《Journal of Materials Research and Technology》：Integration of additive manufacturing and coating technologies for aerospace components: performance, challenges, and future directions
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航空航天工业已成为推动增材制造（AM)与先进涂层技术协同应用的重要动力，旨在实现更优的综合性能（如性能提升、轻量化结构设计以及耐久性增强）。然而，直接通过增材制造工艺制备的构件通常难以满足航空航天领域对表面特性的严苛标准，主要原因在于其表面粗糙度较高（Ra =
航空航天工业已成为推动增材制造（AM)与先进涂层技术协同应用的重要动力，旨在实现更优的综合性能（如性能提升、轻量化结构设计以及耐久性增强）。然而，直接通过增材制造工艺制备的构件通常难以满足航空航天领域对表面特性的严苛标准，主要原因在于其表面粗糙度较高（Ra = 5–20 μm）、残余孔隙率（0.1–2.0%）偏高以及存在拉伸残余应力。本综述系统考察了增材制造与涂层技术相结合以提升航空航天材料性能的协同潜力，重点探讨了结构–性能–服役表现三者之间的关联关系。研究针对增材制造诱导微观结构特征及其对涂层附着力、热稳定性与环境抗力的影响展开讨论，并分析了四种增材制造与涂层集成方法：（1）通过工艺参数优化实现基体调控，（2）功能梯度材料（FGM)中间层开发，（3）增材制造过程中的原位表面改性，以及（4）混合制造工艺（传统与先进方法的结合）。研究深入探讨了上述四种方法面临的关键挑战，包括金属基体（12–18 × 10?? °C?1）与陶瓷涂层（8–11 × 10?? °C?1）之间的热膨胀系数（CTE)失配、增材制造构件制备及涂层工艺过程中的残余应力累积，以及增材制造过程中的退化机制，如孔隙诱导氧化和柱状晶界扩散等。最后，研究提出了增材制造涂层工业化应用的分阶段路线图，并介绍了新兴材料（高熵合金与纳米复合材料）及自愈合特性等前沿发展方向。
航空航天工业正处于新材料与先进制造范式发展的前沿，其驱动力源于对燃油经济性、环境可持续性及综合性能的日益增长的需求。增材制造（AM）与先进高性能涂层两大新兴领域正加速融合，形成协同效应，深刻改变航空航天构件的设计与制造方式。增材制造通过提供前所未有的设计自由度与优化的材料利用率革新了生产模式，其废料较减法制造减少50%–90%。先进涂层系统则为飞行器和航天器的长期运行提供耐久性、耐高温性、耐蚀性、耐磨性及隐身特性等关键性能保障。
增材制造，亦称3D打印、快速原型制造或数字化制造，是一种通过逐层添加材料来构建复杂几何形状零件的技术，适用于金属、聚合物和陶瓷等材料。激光粉末床熔融（LPBF）和定向能量沉积（DED）已被确认为制备近净成形零件和控制微观结构的主导技术。增材制造已展示出生产轻量化优化拓扑结构的能力，材料利用率超过90%，航空航天支架和点阵结构可实现20%–50%的减重，同时保持结构完整性。然而，增材制造构件往往存在表面和次表面缺陷，限制其在高性能环境中的直接应用。LPBF构件的平均表面粗糙度约为Ra = 5–20 μm，这源于部分熔化粉末和阶梯效应；0.1%–2%的残余孔隙率及各向异性微观结构形成应力集中点，使增材制造构件的疲劳寿命较锻件显著降低。这些缺陷源于制造过程中的温度梯度、不完全熔化及极快凝固速率。因此，将增材制造与先进涂层技术相结合的需求日益迫切，以通过涂层改善构件表面功能特性，同时充分利用增材制造带来的可调控微观结构优势。
随着航空航天工业的快速发展，对兼具高力学性能（硬度、拉伸、压缩和弯曲性能）、热学性能、电学性能、耐蚀性和耐磨性的材料需求持续增长。铝合金因其优异的比强度被广泛应用于航空航天工程，但其在恶劣环境中的耐磨和耐蚀性能仍显不足。为此，研究人员采用Ni-B-P/CNT复合涂层、自封闭MAO/ZrO?涂层或含α-Al?O?的等离子体电解氧化（PEO）复合涂层等表面工程技术加以改善。涂层与增材制造的协同集成不仅能够改善增材制造构件的表面性能和传统涂层的力学性能，还为开发新一代更高性能、更耐久、更可持续的航空航天材料开辟了道路。
