粘结剂喷射3D打印（binder jet 3D printing,BJ3DP）是一种无熔化、高效率、低成本的金属增材制造技术,近年来在复杂结构、大尺寸、高精度构件制造中展现出了巨大的应用潜力。相比激光熔化等工艺,BJ3DP具有材料适应性强、工艺温度低、无残余应力等优势,适用于热敏性或易氧化金属材料。总结了金属BJ3DP打印构件的影响因素,包括粉末特性、打印参数、脱脂/烧结工艺等,重点介绍了铁基、镍基、镁基、铝基、高熵合金等合金在BJ3DP成形过程中的物相、微观组织与性能。最后,简要概述了目前存在的问题及未来的发展趋势。

激光粉末床熔融（laser powder bed fusion,LPBF）成形悬垂结构的应力与变形是实现复杂金属构件高质量、高精度制造的关键问题之一。通过基体预埋应变片的方式实现了悬垂结构LPBF成形过程应变数据的实时测量。基于原位应变测量系统研究了T形悬垂结构、低角度悬垂结构（5°和10°）LPBF过程的原位应变行为。深入研究了不同悬臂长度、不同成形工艺参数对T形悬垂结构原位应变行为的影响,并进一步分析了不同悬垂角度、支撑类型对低角度悬垂结构原位应变行为的影响。结果表明,T形悬垂结构的悬空长度越长,结构的变形越大;采用激光能量梯度、棋盘扫描策略可有效降低T形悬垂结构的变形。支撑结构设计可显著影响低角度悬垂结构的应变行为和成形质量,采用H1支撑设计策略（块体支撑间距0.8 mm+锥体支撑间距0.6 mm）的成形质量最佳。上述结果可为深入理解LPBF成形悬垂结构的变形行为和调控提供有效参考。

以球形WC-Co粉末和作为粘结剂的尼龙粉为原料,采用选区激光烧结技术在低温下熔化尼龙,以实现复杂结构硬质合金零件的3D打印成形,然后通过脱脂、烧结来提高打印件的致密性和力学性能。重点探究了后续烧结工艺对打印硬质合金组织和力学性能的影响规律。研究发现,不同工艺处理的打印件均获得了纯净的物相组成,相较于其他热打印方法易产生缺碳相有明显的工艺优势。基于提出的常压预烧和二次气压复烧相结合的后处理工艺,打印硬质合金获得了近全致密的组织结构和优越的综合力学性能。在平均晶粒尺寸为2.8 μm的前提条件下,其平均维氏硬度为1 247HV30,断裂韧性达到20.1 MPa·m^1/2,抗压强度和抗弯强度分别达到3 542 MPa和1 861 MPa。基于对不同烧结工艺下获得微观组织的比较分析,揭示了两步烧结法实现选区激光烧结打印硬质合金的致密化机制。

实验以典型Ni₃Al基IC-221M合金为研究对象,分析了激光定向能量沉积过程中的工艺参数与微观组织演变之间的关系,并开展了室温力学性能测试。通过扫描电子显微镜发现合金的微观组织主要为枝晶间的γ-Ni₅Zr共晶和γ+γʹ低熔点共晶相组织及枝晶干的球形γʹ相。随着扫描速度的增加,(200) 衍射峰向低角度偏移,晶面间距和晶格常数逐渐增加,且凝固组织中的晶粒尺寸逐渐减小。室温力学性能方面,当激光扫描速度达到700 mm/min和800 mm/min时IC-221M合金样品的各项力学性能均高于铸态合金,屈服强度高于550 MPa,抗拉强度高于750 MPa,断裂伸长率高于13 %。

