摘要：增材制造（AM）为加工复杂组件提供了前所未有的设计自由度和制造灵活性。尽管AM相比传统制造方法具有诸多优势，但仍然存在一些问题和瓶颈，阻碍了AM技术在工业中的广泛应用。新兴的场辅助增材制造（FAAM）结合了不同的辅助能源场（如超声波、磁场等），通过利用这些辅助
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导读
增材制造（AM）为加工复杂组件提供了前所未有的设计自由度和制造灵活性。尽管AM相比传统制造方法具有诸多优势，但仍然存在一些问题和瓶颈，阻碍了AM技术在工业中的广泛应用。新兴的场辅助增材制造（FAAM）结合了不同的辅助能源场（如超声波、磁场等），通过利用这些辅助场的固有优势，克服了AM中的限制。本工作提供了关于金属材料中FAAM的最新专门评审，涵盖了主流的辅助磁场、声场、机械场和热场，以及一些新兴的场。阐述了场与沉积金属材料之间的工作原理和相互作用机制，并回顾了FAAM过程的仿真与建模。辅助场可以影响熔池对流和动态，改变材料固化过程中的温度分布和热历史，并对沉积材料产生应力或塑性变形。因此，本文详细回顾和讨论了辅助场对熔池动态、固化动力学、致密化行为、微观结构与织构、机械性能以及疲劳性能的影响。此外，还讨论了FAAM的研究空白和未来发展趋势。
主要图表
图1.场辅助增材制造（FAAM）中使用的典型金属增材制造技术的轮廓。
图2.多类型现场辅助增材制造（FAAM）技术的概述。
图3.增材制造过程中磁场作用机制示意图：(a)无磁场时熔池中的马兰戈尼流；(b)施加磁场后，感应电流与洛伦兹力共同约束熔体流动；(c)和(d)分别展示熔池尺度在XZ、YZ平面上的感应热电磁对流（TEMC）；(e)底部、(f)侧壁及(g)尾部位置在枝晶尺度下的感应热电磁力（TEMF）分布。
图4.增材制造辅助磁场（MF）原理示意图。LPBF包含：(a)水平静态磁场，(b)垂直静态磁场，(c)垂直静态与高频磁场；LDED包含：(d)水平静态磁场，(e)垂直磁场，(f)水平磁场；WAAM包含：(g)水平静态磁场，(h)单方向磁场，(i)双垂直方向电磁感应磁场。
图5.助磁场（MF）对先进制造工艺（AM）加工件孔隙率与致密化程度的影响演变。(a)未施加MF与施加MF的LPBF AlSi10Mg合金孔隙形态对比[45]，(b)施加MF后孔隙率降低机制示意图；(c)LPBF AlSi10Mg合金在不同体积能量密度范围内的致密化行为，(d)LDED Inconel 718合金经垂直MF处理后孔隙率从0.3%降至0.2%，(e)助磁场（静态与交变）可提升LPBF SS316合金密度，(f)原位同步辐射研究揭示LPBF加工4140钢的孔隙率变化。
图6.磁场对LDED加工的Mar-M-247合金中裂纹的影响。(a)和(c)为无磁场时，(b)和(d)为有磁场时。
图7.辅助磁场（MF）对粉末捕获效率及表面形貌的影响。(a)施加辅助磁场可提高粉末捕获效率，(b)无辅助磁场与施加辅助磁场的激光沉积电火花加工（LDED）轨迹形状对比，(c)施加辅助磁场改变的粉末流形态，(d) WAAM制造部件及(e)对应样品轮廓。
图8.辅助磁场（MF）对增材制造中晶粒形貌与组织结构的影响。(a)和(b)分别为未施加静态磁场与施加静态磁场的LPBF加工铝硅镁合金逆极图，(c)示意图展示静态磁场对增材制造过程中晶粒形貌与组织结构的影响，(d) MF细化了激光脱气电泳（LDED）加工钛铝合金的晶粒，(e) IPF图像显示MF对LDED加工因科镍718合金晶粒尺寸的影响，(f)和(g)分别为无交变磁场与施加交变磁场的WAAM加工因科镍718合金逆极图及对应正极图。
图9.辅助磁场（MF）对先进金属材料微观结构演变的影响。(a)采用LDED工艺制备的Inconel 718 的枝晶形貌演变，(b)WAAM辅助MF沉积的Inconel 625树枝晶演变及其对应示意图(c)，(d)LPBF AlSi10Mg合金从柱状到(e)等轴枝晶的转变过程（附元素分布图），(f)WAAM Inconel 718中枝晶间距与Laves相体积随辅助磁场增强的变化趋势，(g)LDED Ti6Al4V合金的相变过程。
