高性能金属材料结构一体化增材制造技术研究进展
高性能金属材料结构一体化增材制造技术研究进展
为进一步深化产业链上下游企业之间的交流合作，深入探讨增材制造技术发展前沿，推动关键零部件及装备产业升级，由中国增材制造产业联盟组织、工信装备工程研究院（北京）有限公司主办的2025年《装备强国》系列活动—增材制造关键零部件及装备沙龙交流会首场（汉邦激光专场）于2025年2月15日在广东省中山市成功举办。
在本次论坛上，来自南京航空航天大学的顾冬冬教授作了题为《高性能金属材料结构一体化激光增材制造及信息调控》的精彩报告，深入探讨了金属增材制造技术的发展、挑战与未来趋势，为与会者揭示了核心技术理念。
南京航空航天大学材料科学与技术学院院长、国家杰出青年基金获得者顾冬冬
增材制造的技术难点与挑战
为什么增材制造技术如此具有挑战性？
顾教授引用了一组令人震撼的数据：即使打印一个仅2.5厘米的小块体，也涉及多达3000万个激光熔化点。
而在每一条线、每一个点上都可能存在缺陷，涉及组织调控、工艺调控、结构和应力变形等多方面问题，这也是为什么需要多学科交叉融合协同攻关的原因。
传统制造路径通常是先进行结构设计，然后选择材料，接着进行加工，最后获得性能。
但顾教授提出了一个有趣的问题：未来我们能否改变这种传统试错型的串联式路线，主动实现预期的高性能目标？
材料结构一体化的创新理念
基于上述思考，顾教授团队介绍了"材料结构一体化"的增材制造概念。他形象地将未来的增材制造比喻为"拼图游戏"，可以将具有自助接收功能的打印设备、创新数字化的材料和结构设计、融合多种打印工艺等要素灵活组合，为增材制造注入强大的创新活力。
那么，如何理解材料结构一体化？顾教授从多个维度进行了阐释：
多材料增材制造的突破
首先是多材料打印技术。
如何在一个整体构件内部打印不同材料，是当前研究的热点。顾教授团队十几年来一直致力于复合材料的研究，最简单的一种多材料方案是将陶瓷颗粒均匀分散到金属材料内部。
经过多种纳米材料的探索，研究团队发现二氧化锆是一种很好的陶瓷增强相。
将其掺入传统铝合金中，不仅能显著提升材料对激光的吸收率，还能通过纳米颗粒促进铝合金形成非常细小的晶粒，这是激光增材制造独有的优势，最终显著提升材料的强度和延伸率。这一技术已应用于航天领域的铝合金支架制造。
高强铝合金的创新研发
第二个重要方向是高强铝合金的3D打印。高强铝合金本质上是通过纳米弥散强化机制来提高强度的材料。
顾教授团队在研究中发现，在增材制造过程中会形成3-5纳米级的原位析出相，能够显著提高材料性能。
通过有效的时效处理，这种高强铝合金的强度可以突破550兆帕，同时保持约15%的延伸率，这是一个非常理想的性能组合，比传统铝硅系合金获得了显著提升。
更令人惊喜的是，在仅损失约5%性能的前提下，该材料的耐蚀性还能提高40%，成为一种兼具高强度和耐腐蚀特性的优质材料，特别适合用于腐蚀环境中的构件制造。
尽管身处高校，顾教授团队仍进行了大量的工业性实验，包括成型过程、疲劳力学性能等全面评估，为这种高性能铝合金材料奠定了坚实的材料供应和综合性能数据基础。
异种材料的一体化成型
研究团队还探索了如何在高度方向上实现不同材料的渐变过渡，成功开发了钛合金和铝合金的多材料打印技术。
这一技术的关键挑战是如何避免铝和钛之间形成脆性的金属间化合物相。通过优化设计，团队最终形成了一种良好的界面结构，避免了界面开裂问题。
这项技术已成功应用于无人机部件的制造，实现了框梁结构与支柱的多材料一体化打印。
结构设计的创新突破
除了材料创新，如何通过独特的结构设计实现功能突破也是增材制造的重要方向，包括拓扑优化设计、点阵结构和仿生结构等。
顾教授指出，自然界经过亿万年进化形成的许多优化结构，为工程难题提供了灵感源泉。他分享了两个团队近期的研究案例：
梯度结构设计的抗弯性能优化
传统结构设计中存在许多结构单元，但如何针对实际承载需求进行优化设计？增材制造的优势在于对结构设计不敏感，可以实现复杂形状的制造。
顾教授团队设计了一种抗弯结构，在承受应力较大的区域使孔隙更加密实，而在应力较小的区域则使孔隙更大，形成梯度分布的多级结构。通过增材制造技术将这种设计付诸实现，并重点解决了弯曲过程中的球化黏粉效应。
对比测试表明，与传统均质结构相比，这种梯度结构能显著影响裂纹扩展路径，使裂纹扩展过程更加曲折，从而显著提升材料的三点抗弯性能。
仿柚子皮结构的多功能设计
研究团队还探索了如何在保证力学性能的基础上引入更多功能特性。他们仿照柚子皮的无序多孔结构，通过增材制造创建了类似的功能结构。这种结构首先通过声学分析建模，然后通过3D打印技术制造出来。
测试结果表明，这种仿生结构不仅具有良好的抗压性能，而且换热效率显著提升，换热指数提高近40%，实现了力学性能与热性能的有机结合。
整体构件的集成设计与制造
在材料设计和结构设计的基础上，如何对整体构件进行集成设计和制造控制也是关键环节。这包括应力分析、支撑布局设计、工艺仿真以及性能评价等全流程考量。
顾教授分享了两个典型案例：
未来空间着陆器的一体化设计
这是一个需要同时考虑承载功能、减震抗冲击能力和热防护特性的复杂系统，非常适合采用增材制造的材料结构一体化成型方案。
设计团队进行了拓扑整体设计，采用蜂窝结构实现热防护功能，设计了仿水蜘蛛的减震缓冲结构，最终通过增材制造技术进行整体打印和成型。
热防护结构采用了碳层与陶瓷层交替的多层结构设计，而大型构件的打印则重点解决了变形控制问题。
卫星框架的多功能集成
卫星框架结构在空间服役过程中对刚度要求极高。
研究团队在轻量化设计的基础上，内部添加了点阵结构以显著提高刚度，外部则采用仿柚子皮结构实现快速散热功能，最终通过一体化打印实现。
这种设计的巧妙之处在于，仿生结构不仅具有功能性，在打印过程中还能起到支撑作用，体现了对工艺因素的综合考虑。
测试结果表明，这种仿生结构设计的整体框架在保持良好刚度的同时，实现了25%的减重效果，并具有更好的热阻降低特性，为卫星在轨服役提供了可靠保障。
深思：制造业革命中的哲学思考
根据顾教授的演讲内容，我们可以看到增材制造技术正在引领制造理念从"减材"到"增材"、从"串联设计"到"并联协同"、从"单一功能"到"多功能一体"的转变。
材料结构一体化概念，实际上是将自然界生命体"形随机能"的原则应用到工程领域，展现了增材制造独特的价值。
从顾教授分享的多个案例中，我们可以看到 仿生学与材料科学、结构力学相结合，展示了增材制造技术在跨学科融合创新中的独特魅力。
增材制造技术正在引领我们进入一个全新的制造哲学时代，在这个时代，我们将不再受限于传统工艺的桎梏，而是能够像造物主一样，通过精心设计的"增材"过程，创造出集结构优化、性能卓越、功能多样于一体的工程奇迹。
这场制造革命的意义，远超技术本身，它是人类创造力的新维度拓展。