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　　摘要 金属增材制造技术能实现复杂形状金属构件的快速整体制造，已成为高性能武器装备复杂构件设计和制造的新方法。本文综述了武器装备制造采用的金属增材制造方法及特点，按照材料分类列举了金属增材制造技术在武器装备制造领域典型的应用案例。在分析现状的基础上，展望了金属增材制造技术在武器装备领域未来的发展趋势。

　　随武器装备轻量化、强防护、高毁伤、信息化和智能化的发展，其零部件结构和功能逐渐呈结构功能复杂化和多样化，传统的铸造、锻造和焊接等加工工艺难以满足制造和修复需求。近年来金属增材制造技术的快速发展为武器装备复杂构件的制造和修复提供了新 方法 。相比于传统制造工艺，金属增材制造技术无需模具，能减少制造工序、缩短制造周期，且能实现复杂构件的轻量化、结构一体化设计和制造 。

　　本文作者主要介绍武器装备制造和修复采用的金属增材制造技术和特征，概述金属增材制造技术在武器装备制造领域的应用现状，在分析目前金属增材制造技术应用过程中存在问题的基础上，对金属增材制造技术在武器装备应用的发展趋势进行展望。

　　金属增材制造技术是以金属丝材、棒材或粉末等为原料，通过烧结、熔融、喷射等方式按模型离散后预定的路线逐层堆积，实现构件整体成形的先进制造技术 。目前国内外武器装备研制主要采用的金属增材制造技术包括激光、电弧、电子束、冷喷涂、搅拌摩擦增材制造技术等，分类和工作原理如图1所示。

　　激光增材制造技术以高能激光为热源，在惰性气体保护下熔化粉末或丝材，逐层堆积，实现零部件的直 接成形。激光增材制造技术包括激光-粉末增材制造和激光熔丝增材制造两种，其中激光-粉末增材制造技术分为激光选区熔化增材和激光同轴送粉增材制造。与其他增材制造技术相比，激光增材制造技术尤其是激光选区熔化增材制造技术成形精度高，适用于武器装备复杂精细结构零部件的整体制造。但激光选区熔化增材制造技术受限于惰性气体舱室尺寸和设备、粉末成本，不适用大尺寸复杂构件的快速、经济制造。此外，由于铝合金等材料导热性强，加上对激光的反射率高，在激光选区熔化增材制造过程中易出现裂纹和气孔等缺陷 。与激光-粉末增材制造技术相比， 激光熔丝增材制造技术沉积速率快，材料利用率高、成本低，增材构件致密度高，且丝材易贮存，但不适用于精细结构的零部件和丝材难制备的金属材料。

　　电子束增材制造技术以高能量密度电子束为热源，在真空环境下将金属丝材或粉末等填充材料熔化， 按照预先规划的路径沉积，制造出金属零部件或毛坯 。与激光增材制造技术相比，电子束增材制造技术沉积速率快，能制造难熔金属。由于在真空环境下进行，不仅能避免材料受氧、氢和氮的污染，且对金属具有真空熔炼作用，因此电子束增材制造技术能满足钛合金等高温下十分活泼的金属增材制造需求。此外，在后续金属堆积前，电子束能快速在已堆积金属表面扫描，对其预热，降低增材制造过程中的残余应力和变形。与电子束选区熔化粉末增材制造技术相比，电子束熔丝增材制造技术沉积效率快、构件致密度高、材料成本低、利用率高，适用于大型构件的快速制造。但由于电子束斑点小、能量集中，在电子束熔丝增材制造过程中当丝材由于热变形或直径均匀性差而偏离电子束斑点区域时，易造成增材制造过程中断。

　　电弧熔丝增材制造技术（以下称为“电弧增材制造技术”）以金属丝材为填充物，通过电弧将丝材熔化，按照设定的路线逐层堆积，实现金属构件的整体成形。与电弧焊接类似，电弧增材制造技术根据电极类型可分为熔化极和非熔化极电弧增材制造技术。其中，非熔化极电弧增材制造技术包括钨极氩弧和等离子电弧两种 。与激光、电子束粉末基增材制造技术相比，电弧增材制造技术不易产生未熔合等缺陷，制造效率高， 材料利用率高，丝材和设备成本低，适用于大型、较复杂武器装备构件的整体快速制造。但与激光或电子束粉末基增材制造相比，电弧增材制造技术制造精度较低，需后续机械加工，难实现复杂精细结构零部件的制造。此外，电弧增材制造技术不适用于塑性变形能力差、难以制备成丝材的金属材料。

　　冷喷涂增材制造技术将金属粉末或金属/非金属混合粉末以超音速喷射到基体表面，粉末与基体碰撞后发生塑性变形并黏附在基体表面，逐层堆积形成构件实体 。在冷喷涂增材制造过程中粉末未熔化，仅靠动能黏附堆积成块体。冷喷涂增材制造技术具有沉积速率高、残余热应力较低、材料不易氧化等优点，适用于易氧化、热稳定性差的金属材料，例如镁合金 。然而金属材料冷喷涂增材制造过程中易出现孔洞，金属颗粒间为机械结合，结合力小，导致力学性能、耐蚀性难以满足目标需求，需要对增材构件进行热等静压等后处理 。目前冷喷涂增材制造技术主要应用于武 器装备构件的表面改性和修复 。