针对单级铺粉机构在保证高堆积密度铺粉的同时难兼顾低压力铺粉的问题,研究了两级铺粉机构对粘结剂喷射增材制造（binder jetting additive manufacturing,BJAM）粉末床质量的影响规律。对比了辊子,刮刀及两级铺粉3种铺粉方式对粉末床质量及基板压力的影响,并探讨了预铺层厚对两级铺粉粉末床质量的影响,使用离散元模拟进一步分析了3种铺粉过程中的粉末动力学行为。结果表明：铺粉层厚和铺粉速度相同时,两级铺粉与辊子铺粉的粉末床质量相当,且优于刮刀铺粉,但两级铺粉对粉末床的平均压力为427 Pa,远低于辊子铺粉的2 178 Pa,极大地提高了粉末床稳定性。预铺层厚显著影响粉末床压实效果,当预铺层厚从150 μm增至250 μm时,粉末床堆积密度提升明显,而超过250 μm后密度增长趋于饱和,此时基板压力则随预铺层厚增加持续升高。本工作有望为粘结剂喷射增材制造铺粉机构选择及铺粉参数优化提供理论依据。

激光粉末床熔融（laser powder bed fusion,LPBF）因其优异的成形能力与组织细化潜力,为高性能轻质钢的制备提供了新途径。然而,目前针对高Ni含量Fe-Mn-Al-C系轻质钢的LPBF成形研究匮乏,且B2相演变规律及其对力学性能的影响机制尚不明确。以Fe-30Mn-11Al-12Ni-1C轻质钢为研究对象,对比分析了打印态和热处理后基体组织、B2相的形貌、尺寸及分布演变规律,建立了LPBF成形轻质钢微观组织与力学性能的关系。在激光功率95 W、扫描速度800 mm/s的条件下,成功制备出致密度达99.2%的无缺陷样品,并通过1 100 ℃和1 200 ℃热处理对打印态样品进行组织调控。结果表明,打印态轻质钢以FCC-γ奥氏体相为主,B2相呈棱角分明多边形状（平均尺寸68 nm）,沿晶界不连续分布,面积占比12.43%。经1 100 ℃热处理后,B2相转变为短棒状（平均尺寸0.93 μm）,均匀分布于晶内及晶界,面积占比显著提升至52.14%;1 200 ℃热处理则促使B2相形成条带状形貌（平均尺寸1.89 μm）,面积占比降至41.03%。力学性能测试显示,1 100 ℃热处理后试样显微硬度（468.5HV0.2）、屈服强度（930.2 MPa）和抗拉强度（1 012.6 MPa）显著提升,但伸长率急剧降低至0.88%。研究表明,B2相含量与尺寸的增加通过第二相强化机制提升了强度,但其硬脆特性导致基体塑性急剧恶化。

GH3536高温合金因其优异的热稳定性和抗氧化性能,在航空航天等领域具有重要应用价值。然而,传统制造工艺难以满足复杂结构件的制备要求,激光粉末床熔融（laser powder bed fusion,LPBF）技术作为一种前沿的近净成形制造方法,被认为是快速生产具有复杂结构的高温合金零件的重要工艺技术。采用LPBF技术制备了GH3536高温合金,研究了工艺参数对微观组织和力学性能的影响。LPBF成形的GH3536高温合金主要相结构为FCC结构,伴随少量M₂₃C₆相和马氏体（α）相,具有熔池—粗大柱状晶—超细胞状晶的多层级结构。随着能量密度的增加,致密度表现出先升后降的变化趋势,其中104.00~120.00 J/mm³是适合于GH3536高温合金成形的理想工艺窗口,致密度超过99.5%。当能量密度为104.17 J/mm³时,胞状晶的尺寸较小,且致密度较高,GH3536高温合金表现出优异的强塑性组合,屈服强度为649.45 MPa、抗拉强度为854.74 MPa、伸长率为32.30%。

WE43镁合金在航空航天、生物医学及交通运输领域展现出显著的应用潜力,激光粉末床熔融技术为实现其性能优化提供了新途径。然而,该工艺制备的镁合金构件常因微观结构的各向异性导致其力学性能的提升被制约。系统研究了不同沉积方向对激光粉末床熔融制备的WE43镁合金组织和性能演变的影响。结果表明,机械性能的各向异性与沉积方向有关。首先,垂直沉积试样内平均尺寸1.86 μm的晶粒具有细晶强化效应;其次,高密度的低角度晶界对位错运动的阻滞作用;最后,当垂直试样沿构建方向承受拉伸载荷时,LPBF 制备的WE43合金会受到与现有裂纹平行的应力,进一步提高机械性能。因此,垂直沉积试样的拉伸性能优于水平沉积试样,屈服强度达到282 MPa、极限拉伸强度达到325 MPa、伸长率达到12%。该研究为LPBF沉积策略的优化提供了理论依据,为实现WE43镁合金微观结构与性能的定向设计奠定了技术基础。