本综述重点关注LPBF和DED等增材制造方法，因其在航空航天承力件中应用最为广泛。讨论的涂层方法包括物理气相沉积（PVD）、热喷涂（含等离子喷涂和高超音速火焰喷涂HVOF）、激光熔覆及冷喷涂。研究考虑的金属基体主要为镍基高温合金（如Inconel 718和IN939）、钛合金（如Ti-6Al-4V）和铝合金（如AlSi10Mg），这三类合金是现役飞机机体和发动机部件中最常见的材料类型。本综述范围限定于承受热、机械和化学应力的航空构件。
将涂层技术与增材制造相结合已在关键航空航天部件中实现了显著的性能提升。以涡轮叶片为例，LPBF技术能够生产具有复杂内部冷却通道的涡轮叶片，这些通道专门设计用于提高传热效率，使工作温度较传统铸造叶片提高100–150 °C。然而，这一优势伴随着表面粗糙度增加（Ra 5–20 μm），导致气动性能下降5%–15%，并成为裂纹萌生的理想位置，使LPBF涡轮叶片的疲劳裂纹寿命较锻件降低约30%–50%。因此，热障涂层（TBC）如氧化钇稳定化氧化锆（YSZ）的应用可有效缓解上述缺陷。
研究人员Pavithran等探究了LPBF制备的Inconel 718涡轮叶片上等离子喷涂YSZ热障涂层的应用效果，发现经100次热冲击循环（1100 °C→室温水淬）后，涂层构件保持了微观结构完整性，而未涂层构件出现显著微裂纹和表面退化。热重分析表明，YSZ涂层构件在1000 °C暴露50小时后平均失重较未涂层构件减少60%–70%；电化学腐蚀测试显示，YSZ涂层将腐蚀电流密度从2.5 μA/cm2降至0.3 μA/cm2。这些提升归因于YSZ的低热导率（1000 °C时为1.0–1.5 W/m·K，而Inconel 718约为20 W/m·K）及其通过应变耐受微观结构适应热诱导应变的能力。
在轻量化结构方面，增材制造可实现减重20%–50%的高效机翼零件设计。然而，铝合金和钛合金轻质材料在腐蚀环境中易受损，且增材制造诱导的表面孔隙增加了腐蚀敏感性。研究表明，HVOF喷涂涂层或先进的溶胶-凝胶工艺可在增材制造产品表面孔隙周围形成密封，提供充分屏障以阻止腐蚀介质接触增材制造构件，从而保持长期结构完整性。
在集成技术机制方面，研究团队重点分析了两种互补途径：一是调控增材制造基体以利于涂层附着和性能，二是针对增材制造几何特征优化涂层技术和结构。通过调整激光功率（100–400 W）、扫描速度（400–1200 mm/s）、扫描间距（60–120 μm）和层厚（20–60 μm）等关键工艺参数，可控制熔池行为和附加材料的凝固过程。典型优化工艺窗口位于中等功率范围（150–250 W），可制备相对密度>99.5%的完全致密零件。此外，控制保护气体环境（如Ar或N?）和优化层间冷却时间可促进稳定表面氧化物（如TiO?或Al?O?）的形成，增强涂层/基体界面的润湿性和化学结合。
值得注意的是，增材制造过程中存在表面优化与力学性能之间的固有权衡。减小扫描间距虽可增加熔池重叠、抑制未熔合缺陷并降低表面谷深，从而改善PVD和CVD等薄涂层的机械嵌合与附着，但同时会增加体积能量密度，往往使工艺进入甚至超过匙孔 regime，导致匙孔诱导孔隙的形成并产生拉伸残余应力。研究人员指出，这种表面条件有利于涂层附着但可能同时损害疲劳性能，尤其在航空航天高周疲劳构件中表现明显。
在材料过渡与混合沉积方面，增材制造构建的功能梯度材料（FGM）通过渐变成分（每层1%–10%成分变化）改变热膨胀系数和杨氏模量，可在100–500 μm过渡区内耗散热应力，使结合强度从陡变界面的约10–30 MPa提升至约40–80 MPa，热循环分层减少约35%–50%。混合增材制造工艺通过激光冲击强化或激光重熔（改性深度100–300 μm）等方式在沉积过程中进行表面处理，可消除界面所有裂纹并细化表面以下晶粒结构，形成剪切强度超过350 MPa的冶金结合，结合强度较顺序处理提高40%–80%。