　　搅拌摩擦增材制造技术通过机械摩擦产生的热量将金属粉末或棒材原料加热到热塑性状态，逐层堆积产生冶金结合，实现构件的整体快速成形 。搅拌摩 擦增材制造过程不涉及金属材料熔化，是固态增材制造成形工艺。与其他熔化型增材制造技术相比，搅拌摩擦增材制造技术残余应力小、致密度高、气孔等缺陷敏感性低，组织细小，具有更优良的力学性能和耐蚀性。此外，搅拌摩擦增材制造技术工作条件为开放的大气环境，不受粉末床或真空系统尺寸和工作条件的限制，能用于大型武器装备构件的整体制造，尤其适用于铝合金、镁合金等熔化增材制造缺陷敏感性高的轻质合金 。但搅拌摩擦增材制造技术由于制造精度低和热源热量有限等原因，难实现复杂、精细结构或高熔点金属零部件的制造。

　　近年来，国内外高度重视增材制造技术在武器装备的应用和推广。国外以美国为代表针对增材制造技术在国防领域的应用制定了一系列战略规划，2016年美国国防部发布了《增材制造技术路线图》，分析国防对增材制造技术的需求，详细阐述了设计、材料、工艺和价值链等技术领域的发展目标 。2017 年美国海军发布了《海军增材制造实施计划》OB体育，确定增材制造技术的长期发展目标。为推动增材制造在舰船上的应 用，2018 年又发布了《海军增材制造计划》，新增了舰船增材制造内容，以增加海上保障能力。美国空军提出增材制造打印战略规划，介绍空军增材制造的关键技术、发展策略和目标，希望未来建立全球制造网络， 以实现按需打印流程，降低成本、有效提高军队灵活性。美国陆军在国防部增材制造技术路线图基础上细化了领域要求，制定了陆军增材制造技术路线图，介绍增材制造技术在陆军维修与保障、新部件/系统的采办及部署和远征等领域的应用需求和目标。2021 年美 国国防部发布了《增材制造战略》，介绍增材制造技术的内涵及其对国防战略的影响意义，详细描述了增材制造重点发展领域和路径规划，提出未来的发展方向 。我国2015年发布了《中国制造2025》战略规划， 将增材制造等先进制造技术作为重点发展方向。2017 年工信部等十二部门印发了《增材制造产业发展行动计划（2017—2020年）》，明确增材制造产业发展目标， 介绍了增材制造发展重点任务和保障措施等。2020 年，我国推出了《增材制造标准领航行动计划（2020 —2022年）》，提出到2022年，基本建立立足国情、对接国际的增材制造标准体系。经过数十年的快速发展， 金属增材制造技术已应用于国内外武器装备的研制、 生产和修复领域，极大缩短了复杂零部件研制和修复周期，降造和维修成本，增加结构设计和制造的自由度，提升了武器装备的综合技战能力。目前金属增材制造技术用于武器装备零部件制造和修复涉及的材料种类包括特种钢、钛合金、铝合金、高温合金、镁合金和难熔合金等。

　　2019 年 2 月，美国陆军实验室用激光选区熔化增材制造技术成功打印艾布拉姆斯 M1主战坦克涡轮发 动机高强钢叶轮风扇，并交付使用 。英国BAE用电弧增材制造实现高强钢炮弹壳体的整体 制造和应用 。

　　沈阳飞机设计研究所和北京航空航天大学实现了超高强钢A100飞机起落架的激光增材制造，并领先试用 。2018 年中国兵器科学研究院宁波分院采用电弧增材制造技术实现了武器装备耐热钢头锥的整体制造，顺利通过装机考核。南京理工大学利用电弧增材制造技术实现了超高强钢炮弹弹体的整体制造。

　　2019 年美国通用动力陆地系统公司与通用增材制造公司合作实现了钛合金电缆护罩的整体制造，成功替代了美国陆军地面战车原来18片钢焊接部件，质量减轻 85%。美国 AeroMet公司采用激光增材制造技术制造了 F-22 战斗机接头、F-18 战斗机翼根加强筋和起落架连接杆，已装机使用。其中，F-22 的接头件达到要求疲劳寿命的 2 倍以上，翼根加强筋达到要求疲劳寿命的4倍以上，起落架连杆疲劳寿命超过原件的 30%。此外，AeroMet 公司采用激光增材制造技术对军用直升机破损的钛合金构件进行了修复。英国 BAE 公司和克兰菲尔德大学合作用电弧增材技术制造了台风GR4战斗机钛合金机翼大梁 。