增材制造可以实现金属多孔材料的制备,既满足金属优异的耐热性、耐蚀性等特性,同时也具有高比表面、可控渗透性等多功能特性。实验通过激光粉末床熔融的加工方法,通过控制激光功率及扫描速率,实现了多孔CM247LC镍基高温合金的可控制备。结果表明,增材制造CM247LC镍基高温合金相组成主要为γ/γ'相,平均晶粒尺寸为20 μm。多孔高温合金的性能随着相对密度的降低迅速衰减,相对密度为98%的高温合金的拉伸屈服强度为989.1 MPa,抗拉强度达到1 395.4 MPa,而相对密度为60%的高温合金拉伸屈服强度为132.8 MPa,抗拉强度仅为223.2 MPa。高温合金的变形机制以位错滑移为主,呈现出典型的河流状花样,而多孔高温合金呈现为烧结颈的脆性断裂模式。

激光粉末床熔融中,铺粉质量直接影响零件性能和成形质量。目前研究多聚焦于刮板铺粉,对滚筒铺粉及其微观机制的探讨相对匮乏,且多基于单一尺寸粉体,与实际连续尺寸分布存在差异。为此,采用离散元法模拟316L不锈钢粉末的滚筒铺粉过程,并结合CFD法分析不同铺粉厚度下的激光熔化行为,系统探究工艺参数对粉末床宏观及微观性能的影响,并与刮板铺粉进行对比。结果表明：当滚筒速度V=0.04 m/s、旋转速度ω=-15 rad/s时,粉末床具有高堆积密度和良好均匀性;滚筒铺粉质量优于刮板铺粉;动力学分析显示,随着V增加,粉末粒子运动速度加快,与基板间力链增强,流动性变差,易产生堵塞,降低粉末床质量。

激光粉末床熔融（laser powder bed fusion, LPBF）增材制造技术在金属多材料结构制造方面取得了长足的进步,而异质粉末床的质量是影响成形件质量的关键之一,其中颗粒间内聚力对粉末扩散过程起着关键作用。以316L不锈钢和CuSn10合金为例,使用离散元的方法来数值模拟多材料粉末床的铺展过程,评估颗粒间的内聚力对粉末层质量的影响。同时研究了内聚力对沿着铺粉方向的清晰分界线的异质粉末床的影响。研究发现：随着颗粒间的内聚力增强,粉末的铺展性越差,粒度偏析现象加重;内聚力使得粉末团聚运动,造成粉末交叉污染;聚力变大使得粉末流动性变差,休止角变大,边界质量差且陡峭。

为进一步探究前处理对3D打印AlSi10Mg合金铬酸阳极氧化和抗盐雾腐蚀性能的影响,选取喷砂和机加工等前处理的3D打印AlSi10Mg合金试样,对其进行铬酸阳极氧化和盐雾腐蚀试验。采用宏观形貌、金相显微、SEM等宏、微观组织表征方法,结合EDS等元素分析手段,分析前处理对合金阳极氧化和抗盐雾腐蚀性能的影响。结果表明：不论合金经过喷砂还是机加工前处理,经过铬酸阳极氧化后表面均附着均匀性、致密性和质量良好的阳极氧化膜。经240 h盐雾试验后,试样表面极少区域出现阳极氧化膜变色的情况,而微观表征显示致密阻挡层仍保留良好的形貌和抗盐雾腐蚀性能。表明前处理基本不会对3D打印AlSi10Mg合金铬酸阳极氧化膜和盐雾腐蚀性能造成影响。

