《Journal of Alloys and Compounds》：Recent Developments and Future Perspectives in Metal Additive Manufacturing: Techniques, Challenges, and Functional Performance
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金属增材制造（AM）因其经济高效和设计灵活优势成为研究热点，但存在精度不足、成本高等挑战。本文系统综述了金属AM的工艺参数、缺陷控制、先进技术（如PBF、DED）及工艺-结构-性能关系，提出脉冲熔融、多层制造等创新方法优化材料性能，并探讨未来材料创新与工艺整合方向。
作者：Barath Kumar、R. Madesh、S.J. Adarsh、Bibin Jose、N. Radhika、M. Vignesh、M. Sathishkumar
印度维洛尔技术学院机械工程学院，维洛尔，632014
摘要
金属增材制造（AM）自诞生以来因其经济效率和卓越的设计灵活性而备受关注。与传统制造方法（如焊接和铸造）相比，增材制造预计将走上独特的进化路径，这得益于其特定的能力和技术框架。通过增材制造实现创新和性能提升的可能性远超传统方法。当前的研究对金属增材制造进行了深入探讨，这是一个以先进技术和方法为特征的快速发展的领域。本文的主要目的是全面回顾金属增材制造的过程参数、挑战与缺陷、最新研究进展以及工艺、结构与性能之间的关系。特别关注那些旨在改善材料性能的创新方法，同时解决关键问题并满足特定应用需求。本文最终讨论了金属增材制造的最新进展、现有限制及未来发展方向。
引言
增材制造，也称为分层制造，包括根据三维（3D）CAD模型逐步添加组件的制造技术[1]、[2]。通过添加组件而非提取或重新配置组件，增材制造提高了自主性，并能够制造出传统生产过程无法实现的复杂形状[3]、[4]。根据ASTM标准，增材制造过程可分为单步或多步类型，其中多步过程需要额外的处理技术，如烧结或灌注[5]。单步增材制造技术相比传统的顺序制造方法可以缩短制造周期，从而加快工业产出速度。
金属增材制造（MAM）是当前最受关注的制造工艺之一。自20世纪80年代末90年代初问世以来，MAM一直在重塑制造业。2021年，美国增材制造市场的规模约为30亿美元，预计到2030年将以每年18.9%的速度增长[7]。近年来，由于技术进步以及能够生产出具有出色设计灵活性的复杂三维净形或近净形零件，金属增材制造已广泛应用于医疗、航空航天、国防、汽车、石油和天然气以及工具制造等领域[8]。增材制造的优势在于它能够开辟新的设计空间，例如实现具有独特性能的合金设计，尤其是在传统制造方法达到极限的领域[9]。增材制造在设计上的灵活性为生产者节省了时间并降低了生产成本。此外，其逐层制造的特性导致热历史与传统制造截然不同，从而产生了独特的微观结构特征，在某些情况下提高了材料的机械性能和耐腐蚀性[10] [7]。
增材制造带来了诸多优势，包括设计自由度、减少材料浪费、降低工具和夹具成本、缩短组装时间以及生产轻量化产品[6]。尽管如此，大多数制造业仍认为它不是实际的生产选择，因为增材制造难以达到所需的精度、几何公差、表面质量和组件精度标准[11]。相比之下，工业级增材制造设备需要巨额投资，且对于简单材料及几何形状而言，生产速度相对较慢。而传统制造方法在加工复杂组件时会产生高温和工具磨损[12]。传统制造的缺点包括高生产成本、复杂的设备需求、材料浪费以及难以制造复杂产品。相比之下，增材制造通过最小化材料浪费、缩短周期时间和提高灵活性，能够生产出复杂的几何形状零件[13]。
MAM的快速发展得益于对高级几何复杂性、材料优化和定制微观结构控制的需求[14]。在各种MAM技术中，粉末床熔融（PBF）和定向能量沉积（DED）已成为制造高性能金属零件的主要方法[1]。新型的先进金属增材制造技术实现了能量输入的时间和空间控制、多源集成以及混合加工步骤。这些先进方法的一个共同特点是旨在修改热循环以控制固化路径。与传统增材制造中的恒定能量输入不同，脉冲和混合方法涉及循环热变化，显著影响成核动力学、树枝晶生长和相变。脉冲固化条件有助于细化晶粒、减少柱状晶生长，并促进非平衡微观结构的形成，从而提升机械性能。
本文批判性地分析了先进的金属增材制造工艺的发展趋势。重点探讨了能量变化和多源集成如何改变固化行为，实现对材料性能的精准控制，突破传统增材制造的局限，为未来的高性能金属部件奠定基础。本文旨在全面概述金属增材制造技术的进展，内容包括：(i) 常见MAM技术、工艺参数、挑战与缺陷；(ii) 先进MAM技术的发展及其微观结构和性能；(iii) 工艺、结构与性能之间的关系；(iv) 当前进展与未来研究方向。该系统评估为MAM的发展提供了技术路线图，旨在建立工艺-结构-性能之间的关联，为这一不断发展的领域中的高精度增材制造应用提供有价值的见解。
金属增材制造方法
金属增材制造技术通过熔化金属并将其沉积在基底上形成所需形状的零件。根据EN ISO/ASTM 52921标准，MAM技术分为七类（见图1）。粉末床熔融（PBF）、定向能量沉积（DED）和片材层压（SL）等技术常用于直接制造金属部件。
先进的金属增材制造技术
金属和合金的增材制造工艺可根据所用原料类型和热源进行分类。图18展示了各种先进的金属增材制造技术。为了满足制造高质量复杂结构的需求，增材制造技术具有构建大型结构的能力，减少了制造误差，并提升了机械性能。
工艺、结构与性能的关系
深入了解原料行为、加工参数以及后续的工艺、结构、性能之间的关系对于制造无缺陷、机械性能可靠的金属增材零件至关重要。如图73所示，要实现高度一致的增材制造零件，需要深入研究现有工艺、基本物理现象、原料特性以及实时发展控制。
金属增材制造的最新进展
金属增材制造设备在能源源和零件精度方面的最新进展带来了更高的零件质量和可靠性。本文概述了近年来先进的金属增材制造工艺。MAM与成形工艺的结合近年来经历了快速发展和扩展，融合了来自板材和大型金属成形的新概念[283]。
结论
本文全面介绍了金属增材制造这一快速发展的先进技术领域，涵盖了粉末床熔融（PBF）、定向能量沉积（DED）和片材层压（SL）工艺及其最新进展。先进金属增材制造技术的创新推动了从以几何形状为中心的制造向以微观结构为中心的材料设计的转变。金属材料和合金的发展扩大了适用于增材制造的材料范围。
未来建议
增材制造设备在能源源和零件精度方面的最新进展提高了零件质量和一致性。为提高强度、减少孔隙率、控制残余应力并改善材料性能，可以采用先进的增材制造方法。本文还介绍了独特的先进MAM技术，如脉冲粉末床熔融（PBF）和微尺度PBF工艺，这些技术通过精确的脉冲控制有助于在零件上实现微细结构。
作者贡献声明
S.J. Adarsh：撰写初稿、资料收集、概念构思。
Bibin Jose：撰写初稿、可视化处理、资料收集。
N. Radhika：审稿与编辑、监督、概念构思。
M. Vignesh：审稿与编辑、监督、数据整理。
Barath Kumar M. D.撰写初稿、资料收集、数据整理。
R. Madesh：撰写初稿、方法论制定、数据整理。
M. Sathishkumar：审稿与编辑、可视化处理、监督、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