　　王华明突破大型钛合金激光增材制造工艺、工程成套装备、构件内部质量及力学性能控制关键技术， 制造出大型钛合金主承力框，成功将原来多个机械连接结构优化为一个整体部件，已在某型号战斗机上得到应用。巩水利等采用电子束熔丝增材制造的钛 合金零件已应用于某型号战斗机。鑫精合团队通过激光沉积增材制造技术制造出高温钛合金产品已在某飞机型号上得到装机应用。

　　2016 年美国海军用增材制造技术制备出新型铝合金连接器底壳，解决导弹连接器断裂的同时大幅缩短设计和制造周期。2020 年美国 Meldmanufacturing 公司用搅拌摩擦增材制造实现了直径为3.05 m的铝合金零件整体制造，目前正在开展第 5 代和未来战机铝合金构件搅拌摩擦增材制造修复技术的研究。

　　2017 年起中国兵器科学研究院宁波分院先后用电弧增材制造技术打印了火炮炮架、导弹舱体和支架等复杂铝合金构件，通过装机考核和应用，在实现轻量化同时极大缩短了研制周期。2021 年西安交通大学 卢秉恒院士团队用电弧增材制造技术制造完成了世界上首件10 m级高强铝合金重型运载火箭连接环样件。

　　2017 年法国 SAFRAN 集团采用激光选区熔化增材制造技术制造了镍基合金涡轮喷嘴，替代原来的铬镍铁合金铸件，成功将原来的 8个组件减少到 4个，减 质量 35%。2017 年美国洛克达公司与美国空军合作采用增材制造技术打印了 AR1 火箭发动机高强耐烧蚀镍基高温合金部件，与此前俄罗斯制备的 RD-180 发动机部件相比，该打印部件无需金属涂层。美国GE 公司采用电子束增材制造技术，成功生产出 TiAl合金叶片，已应用于GE9X发动机，相比传统的镍基高温合金减质量50% 。2019年美国Orbex公司用镍合金作为原材料，采用激光选区熔化增材制造技术打印出小型火箭发动机，结构减少质量30%，能承受极端的温度和压力波动。与传统机械加工相比，制造时间缩短90%， 成本节省50%以上 。美国空军和GE公司以钴铬合金为原料，用激光增材制造实现了 F-15 和 F-16 战斗 机F110喷气发动机油底壳的制造。

　　2012 年美国陆军通过冷喷涂增材制造修复了武装直升机镁合金齿轮箱外壳 。2021 年美国陆军实验室通过优化激光选区熔化增材制造，实现了稀土镁合金微晶格结构制造，对压缩行为和断裂模式进行研究 ，目前正针对稀土镁合金微晶格在超轻无人机系 统和机器人车辆组件的应用开展演示验证。

　　2019 年德国马普所突破了纯钨的激光选区熔化增材制造工艺，成功打印了用于磁约束核聚变装置的纯钨蜂窝状结构 。2020 年美国橡树岭国家实验室用电子束增材制造实现 TiC 增强钼基复合材料制备， 能承受极端温度，适合在航空航天高温环境使用 。

　　金属增材制造技术的发展和应用为复杂金属构件的制造和修复提供了新工艺，与传统制造工艺有效互补，为先进武器装备复杂零部件的设计、制造和服役提供了技术支撑和保障。但目前金属增材制造技术应用于武器装备零部件制造和修复时在材料、工艺和设备、组织结构和性能、质量检测和评价等方面仍面临许多问题和挑战。图2为武器装备金属增材制造技术发展趋势。未来需进一步开展相应的基础和应用研究，具体内容如下。

　　激光、电子束和电弧等熔化型增材制造是快速加热和冷却过程，在复杂的热-力循环作用下形成与传统制造工艺不同的显微组织和缺陷特征。图3为电弧增材制造凝固组织特征和典型缺陷示意图。

　　首先，在高温热源作用下，合金元素烧损导致增材制造堆积体整体合金元素偏离目标成分；在金属增材制造凝固过程中溶质元素再分配引起偏析，导致增材制造堆积体局部合金元素偏离目标成分，整体和局部合金元素含量偏离影响构件的使用性能。其次，在金属增材制造过程中，熔体流动性和表面氧化直接影响成形性和缺陷敏感性。此外，在增材制造多层多道堆积产生的“升温-降温-升温”热循环及在构件中引起的“压应力-拉应力-压应力”应力循环作用下OB体育，增材制造构件易产生凝固裂纹、再热裂纹、液化裂纹等缺陷。因此，用于增材制造的金属材料成分设计需充分考虑合金元素烧损、偏析、熔体流动和氧化、热-力循环等冶金过程的影响。然而，目前金属增材制造技术使用的许多金属粉末、丝材原料往往用与铸锻件相同的成分，未考虑上述增材制造冶金过程和工艺特征对合金元素种类和含量的要求，导致许多金属材料的增材制造成形性差、缺陷敏感性高、性能低下（即使经过热处理），难以满足高性能武器装备构件制造和服役的需求。目前各种金属材料增材制造面临的问题：