通过模拟与实验探讨了选区激光熔化（selective laser melting,SLM）技术在制备18Ni250马氏体时效钢过程中的熔池演变机制和组织分布。研究重点包括SLM成形件的熔池、微观组织演变及力学性能测试。模拟结果表明,激光加载下金属粉末熔化时出现Marangoni效应,使得熔池凝固后,表面较为光滑。实验结果表明,制备出的金属块体表面平整且致密。模拟与实验的熔池尺寸比较吻合,说明通过模拟预测打印质量比较可靠。热处理后的SLM-18Ni250件,抗拉强度达到1 970 MPa,屈服强度为1 900 MPa,与传统锻态的18Ni250马氏体时效钢性能相当,但韧性略低。SLM-18Ni250的金相组织中,打印态熔道分布规整,组织为少量奥氏体和马氏体。而固溶水淬处理让奥氏体转变为马氏体,时效空冷处理后马氏体显著增加,成分均匀进而提升材料的机械性能,但打印件的层间结合和缺陷分布等特性使得韧性略低。使用模拟与实验结合的研究方法和思路,可以为SLM技术制备高强度、高韧性的马氏体时效钢提供有益指导。

采用电子束选区熔化（electron beam selective melting,EBSM）技术成功制备了能够用于聚晶金刚石复合片（polycrystalline diamond compact,PDC）钻头胎体的金刚石/Ni-Cu复合材料试样,系统研究了金刚石体积分数对金刚石/Ni-Cu复合材料的致密度、抗弯强度、耐磨性和抗冲蚀性能等的影响规律。研究结果表明,随着金刚石体积分数增加,金刚石/Ni-Cu复合材料的致密度和抗弯强度整体上都呈先减小后相对稳定,随后再迅速减小的趋势。但是,当金刚石体积分数从10%逐渐增加到35%时,金刚石/Ni-Cu复合材料的磨耗比呈先增大后减小的趋势,当金刚石体积分数为25%时,磨耗比达到最大值1.08。而金刚石/Ni-Cu复合材料的冲蚀质量损失则随金刚石体积分数的增加呈先降低后升高的变化趋势,当金刚石体积分数为25%时,失重达到最小值7.50 mg。因此,当金刚石体积分数为25%时,EBSM制备的金刚石/Ni-Cu复合材料的耐磨性和抗冲蚀性能同时达到最优。

采用选区激光熔化成形工艺,成功制备了CuCrZr/316L双金属结构,并对其实施了热处理强化。借助光学显微镜、X射线衍射仪及扫描电镜等手段,对CuCrZr/316L双金属结构界面的相组成和微观组织进行了表征分析,同时深入分析了其力学性能,以及影响其界面结合性能的主要因素。结果显示,CuCrZr/316L双金属结构的界面可以分为富铜层、混合层和富铁层3个部分。在成形态下,界面细晶强化及第二相强化作用使界面强度高于CuCrZr基体。然而,富铁层中的Cu元素会导致铁基体发生脆化现象,在SLM过程中热应力的作用下,进而产生裂纹。经过热处理后,CuCrZr基体的硬度得到了提升。这使得经过热处理的CuCrZr/316L双金属结构在拉伸试验中,断裂位置从原本的CuCrZr基体转变至富铁层,断裂方式由韧性断裂转变为了脆性断裂,抗拉强度从216.7 MPa提高到了443.9 MPa,但伸长率从37.5%降低至3.0%。

借助激光同轴送粉增材制造技术制备TiAl合金,深入探究了不同激光功率下合金冶金缺陷的演变规律,分析了合金的相组成、显微组织及力学性能。结果表明,随着激光功率增加,TiAl合金单熔道的熔宽和熔深逐渐增大,球化现象逐渐减弱。合金具有较高的致密度,孔隙率均小于0.05%,并且随着激光功率增加,孔隙率略有降低。激光功率为1 200 W时,试样与基材界面附近出现裂纹,激光功率增加至1 400、1 600 W时,裂纹消失。TiAl合金主要由γ-TiAl相及少量的α₂-Ti₃Al相组成,其显微组织特征是γ/α₂片层晶团边界处分布着少量块状γ晶粒。随着激光功率的增大,TiAl合金的片层晶团尺寸呈现逐渐增大的趋势。激光功率为1 400 W时,TiAl合金的抗拉强度为476 MPa,其拉伸断口形貌呈现脆性断裂特征。