图10.辅助磁场（MF）对不同材料AM加工机械性能的影响。(a)未施加MF与施加0.12 T静态磁场的LPBF加工AlSi10Mg合金对比，(b)LPBF加工AlSi10Mg合金在MF辅助下的实验数据与文献[45]对比，(c)SS316合金LPBF加工实验中未施加与施加（静态/交变）磁场的对比，(d)WAAM加工Inconel 625合金施加与未施加静态磁场的硬度对比，(e)WAAM加工Inconel 718合金施加与未施加磁场的对比，(f)LDED加工Ti6Al4V合金在静态磁场下的加工效果，显示延展性更优但强度略弱。
图11.带辅助声场的增材制造。(a)基板超声波振动（USV）辅助WAAM ，(b)基板超声波振动（USV）辅助LDED，(c)移动超声波振动（USV）辅助WAAM，以及(d)移动超声波振动（USV）辅助LDED 。
图12.辅助声场对熔池动力学的影响。(a)USV辅助AM的示意图，(b)熔池温度场与流场的模拟结果，(c)熔池的快照，(d)对应的流场模拟结果。
图13.采用辅助超声波振动（USV）的AM制造部件的致密化行为。(a)比较无USV和有USV的LDED制造17-4 PH钢的孔隙率，(b)比较无USV和有USV的LDED制造AISI 630钢的孔隙率，(c)比较无USV和有USV的LDED制造316 L钢的孔隙率，以及(d)比较无USV和有USV的LDED制造Ti-B复合材料的孔径变化。
图14.辅助超声波振动（USV）对LDED构建的材料微观结构的影响：(a) Inconel 718 ，(b) Ti6Al4V，(c) Inconel 625，(d) 316 L和(e) Ti/TiB复合材料。
图14.辅助超声波振动（USV）对LDED构建材料微观结构的影响：(a) Inconel 718，(b) Ti6Al4V，(c) Inconel 625，(d) 316 L和(e) Ti/TiB复合材料。
图15.辅助超声波振动（USV）对机械性能的影响：(a)无USV与USV处理的LDED工艺17-4 PH钢硬度对比，(b)无USV与USV处理的LDED工艺Ti6Al4V合金拉伸性能对比，(c)USV对LDED工艺Inconel 718合金显微硬度的影响，(d)LDED工艺Inconel 718合金拉伸性能对比，(e)LDED工艺ER321钢性能对比，(f)WAAM工艺Inconel 625合金性能对比（其中UAM表示USV辅助WAAM工艺）。
图16.增材制造中辅助热场的应用。(a)基板加热，(b)热丝工艺，(c)混合增材制造工艺，(d)原位感应加热，以及(e)原位激光二极管加热。
图17.带辅助热场的先进金属加工（AM）部件致密化行为。(a)不同预热温度下激光脱气电弧熔融（LDED）钨样品的相对密度与光学显微图像，(b)采用热丝工艺的2024铝合金样品在WAAM工艺中的三维缺陷分布对比，以及(c)LDED工艺IN738LC钢与(d)LPBF工艺哈氏X合金在不同预热温度下的光学显微图像，(e)LDED工艺IN718钢与(f)WAAM工艺304 L不锈钢在多种辅助热源条件下的对比。
图18.采用辅助热场工艺制造的增材制造部件残余应力分布。(a)-(f)采用LDED工艺制造的12CrNi2低合金钢在有无辅助预热条件下的残余应力分布模拟结果。(g)-(h)采用WAAM工艺制造的ER70S-6钢在不同原位感应加热工艺下的残余应力分布模拟结果。
图19.带辅助热场的先进制造工艺部件微观结构演变。(a)-(c)分别为激光熔融沉积建造的IN738LC合金、钨酸铵合金Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si、钛合金Ti6Al4V[98]中发生的柱状结构向等轴转变（CET），(d)为激光熔融沉积建造的钛合金Ti6Al4V中α′马氏体的原位分解过程。
图20.带辅助机械变形的增材制造技术。(a)层间轧制辅助WAAM [130]，(b)原位轧制辅助WAAM，(c)层间机锤喷丸（MHP）辅助WAAM ，(d)原位MHP辅助WAAM ，(e)激光冲击喷丸（LSP）辅助LDED，(f) LSP辅助LPBF。