　　1）特种钢：特种钢尤其是超高强钢电弧增材制造过程中表面氧化严重，导致构件中易产生夹杂 。与变形态或者变形热处理态相比OB体育，增材制造的超高强钢组织粗大，偏析严重，强韧性较低，需热处理改善强韧性 。但为获得良好的强韧性匹配，超高强钢热处理工艺复杂，且增材制造合金元素偏析增加了热处理难度。如激光增材制造二次硬化超高强钢堆积态下强塑性较低行业资讯，需进行热处理，将堆积体在 1150 ℃保温 0.5 h，炉冷至900 ℃保温1 h，空冷至室温；然后在680 ℃保 温 16 h，空冷至室温；随后在 885 ℃奥氏体化 1 h，油冷至室温后立即快冷到-73 ℃，放置1 h；最后在482 ℃回火 5 h，热处理工艺十分复杂，增加能耗和时间成本的同时，增加了工艺控制难度 。此外，超高强钢氢脆敏感性高，塑性变形能力差，丝材制备难度大、成品率低，增材制造过程中冷裂纹倾向大。

　　2）钛合金：由于钛合金在高温下具有较高的活性， 与氧、氢、氮等元素均能发生反应，因此钛合金增材制造过程中需惰性气体或真空保护。此外目前的钛合金体系增材制造过程中形成柱状晶的倾向大，导致力学性能各向异性 。

　　3）铝合金：铝合金从液相到固相时，氢的溶解度呈阶跃式降低。因此，铝合金在增材制造凝固过程中氢大量析出，加上铝合金凝固速度快，导致氢来不及逸出，易产生气孔缺陷 。由于铝合金热导率大，增材制造过程中散热快，易导致未熔合孔洞等缺陷。另一方面，铝合金热膨胀系数大，在增材制造过程中应力和变形较大，易产生热裂纹缺陷，尤其是高强铝合金 。此外，因为铝合金氧化倾向大，电弧增材制造过程中表面形成氧化膜，在后续的多层多道堆积过程中，如果氧化膜来不及上浮，容易残留在熔敷金属层与层、道与道之间，增加堆积体中杂质含量 。对于高 合金含量的铝合金，一方面在增材制造凝固过程中由于溶质元素再分配，出现严重的合金元素偏析和粗大的初生相，在后续增材制造热循环作用下易引起液化裂纹；另一方面高含量合金元素的添加扩大了铝合金固液两相区，凝固裂纹倾向增加。

　　4）高温合金：高温合金在增材制造过程中易形成未熔合、金属蒸汽孔洞等缺陷，与热输入大小密切相关 。另一方面，高温合金由于含有大量合金元素， 增材制造凝固过程中固液两相存在温度区间宽，在热应力作用下易产生凝固裂纹。高温合金增材制造凝固时杂质元素和合金元素向枝晶间和晶界偏析，合金元素偏析引起枝晶间或晶界产生粗大的初生相 。在后续增材制造热循环快热快冷作用下，杂质元素偏析和初生相引起枝晶间或晶界产生液化裂纹 。

　　5）镁合金：镁合金蒸发温度低、蒸汽压高、氧化倾向大，在激光、电弧等热源下易蒸发，形成未熔合孔洞和气孔等缺陷，致密度低，且易被氧化产生夹杂 。对合金含量高的镁合金，增材制造过程中还易形成偏析和粗大的初生相 。缺陷、偏析和初生相的形成降低增材制造镁合金的力学性能 。此外，由于镁合金易氧化，粉末易燃烧爆炸，塑性变形能力差，导致镁合金粉末和丝材制备难度大、成本高，氧、氢等杂质含量过高，成品率低。

　　6）钨和钼等难熔合金：由于钨和钼等金属熔点高，在增材制造时难熔化，易形成未熔合和裂纹等缺陷 。为保证增材成形性、减少缺陷数量，目前钨和钼等难熔金属在增材制造前需要对基板进行高温预热处理。德国马普所研究结果表明，为获得高致密度，钨合金激光增材制造时基板预热温度需达1000 ℃ 。过高的预热温度和工艺增加了增材成形性和质量控制难度，同时也对增材设 备提出了更高要求。