当前挑战方面，涂层与基体之间的热膨胀系数（CTE)失配是核心难题。金属基体（如Inconel 718为11.9 × 10?? °C?1，Ti-6Al-4V为8.7–9.1 × 10?? °C?1）与陶瓷涂层（如YSZ为10.5 × 10?? °C?1）之间存在显著差异，导致从沉积温度冷却至室温及服役热循环过程中产生热应力。研究人员G?k等证实，LPBF制备的IN939具有显著低于铸造IN939的热膨胀系数（900 °C时分别为5.77 × 10?? °C?1和12.19 × 10?? °C?1），降低了与YSZ顶层的热膨胀失配，使热循环寿命延长85.8%（197次 vs 106次），结合强度提高26.3%。
高温降解机制方面，温度超过1000 °C时，热障涂层主要通过三种相互关联的机制降解：烧结致密化使YSZ热导率从1.0–1.2 W/m·K增至1.6–1.8 W/m·K；四方相→单斜相转变产生3–5%体积膨胀导致微裂纹；热生长氧化物（TGO）的形成和生长导致屈曲/分层失效。增材制造引入了加速这些降解途径的独特机制：次表面孔隙网络（10–100 μm）提供快速氧扩散通道，有效扩散系数较锻件基体提高5–10倍；快速凝固条件（冷却速率10?–10? K/s）促进细小柱状晶结构形成，高温下稳定亚稳态θ-Al?O?，其向α-Al?O?转变时的体积收缩可在涂层/基体界面诱发空洞形成和微裂纹。
新兴解决方案方面，高熵合金（HEA）涂层展现出显著应用潜力。研究人员Wang等采用激光熔覆在Inconel 718上制备CoCrFeNiMo?.? HEA涂层，磨损体积（1.18 × 10? μm3）较未涂层基体（1.34 × 10? μm3）降低约11倍，减摩效果达约91%，表面平均压应力达-723 MPa。纳米复合涂层通过引入5–50 nm纳米颗粒，使热循环抗力提高2–3倍，热导率降低20%–40%，其强化机制包括纳米颗粒-基体界面处的声子散射、抑制烧结的晶界钉扎效应以及增韧的裂纹偏转效应。自愈合涂层则通过温度依赖性机制实现损伤自主修复：低温（<300 °C）依赖微胶囊聚合物释放，中温（300–700 °C）依赖超分子网络重构，高温（900–1200 °C）依赖玻璃态氧化物流动。
未来研究将按照近、中、长期三阶段路线图推进：近期聚焦于建立定量化的工艺-结构-性能关系，制定标准化测试协议；中期着重界面工程与预测建模，发展功能梯度涂层、原位表面改性技术和数字孪生方法；长期致力于智能/自适应增材制造-涂层系统，包括自愈合涂层、高熵合金涂层及多功能表面架构。
研究结论指出，增材制造与先进涂层技术的结合标志着从"先制造、后涂层"的两步式工艺向基于表面工程原则的协同设计范式转变。在此框架下，涂层性能不再仅由其化学成分或沉积方式决定，而是取决于其与增材制造构件及其微观结构的相互作用和附着特性。研究表明，增材制造系统中的涂层性能取决于竞争性和非竞争性机制的平衡。例如，通过调整增材制造工艺参数可改善基体表面质量和涂层附着，但可能引入次表面缺陷，降低涂层/基体系统的疲劳强度。功能梯度界面或原位表面改性等方案虽可建立长期稳定性，但亦会引入相稳定性、抗氧化性和工艺复杂性等新权衡。
上述相互作用表明，增材制造/涂层系统必须作为耦合的多尺度设计挑战加以对待，而非两个顺序工艺。为此，研究人员提出了"面向表面设计"（Design-for-Surface）方法，将增材制造参数、前后处理表面条件及涂层架构在闭环耦合工作流中协同优化。这包括：（1）调控增材制造工艺条件以定向控制表面形貌、缺陷分布和残余应力，（2）基于与增材制造特性的兼容性选择涂层化学和架构，（3）利用热机械和环境测试获得的实时数据迭代改进增材制造工艺。
尽管已取得显著进展，当前仍存在明显不足。量化氧化动力学、相变和应力发展对增材制造涂层界面影响的实验数据仍然缺乏，难以为增材制造涂层构件的实际服役风险评估提供依据。未来突破将依赖于建立增材制造工艺变量与涂层性能关联的预测模型，以及将高熵合金和纳米复合涂层整合到这一耦合设计范式中。未来航空航天推进/机体构件的性能阈值将不仅由材料体相性质决定，更将取决于增材制造构件最终微观结构与涂层表面优势在界面处的互补程度。
