由于鍛造鋁合金極易開裂，難以通過增材制造獲得需要的顯微組織和力學性能，迫切希望通過優化化學成分和設計來解決這一難題。研究發現，添加Zr、Sc、Ti等元素可顯著降低鍛造鋁合金增材制造過程中的開裂敏感性，促進細小等軸晶形成，提升鋁合金的強度和塑性[82,98-102]。此外，將陶瓷顆粒與鋁合金粉末均勻混合后制備鋁基復合材料也可獲得良好的成形質量和細小的微觀結構，并顯著提高強度、硬度和耐磨性[103-107]。
目前，鋁合金增材制造研究大多基于傳統合金，新型鋁合金開發也取得了一定進展[9,108]。雖然增材制造技術獨特的快速熔化和快速凝固過程可獲得異于傳統工藝制備的材料的組織和均質化效果，但鋁合金高裂紋傾向和柱狀組織粗化的問題仍困擾和制約鋁合金增材制造的研究與應用，完善增材制造鋁合金的成分設計理論是亟待解決的問題。
2.4.2應用實例
增材制造鋁合金構件已在多種型號的飛機上應用。空客公司為實現減輕質量和縮短制造周期，采用增材制造技術將30個AlSi10Mg零件集成設計為1個零件，成功制造了A350XWB型機的垂直尾翼支架，還采用SLM技術制造了A320客機的Al-Mg-Sc輕量化仿生機艙隔離結構，達到了減輕質量、降低成本的目的[112]。2016年，英國克蘭菲爾德大學采用電弧增材制造技術成功制造了長6m、質量300kg的鋁合金雙面翼梁[113]。2020年4月，美國MELDManufacturingCorporation公司采用其專有的MELD技術(增材攪拌摩擦沉積)制備了直徑1.4m的鋁合金部件，同年8月又成功制備了直徑3.05m的圓環狀鋁合金結構[114]。國內相關的增材制造研究機構和企業也一直致力于鋁合金構件的制備。首都航天機械有限公司、北京航星機器制造公司、華中科技大學等分別開展了航天領域用鋁合金支座、艙段、框梁、網格等構件的試制和應用，并取得了階段性成果[115]。
3、結束語
增材制造金屬材料在航空航天領域具有廣闊的應用場景。增材制造鐵基合金、鎳基合金、鈦合金和鋁合金是目前航空航天領域廣泛應用的材料，用于衛星、火箭、飛機、武器裝備等，推動了增材制造金屬材料市場的快速擴展。然而，目前航空航天領域廣泛應用的增材制造合金粉末主要基于傳統塊體材料成分，適用于增材制造技術的專用合金體系匱乏。亟須針對增材制造獨特的高冷卻速率、溫度梯度及非平衡熱循環等特點開發兼具良好成形性和力學性能的增材制造專用合金粉末。開發增材制造專用合金粉末將是航空航天用增材制造金屬材料的重要研究方向。
增材制造技術獨特的快速熔化及快速凝固過程可獲得異于采用傳統工藝制備的材料的組織和均質化效果，但增材制造鐵基合金、鎳基合金、鈦合金和鋁合金往往存在開裂傾向大和形成柱狀組織等問題，嚴重制約了增材制造技術的推廣應用。通過添加合金元素或者陶瓷顆粒等對增材制造金屬進行改性，有望改善成形性，獲得精細顯微組織。未來，為滿足航空航天領域對在極其嚴苛環境中使用的增材制造金屬構件的需求，應通過創新和發展鐵基合金、鎳基合金、鈦合金和鋁合金，并結合增材制造控形、控性技術，實現材料?結構?性能一體化增材制造技術的應用。
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