　　从上述分析可以看出，针对武器装备金属零部件制造和应用需求，开展增材制造专用金属材料设计和制备的研究，建立增材制造成形性和使役性能良好的金属材料体系和制备工艺规范，对金属增材制造技术在武器装备的应用和推广具有重要意义。近年来，国内外围绕增材制造专用金属材料陆续开展了一些研究，取得了突破性进展 。澳大利亚墨尔本皇家理工大学设计了新型 Ti-Cu 合金，在激光增材制造快速凝固过程中能形成等轴、超细晶组织，克服了 Ti-6Al- 4V 等钛合金激光增材制造过程中易形成粗大柱状晶的问题，具有更优异的强度和伸长率 。中南大学、 新西兰奥克兰大学和中车工业研究院有限公司通过添加硅和优化其他合金元素，开发了一种适用于激光增材制造工艺的新型铝合金粉末材料，有效解决了铝合金激光增材制造热裂问题 。英国牛津大学针对高温合金激光增材制造裂纹缺陷，通过计算和试验研究设计制备了裂纹敏感性低的增材制造用高温合金粉末 。中国兵器科学研究院宁波分院基于电弧增材制造冶金特征先后 设计和研制了高性能铝合金 、耐热钢和（超）高强钢丝材，解决了铝合金增材制造缺陷敏感、耐热钢组织稳定性和（超）高强钢 强韧性调控等关键问题，相关产品已成功应用于兵器、航天等领域大型复杂金属构件的整体制造。尽管目前增材制造专用金属材料研制受到关注，但材料种类单一，大部分工作仍处于实验室研究、个别种类材料处于小批量试制阶段，尚无法满足增材制造技术在武器装备制造领域的应用和推广需求。金属材料是否适用于增材制造目前尚无明确的判定标准和依据。

　　根据金属增材制造冶金过程、工艺特征和应用需求，增材制造用金属材料研制需考虑的因素如图 4 所示。具体包括：

　　1）增材制造成形性：用于增材制造的金属材料体系首先要具有良好的增材制造成形性，包括缺陷敏感性、熔体流动成形性、尺寸精度和表面质量等 。对电弧增材制造用丝材合金选择和设计还需考虑增材制造过程中表面氧化和脱渣等成形问题，避免多层多 道连续堆积过程中前一道熔覆金属表面氧化皮残留， 引起电弧漂移及夹渣和夹杂等问题。

　　2）粉末或丝材制备成形性：增材制造用金属材料需具有良好的粉末和丝材成形性，衡量指标包括粉末和丝材尺寸形状及均匀性、杂质含量、内部缺陷及材料利用率等。

　　3）增材制造堆积体机械加工性能：目前金属构件增材制造后往往需机械加工保证尺寸和形状精度，因此用于增材制造的金属材料体系选择和设计时应考虑材料的机械加工成形性。

　　4）使役性能：为满足实际服役环境使用需求，增材制造金属材料需具有良好的使役性能，例如静/动态力学性能、耐腐蚀和抗氧化性能等，同时要求性能调控工艺尽可能简单易操作。

　　5）性价比：作为金属增材制造技术基础，金属材料的性价比高低很大程度上决定该技术最终能否在武器装备零部件制造领域得到应用。因此，增材制造用金属材料的设计和制备应该考虑合金原材料、粉末或丝材制备、增材制造工艺（如是否需特殊保护或者辅助控温装置）、机械加工、热处理工艺等整个环节的性价比 。

　　武器装备苛刻的服役环境要求金属材料具有优良的比强度及抗冲击、耐腐蚀、耐高温或耐磨损等性能。因此，设计和制备高性能金属材料是武器装备领域长期关注和研究的热点。梯度材料、金属基复合材料、高熵合金等高性能金属材料的研发和应用显著增 加了武器装备的轻量化、防护抗打击和高效毁伤等使役性能及服役寿命。例如，铝基复合材料在活塞上的应用在满足军用车辆轻量化设计的同时显著提升了发动机的功率和服役寿命；火箭发动机燃烧室用高温合金/铜合金梯度材料（外层高温合金，衬里铜合金）， 能同时保证外层的高温强度和衬里的导热散热需求。目前梯度材料、金属基复合材料、高熵合金等高性能金属材料主要通过传统冶炼铸造或者粉末冶金等方法制备。在铸造过程中梯度材料和复合材料的组织、 结构和性能控制难度大，增强相易偏聚，而高熵合金易产生合金元素偏聚，严重影响材料和构件的力学性能和耐腐蚀性能等。此外，冶炼铸造和粉末冶金等方法难以制造复杂结构的梯度材料、复合材料和高熵合金材料。因此，探索梯度材料、金属基复合材料、高熵合金等高性能金属材料制备的新方法，对其在武器装备应用和推广、提升武器装备的综合性能具有重要意义。

　　近年来大量研究结果表明，金属增材制造技术除能制造或修复复杂结构、同质材料零部件，还可用于制备高熵合金、梯度材料和复合材料等高性能金属材料 。温州大学采用电弧增材制造技术、以绞股焊丝为原料实现了抗压强度为2.8 GPa、压缩塑性应变为41.8%的高熵合金 。德国马普所通过调整激光选区熔化增材制造层间停留时间控制纳米尺度析出相的数量，成功制备出具有大马士革刀显微组织特征的高强马氏体时效钢，抗拉强度在 1300 MPa以上，断伸长率大于 10%。新加坡南洋理工大学采用激光增材制造技术制备 TiC 颗粒增强 316L 奥氏体不锈钢，抗拉强度和屈服强度分别达 1.03 GPa和 832 MPa， 同时断后伸长率保持在 29% 。与粉末冶金、冶炼铸造等传统制造方法相比，增材制造技术能实现金属梯度材料和复合材料复杂组织和结构的可控设计和制备，能有效降低冶炼铸造制备过程中梯度或复合材料颗粒或纤维增强体团聚倾向及高熵合金的元素偏析问题，表现出更优良的使用性能 。

