商业航空发展正当时，航空增材制造再回顾

众所周知，航空航天领域高新技术密集，高端装备的服役性能很大程度上取决于金属构件的性能。采用铸、锻、焊、机加工等传统制造技术生产航空航天领域用金属构件，往往需要重型装备和大型工模具，技术难度大，材料加工余量大、利用率低，生产周期长、成本高，已难以满足需求。增材制造基于对实际问题的解决需求应运而生，其中金属增材制造是以激光、电子束或电弧作热源，根据三维模型数据将材料、逐层堆积，进而实现金属构件的直接制造。

常用的航空航天领域金属增材制造工艺（表1）

当然，航空航天领域用增材制造金属材料种类繁多，根据其化学成分，重要可以分为铁基合金、镍基合金、钴基合金、铝基合金、铜基合金等。

常用的航空航天领域增材制造金属材料（表2）

资料来源：期刊文章《航空航天领域用增材制造金属材料的研究进展》

以最常见的增材制造用金属粉末为例，其主要制备方法通常有气雾化法、电解法、化学还原法、机械合金化、等离子旋转电极法，每种方法都基于不同的原理并适用于不同场景。其中，机械合金化是一种通过高能球磨来制备合金粉末的方法。在封闭的容器中，将金属粉末与球磨球一同高速旋转，通过机械力的作用使粉末颗粒发生塑性变形、冷焊和断裂，从而得到细小且均匀的合金粉末。因而这是一种利用机械能促进化学反应的技术，它通过高能球磨引发固相反应从而合成新合金，非常适合用于实验室研发制备新的增材用合金粉末。特别地，在中/高熵增材合金制备中，通过长时间的球磨过程将不同元素有效地达到微观层面的均质混合，从而避免分离或偏析。

不同球磨时间 CoCrNi 的 SEM 形貌

如您想了解更多Emax高能球磨仪，可参考往期已发表文章《浅谈一种适用于实验室机械合金制备的设备——高能球磨仪》。

增材粉末制备好以后，需要对粉末的粒形粒径进行分析。不同的增材制造工艺对金属粉末的粒度有不同要求：15-53μm（SLM 工艺） ；53~105μm/53- 150μm（EBM、LDM 工艺），当然对金属粉末的球形度要求高是所有工艺的共同特点。

在这里我们介绍一种有别于筛分法和激光粒度分析法的图像分析技术，为颗粒粒径分析提供一种直接测定方法。基本原理很简单：所见即所得。自动软件算法基于单个颗粒图片确定颗粒的粒径粒形信息，从而直接获得颗粒长度及宽度信息。

值得注意的是，增材德国工程师协会VDI在《Additive manufacturing processes, rapid manufacturing Beam melting of metallic parts Characterisation of powder feedstock》（VDI 3405 Part 2.3）将动态图像法作为增材制造金属粉末粒径粒形分析的首选方法。美国材料试验协会ASTM在《Additive manufacturing — Feedstock materials — Methods to characterize metal powders》（ASTM 52907:2019）， 也将动态图像分析法列为金属粉末粒度分析的方法之一。

  粒径分布（左）与颗粒图像（右）

在直接成型工艺中，激光产生的高热量会在打印过程中产生高热应力。GPCMA可控气氛箱式炉配备了金属工艺内腔，可提供可控气氛的热处理环境。非常适合用于消除工件的应力，尤其是用DMLS/SLM/EBM成型工艺的工件。该系列的炉子也可以选择符合AMS2750G Nadcap1级航空航天标准。

关于《航空热处理炉的日常使用和数据处理》，我们曾出过同名专题讲座，若您有兴趣欢迎回顾。此外，我们曾从热处理工艺上对增材成品失效的原因进行解析，参考如下《3D打印成品率低的原因？》。

航空增材制造中使用的金属粉末的纯度和成分对最终产品的质量有着直接影响。非金属元素，如氧、氮或碳等，可能会以杂质的形式存在于金属粉末中，影响产品的机械性能和耐腐蚀性。通过分析这些非金属元素的含量，可以更好地控制产品质量。特别地，在往期的文章中，我们曾从航空AMS标准的角度谈过航空材料非金属元素的必要性，感兴趣的读者可以查看文章《航空航天材料中的非金属元素检测与分析》。

简单来说，AMS标准涵盖了材料的理化性能、机械性能、微观结构和制造过程，用途最为广泛的铝合金、钛合金以及镍基高温合金都有相应的材料标准。在日常的材料性能检测中，除了主合金元素，微量的非金属元素也是重要的检测部分，以确保这些元素在允许的范围。以钛合金为例，AMS 4911规范针对Ti-6AL-4V钛合金的化学成为有明确的要求，规定了氧含量通常不超过0.20%，碳通常不超过0.08%；氢通常不超过0.015%，氮通常不超过0.05%。对上述元素的分析检测是Eltra元素分析仪的典型应用，我们在在该领域积累了丰富的经验，立足于帮助客户对相关材料进行质量管理或达到行业标准。

成型件的性能一直是航空增材制造工艺关注的重点。众所周知，材料的微观组织结构将直接影响材料的性能。增材制造逐层打印的工艺特点决定了成型金属件中存在粗大柱状晶、热应力及孔隙、裂纹和夹杂等结构缺陷的可能性。在金属增制造材料的研发和从原材料粉末到成型件的质量控制中，除了常见的机械性能测试，也时常需要通过金相检测来分析微观组织。

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