针对激光熔覆制备的IN718-6W合金沉积层,探讨了不同固溶和时效热处理工艺对其微观组织、硬度和拉伸性能的影响。研究发现,沉积层组织中的Laves相的数量随着固溶温度升高会逐渐降低,直至1 160 ℃时基本消失,有利于减少合金的脆性。3种固溶时效处理工艺均能提升IN718-6W合金的维氏硬度和力学性能,其中STA（固溶1160 ℃×1 h,空冷,时效720 ℃×8 h+620 ℃×8 h,空冷）工艺条件下,IN718-6W合金的维氏硬度、屈服强度和抗拉强度最高,分别为（456.4±12.0） HV、（1 020.91±0.12） MPa和（1272.08±42.79） MPa,较未热处理状态分别提高了约50%、58%和19%,但伸长率从28.9%±1.27%下降到14.30%±4.10%。拉伸断口形貌分析显示,不同热处理工艺下样品的断裂行为均表现出韧性断裂特征。本研究可为IN718-6W合金的热处理工艺优化及综合性能的改善提供实验基础与理论指导。

纯铜粉末中添加质量分数50%的18Ni300钢材粉末进行混合后,利用激光粉末床熔融技术（LPBF）制备Cu-18Ni300偏晶合金,采用光学显微镜、电子密度计、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能量色散X射线光谱仪、数字显微硬度计、Instron万能试验机对Cu-18Ni300偏晶合金的微观组织、相对密度和力学性能进行表征与分析。当激光功率为210 W、扫描速度为1 100 mm/s时,Cu-18Ni300偏晶合金的致密度高达98.9%,主要由ε-Cu相、γ-Fe相及α-Fe组成。打印态的极限抗拉强度为516.6 MPa,伸长率为8.21%;经500 ℃保温2 h后空冷,Cu-18Ni300偏晶合金极限抗拉强度高达669.7 MPa,伸长率为7.37%,相对于未热处理时强度提高了153.1MPa。

采用Ni₃Al-35%Cr₇C₃合金粉末,在C18150铬锆铜合金基体上制备激光熔覆层,研究了扫描速度对显微组织、硬度与耐磨性能的影响。结果表明,熔覆层主要由γ′-Ni₃Al、NiAl和原位自生Cr₇C₃相组成。随着扫描速度增加,冷却速率提高,Cr₇C₃尺寸显著细化,平均粒径由2.030 μm降至0.601 μm。熔覆层硬度呈先降后升趋势,最低值出现在扫描速度为4 mm/s时;而磨损量随扫描速度增加而下降,从0.77 mg降至0.42 mg,高扫描速度条件下表现出更优的耐磨性能。磨损机制主要为粘着磨损、磨粒磨损及氧化磨损;扫描速度越快,磨损沟槽与剥落现象越轻。

以42CrMo为基体,采用激光熔覆技术制备AlCoCrFeNi及AlCoCrFeNiY高熵合金涂层,探究Y元素对涂层900 ℃高温抗氧化性能的影响。结果显示,未添加Y元素的涂层氧化后形成包含Cr₂O₃、Al₂O₃及尖晶石的双层结构氧化物层（thermally grown oxide,TGO）,在内部应力作用下TGO易开裂剥落导致基体裸露,影响抗氧化性能;添加Y元素后,涂层氧化产物以致密Al₂O₃为主,含少量Al₅Y₃O₁₂和Cr₂O₃,TGO呈连续片层状,无剥落现象。氧化增重曲线显示,Y元素使涂层稳态氧化速率降低25%。研究表明,Y元素的添加提升了TGO完整性,阻碍了O向涂层内部扩散;在TGO界面处形成Al₅Y₃O₁₂,提升了TGO与基体结合力,促进致密TGO的形成,有效改善高熵合金涂层的抗氧化性能。