　　增材制造技术能制备的梯度材料可分为同质和异质梯度材料。同质梯度材料是增材制造采用相同原料，通过调整工艺和结构设计参数，形成显微组织特征或宏观结构尺寸呈梯度分布的单相材料，包括固溶元素、晶粒尺寸、晶体取向、点阵结构梯度及其混合型梯度材料，如图5a~d所示 。固溶元素梯度材料是通过调整增材制造保护气的混合比例，形成基体物相种类相同、固溶气体元素含量呈梯度分布的材料（如高氮钢增材制造过程中，调整氩气中氮气的比例）（图 5a）。晶粒尺寸和晶体取向梯度材料是通过调整增材制造工艺参数（热输入、扫描路径、扫描速率等），制备晶粒尺寸、晶体取向呈现梯度分布的材料（图 5b、c）。明确晶粒尺寸和晶体取向特征与增材制造工艺间的对应关系，实现增材制造凝固过程中晶体生长和热循环作用下再结晶行为的控制，是晶粒尺寸和晶体取向梯度材料增材制造的关键。点阵结构梯度材料是通过结构设计，用增材制造技术制备的点阵结构尺寸呈梯度分布的材料（图 5d）。点阵结构梯度材料结构的变化在增材制造过程中易引起应力分布变化，造成局部应力集中，导致结构变形甚至开裂，降低材料的承载能力。因此，点阵结构梯度材料的结构设计优化及增材制造应力和变形控制十分关键。

　　异质梯度材料是增材制造过程中通过调整增材制造工艺、两种及以上粉末或丝材的送粉速率或送丝速度，制备合金元素或第二相呈梯度分布的相材料， 包括连续型成分、阶梯型成分、难熔颗粒和易熔颗粒梯度等类型，如图5e~h所示 。连续型和阶梯型成分 梯度材料是增材制造过程中调整两种及以上粉末或丝材的送粉速率或送丝速度，制备合金元素呈梯度分布的多相材料，如图 5e、f所示。连续型和阶梯型的区别在于前者是在增材制造过程中逐渐调整两种及以上粉末或丝材的送粉速率或送丝速度，形成的多相间合金成分梯度平缓，而阶梯型是保证冶金情况下，在增材制造过程中突变式地调整两种及以上粉末或丝材的送粉速率或送丝速度，形成的多相间合金成分梯度陡峭。难熔和易熔颗粒梯度材料是通过调整增材制造过程中增强颗粒与基体粉末间的比例，制备难熔颗粒和易熔颗粒体积分数或尺寸梯度分布的材料，两者区别在难熔颗粒梯度材料用的颗粒在热源下不溶解、与基体发生反应，而易熔颗粒梯度材料的颗粒会溶解、与基体发生反应，如图5g、h所示 。

　　增材制造技术能制备的金属基复合材料包括层状、颗粒增强、短纤维增强、仿生复合材料及这些复合材料的组合等。图6为增材制造金属基复合材料示意图。层状复合材料是在增材制造过程中通过力学性能或功能不同的多种材料交替沉积，制备出兼具多种 材料力学性能和功能的复合材料（图 6a）。颗粒或短 纤维增强复合材料是通过向金属粉末中直接混合颗粒状或短纤维状增强体粉末或利用增材制造过程中的冶金反应原位生成颗粒或短纤维增强体，制备出颗粒状或短纤维状增强体弥散分布的复合材料（图 6b、 c）。仿生复合材料是仿照天然生物材料结构、采用增材制造技术制备的具有分级、分层、多孔等结构的复合材料（图 6d）。上述采用增材制造技术制备的金属基复合材料，基体也可设计和制备成梯度材料。

　　除了制备高性能金属材料，增材制造技术还可作为金属材料高通量设计和优化的工具 。传统武器装备金属材料研制以“经验指导试验”的试错法为主，通过设计和制备大量不同成分的样品，涉及冶炼、锻造、 轧制、热处理等工艺环节，通过结构表征和性能测试对合金成分优化，消耗大量的时间、人力和物资，难以满足先进武器装备对高性能金属材料的迫切需求。因此，实现高性能金属材料研制过程中成分高效、可靠、 经济设计和优化，对武器装备的快速发展十分关键。金属增材制造技术的出现为武器装备新材料的成分设计、快速制备和优化提供新思路和新方法。以激光熔化沉积增材制造为例，通过调节多种原料（金属粉或者丝材）的混合比例，在增材制造热源下熔化发生冶金反应，实现不同合金成分的高通量设计和制备， 有效减少新材料研发过程中的人工、材料等投入，缩短研发周期。图7为基于激光熔化沉积增材制造的金属材料高通量制备原理示意图。德国马普所Raabe团队采用激光同轴送粉增材制造技术，通过不断增加 Al 粉送粉速率调整与 Fe-19Ni 合金粉末的比例，快速制备了 Al 的质量分数为 0~25% 的 Fe-19Ni-xAl 超高强钢材料，通过显微组织观察和硬度测试，确定了 Al 含量的临界值，实现了激光增材制造用 Fe-19Ni-xAl 超 高强钢粉末的快速设计和优化 。

　　上述高熵合金、梯度材料和复合材料等高性能材料的增材制造和应用不仅有望提升武器装备抗冲击、 耐磨损和轻量化等综合性能，而且这种基于增材制造技术的材料设计和制备理念对未来武器装备材料设计和性能调控有重要的理论指导意义。然而，目前由于增材制造专用金属材料缺乏和设备成形尺寸及精度等因素的限制，金属增材制造技术仅能实现部分中小尺寸的梯度材料和复合材料的制备，用于金属材料高通量设计和优化也仍处于实验室研究阶段。此外，对异质梯度材料和复合材料，不同材料间熔点、热导率、热膨胀系数等热物性能的差异及脆性金属间化合物的形成增加了增材制造的难度 。因此，在未来研究中面向武器装备领域高性能材料的需求，开展基于增材制造技术的高性能金属及其复合材料设计、制备及组织性能调控和评价的研究，有助于扩展增材制造技术的应用范围、提升武器装备金属材料研发能力。

　　为保证使用时的尺寸和性能要求，金属增材制造构件的“控形、控性”十分关键。“控形”主要包括构件变形、开裂、结构尺寸和形状等，“控性”主要通过显微组织和结构调控保证最终构件的使役性能，涉及晶粒大小、织构、偏析程度、第二相尺寸、孔隙率或致密度、缺陷特征和相变规律等。目前金属增材制造构件的 “控形、控性”质量评价采用的模式主要是增材制造结束后，通过无损或破坏性检测对尺寸规格和性能进行测试和评估。一旦构件出现严重的尺寸偏差、变形和内部缺陷，如果无法修复，则整个构件将报废，造成材料、人工和时间浪费，尤其是对大型复杂金属构件。因此，实现大型复杂金属构件增材制造过程中的宏观结构和显微组织特征等信息的感知、预测和控制，有助于武器装备增材制造零部件的“控形、控性”、降低材料和人工成本。

　　近年来模拟仿真技术在增材制造研究中的应用和发展，为金属增材制造过程宏观结构和组织演变特征的预测和控制提供了新方法和途径。以激光熔化沉积增材制造技术为例，通过数值模拟计算研究金属增材制造过程中气体-粉末流场特征、熔池传热传质过程规律、非平衡凝固和固态相变组织特征及构件的应力和变形规律，建立金属材料合金元素、增材制造工艺与微观组织特征、应力和变形间的对应关系，明确增材制造构件显微组织特征、应力和变形的控制因素，从材料、增材工艺和结构设计等方面形成组织特征、应力和变形的调控方法。但由于增材制造热-力过程及模拟仿真宏微观耦合的复杂性，目前增材制造的模拟仿真仍处于实验室基础研究阶段，大部分工作仍是对增材制造过程定性或半定量描述，模拟仿真结果与实际增材制造宏观结构和显微组织特征仍存在较大差异， 在实际增材制造结构和组织预测和控制中尚未充分发挥预期作用，将来仍需面向实际金属增材制造特征开展进一步的基础理论和应用研究。图8为金属激光熔化沉积增材制造模拟仿线 金属激光熔化沉积增材制造模拟仿线 金属增材制造构件的质量检测和评价

　　金属增材制造构件质量好坏直接决定武器装备的性能和寿命，增材制造金属构件质量检测和评价十分关键。如 3.1节所述，金属增材制造成形规律、显微组织、缺陷特征及对应的力学性能与传统制造工艺不同，增加了零部件组织特征判定、缺陷识别和评级、性能测试和失效分析等质量检测和评价的难度 。如激光增材制造的金属点阵结构具有优良的缓冲吸能作用，在坦克防护装甲和舰船结构水下抗爆方面具有潜在应用前景。金属点阵结构内部缺陷采用常规检测方法易漏检，且增材制造堆积界面对超声等信号存在严重的散射作用，影响缺陷识别 。目前增材制造金属点阵结构检测主要依赖于CT，导致检测和应用成本较高。因此，实现增材制造复杂金属零部件质量的快速、可靠检测和评价，形成面向武器装备应用的增材制造零部件质量检测和评价标准体系，对未来武器装备增材制造零部件服役的可靠性和安全性至关重要。