研究了激光粉末床熔融和传统铸造方法制备GH4099合金的显微组织差异,进一步分析了热处理对其显微组织演变及力学性能的影响。结果表明：激光粉末床熔融和铸造成形的GH4099合金分别为外延生长的近柱状晶组织和双峰分布的等轴晶组织。在随后的热处理中,两种工艺成形合金的晶粒内枝晶结构消失,同时析出碳化物及γ'相,导致其强度提高,塑性降低。与铸造相比,激光粉末床熔融成形的GH4099试样热处理时发生静态再结晶,晶粒细化,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提升了66 MPa、187 MPa和14.5%。

为研究Fe₃Al/Cr₃C₂复合材料成形裂纹影响因素和耐磨机制,利用激光熔覆在碳素结构钢基材上进行Fe₃Al/Cr₃C₂复合材料成形正交试验,通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）及磨损试验对涂层进行表征。结果表明：对熔覆层裂纹的影响因素中,Cr₃C₂质量分数是影响裂纹的首要因素,15%和25% Cr₃C₂熔覆层裂纹数量最少;在不同Cr₃C₂含量的熔覆层中,15%和25%Cr₃C₂熔覆层的磨损率最低,可归因于不易发生黏着磨损和强化相微观结构精细,有利于磨削表面的分离;熔覆层中强化相的形态和分布对材料的耐磨性起着重要的作用,在摩擦过程中,较软的Fe₃Al基体材料首先被磨损,较硬的碳化物支撑对磨表面以减少摩擦,随着磨损的进行,碳化物逐渐从表面消失,转变为硬质相颗粒。

激光粉末床熔融中匙孔、熔池和颗粒飞溅等具有高度动态、瞬变、空间尺度小等特点,对粉末熔化过程进行原位高速成像有助于深入揭示熔道及缺陷形成机制。实验基于高分辨率的开放式微焦点X射线管,开发了激光粉末床熔融原位成像系统,开展了316L粉末熔融过程匙孔、气泡、飞溅及球化等现象观测研究。结果表明,该系统可识别出保护气与熔池界面的动态变化,观测到部分激光工艺参数下匙孔的形貌变化,捕捉到匙孔诱导大尺度气孔（约100 μm）的形成过程;同时发现,较高的射线管电压（如220 kV）有助于提升系统对熔池的辨别能力,但由于此时X射线对飞溅的穿透性过强,造成小尺寸飞溅无法成像;较低的射线管电压下（如90 kV）,系统可较好地捕捉飞溅（约30 μm以上）的运动行为,初步揭示了飞溅诱导熔道表面突起、高度尺寸偏差及表面波纹等缺陷的形成机制,再现了球化现象的动态形成过程。该技术的开发对加快增材制造材料及工艺的原位研究具有重要意义。

激光粉末床熔融是现阶段应用最广泛、最具代表性也是最有应用前景的增材制造技术之一,随着技术成熟度的不断提升,应用领域越来越关注其打印成形件的表面结构问题。从增材制造金属成形件表面结构测量及表征的必要性出发,首先阐释了激光粉末床熔融金属成形件表面结构的内涵,然后针对表面结构测量及表征中的测量技术、表征参数、滤波器及评定长度/区域尺寸选择等难点,结合现有文献研究,给出了增材制造金属成形件表面结构测量及表征的相关建议和展望,为增材制造金属成形件表面结构专用表面计量、测量及表征技术的形成提供了一定的技术支撑。

增材制造是一种新兴的材料成形技术,其成形过程为典型的非平衡凝固过程,涉及复杂的温度、热力、相变等物理现象,使用传统方法难以对增材制造过程中物理量的变化进行测量和分析。将有限元数值模拟技术应用于增材制造中,可以很好地对加工过程和结果进行计算和预测,提高增材工艺研究开发效率,并降低成本。从有限元数值模拟方法、有限元数值模拟软件介绍和在增材制造领域的应用现状3个方面进行综述,分析了有限元数值模拟技术在增材制造领域优势与局限性,并对未来发展趋势进行展望。