　　随着武器装备零部件结构大型化和复杂化的发展，对增材制造技术的成形尺寸和效率、制造精度和性价比提出了更高要求。一方面，大型复杂金属构件的研制和生产在保证精度和质量的同时要求具有较高成形效率，但目前武器装备零部件采用的金属增材制造技术难同时兼顾成形效率和精度。如激光选区熔化增材制造技术拥有较高的成形精度，但成形效率低、制造的构件尺寸受到惰性气氛舱室限制，适用于小尺寸复杂构件的制造。电弧增材制造技术成形效率高，能制造大尺寸构件，但成形精度低，需机械加工保证尺寸和形状精度，主要用于大型较复杂构件的整体制造 。另一方面，爆炸、冲击、湿热等苛刻的服役环境要求武器装备零部件具有优良的静动态力学和耐腐蚀等性能。尽管少部分增材制造金属零部件的性能接近甚至优于锻件，但大部分仍处于锻件水平以下，难以满足武器装备在极端环境服役需求 。此外，为满足武器装备应用和列装需求，零部件制造技术需具有良好的性价比，而目前金属增材制造技术采用的丝材和粉末材料及设备成本较高，在一定程度上限制了其在武器装备复杂零部件制造领域的应用和推 广。因此，开发大型复杂金属构件高效率、高精度、高 性能、高性价比的增材制造技术，对于武器装备结构轻量化、强防护和高毁伤发展具有重要的军事意义。

　　近年来，金属增减材制造技术的发展使武器装备复杂金属构件高效率、高精度制造成为可能，受到国内外广泛关注和研究 。金属增减材制造技术是在增材制造过程中引入铣削、磨抛等传统机械加工工艺，对已成形构件进行去除加工，能保证构件内孔、封闭空间内壁等表面的质量和精度。金属增减材制造技术不仅具有增材制造的成形速度快、材料利用率高和复杂结构易成形等优势，还兼具机械加工高质量和高精度等优点 。其中具有代表性的是电弧增减材制造技术， 具有沉积效率高、材料利用率高、成本低和零件尺寸限制小等特点。此外，增材制造过程中锻造或轧制、高能超声等辅助工艺的引入显著提高了金属零部件的性能 。因此，变形或超声辅助电弧增减材制造技术是大型武器装备零部件高效率、高精度、高性价比增材制造重要的发展方向之一。

　　目前国内外武器装备零部件制造采用的金属增材制造技术主要是3D打印，即通过逐层堆积方式制造出所需形状的结构件，注重结构件的形状和力学性能，其形状、性能和功能要求稳定 。近年来，4D 打印技术得到快速发展，已成为增材制造技术的重要发展方向。与 3D 打印相比，4D 打印在三维空间引入了时间维度，通过对材料和结构主动设计和制造，使构件结构、性能和功能在空间和时间维度上能可控变化 。4D打印构件结构、性能和功能的可控变化为先进武器装备的研发提供了新思路。如美国国家航空航天局提出智能变体飞机的设计构想，即飞机的外形能随外界环境产生自适应变化，在巡航、起飞、降落和盘旋时分别变形至不同形状，从而改变飞机的机动性、速度和航程 。这种构想同样适用于无人机和两栖无人平台等武器装备的设计和制造。通过 4D 打印实现武器装备金属构件的结构和功能设计和制造，在战场瞬息万变的条件下，结构、功能能相应发生变化，提升武器装 备的远程作战、环境适应和高生存能力，例如两栖无人平台通过形状变化调整机动性和续航能力、产生“拟态”伪装和适应水陆两栖环境。然而，目前能用于 4D 打印技术的金属材料种类较少，仅限于 Ni-Ti 基形状记忆合金和Cu基形状记忆合金等少数几种金属材料， 实现的功能主要是温度作用下构件形状变化，尚处于现象演示阶段 。为实现金属 4D 打印技术在先进武器装备的应用，未来需围绕 4D 打印材料研制、工艺 和设备开发，以及面向武器装备的金属构件结构-功能设计和评估等方面开展深入的研究。

　　金属增材制造技术为武器装备的轻量化、强防护、 高毁伤、信息化和智能化发展提供了新思路和新契机， 目前已应用于武器装备特种钢、铝合金、钛合金、高温合金、镁合金和难熔金属等复杂零部件的整体快速制造和修复，大幅度提升了武器装备的综合性能、缩短了研制生产和维护保障周期。此外，金属增材制造技术 成功实现了高熵合金、梯度材料和复合材料等高性能金属材料的设计和制备，在武器装备耐高温、抗冲击、 结构轻量化等领域具有广阔的应用前景。但目前金属增材制造技术面临专用高性能金属材料种类有限、制造尺寸和精度及效率难以兼得、增材制造过程感知预测和控制缺乏、增材制造构件质量检测和评价标准不完善等瓶颈问题，严重制约其在先进武器装备的应用和推广进程。因此，未来需针对金属增材制造技术的瓶颈问题开展进一步的基础和应用研究工作，突破金属增材制造材料、工艺、检测和性能调控等方面的关键科学或技术问题，积极发展4D打印等先进金属增材制造技术新理论和新方法，完善武器装备零部件金属增材制造技术全流程产业链和标准规范体系，为先进武器装备的研制、生产、运行和维护提供有力技术支撑和保障。OB体育OB体育OB体育