图21.辅助机械变形对增材制造金属材料孔隙率的影响。(a)采用WAAM工艺加工的2319和5087铝合金在有无层间轧制处理下的光学显微图像，(b)WAAM工艺加工的2319和5087铝合金在有无层间轧制处理下的三维微孔分布，(c)WAAM工艺加工的5087铝合金在有无原位轧制处理下的微孔结构，(d)WAAM工艺加工的2319铝合金在有无微孔轧制处理下的微孔分布，(e)WAAM工艺加工的316 L不锈钢在有无微孔轧制处理后的孔隙率评估，(f)LPBF工艺加工的316 L不锈钢在有无层间轧制处理后的光学显微图像。
图22.辅助机械变形对残余应力分布的影响。(a)层间轧制辅助WAAM Ti6Al4V，(b)原位轧制辅助WAAM Inconel 718，(c)层间MHP辅助WAAM Ti6Al4V，(d) LSP辅助LPBF 316 L 。
图23.不同辅助机械变形条件下先进金属材料（AM）的显微组织演变过程。(a) WAAM 18Ni250钢带经/未经层间轧制处理，(b) WAAM 2319铝合金带经/未经层间轧制处理，(c) WAAM Ti6Al4V合金带经/未经层间轧制处理，(d) WAAM 2319铝合金带经/未经原位LSP处理，(e) LDED Ti6Al4V合金带经/未经原位轧制处理[133]，(f) LDED Inconel 718合金带经/未经原位轧制处理，(g) WAAM C45钢带经/未经原位轧制处理。
图24.通过各种AM技术沉积的Ti6Al4V的机械性能，有和没有辅助机械变形。
图25.不同增材制造合金在辅助机械变形下的疲劳特性。(a)通过原位轧制辅助WAAM工艺沉积的5087铝合金S-N疲劳曲线，(b)采用层间轧制辅助WAAM工艺沉积的Ti6Al4V合金S-N疲劳曲线，(c)采用原位轧制辅助WAAM工艺沉积的Ti6Al4V合金的疲劳裂纹扩展（FCG）速率对比，(d)通过激光烧结粉末辅助LPBF工艺沉积的316 L不锈钢S-N疲劳曲线。
图26.电场辅助增材制造（E-FAAM）。(a)-(c)电场与磁场辅助增材制造实验装置；(d)-(f)分别展示无电场、静态电场及旋转电场条件下LDED构建部件的微观结构。
图27.等离子体辅助增材制造（P-FAAM）金属材料的原理示意图。(a)脉冲激光辅助增材制造的示意图，(b)电子背散射衍射（EBSD）结果，(c)脉冲激光辅助激光能量密度梯度沉积（LDED）构建的Ti6Al4V合金β晶粒重构的干涉相位分布（IPF）图谱及{001}晶向粉末场分布（PF）图谱。
图28.多场耦合辅助金属材料增材制造技术。(a)同步电磁感应辅助激光熔融沉积增材制造（LDED）的示意图；(b)Ti6Al4V/10wt%TiCp复合材料同步电磁感应与非同步状态下的拉伸曲线对比；(c)(d)同步振荡激光与电弧增材制造的耦合原理示意图，以及熔体流动状态对比：(e)普通激光与(f)振荡激光。
图30.展示了Al10Si合金在不同磁场作用下的流体流动流体力学机制、温度场分布及显微组织对比。其中，LPBF加工工艺的Al10Si合金在磁场作用下的力学行为分别为：(a)无磁场；(b)Y轴方向磁场；(c)+Z轴方向磁场。温度场分布图示为：(d)无磁场；(e)Y轴方向磁场；(f)+Z轴方向磁场。显微组织横截面分析显示：(g)无磁场；(h)Y轴方向磁场；(i)+Z轴方向磁场。显微组织的形成取决于温度梯度、熔池形状与尺寸，这些参数可通过调节磁场强度或方向进行调控。
图31.使用FLOW-3D软件对WAAM工艺进行的模拟结果对比：1045钢材料在有无超声波振动条件下的对比[78]。图中包含WAAM部件的截面示意图：(a)无超声波振动状态，(b)超声波振动状态；(c)熔池沿对称面(XZ平面）的纵向剖面；(d)熔池在声流与空化作用下的结构示意图。
图32.Inconel 718合金LDED工艺中含超声与无超声的熔池及流线形态对比。无超声LDED工况：(a)动态熔池计算结果；(b)实验图像显示瞬时熔池形态及（t0）时刻与(d) t0 + 25 μs时的流线分布；超声辅助LDED（UADED）工况：(e)动态熔池计算结果；(f)实验图像显示瞬时熔池形态及(g) t0时刻与(h) t0 + 25 μs时的流线分布。
图33.热场辅助增材制造工艺对Ti6Al4V合金功率密度、温度、冷却速率及应力的影响。展示了激光脉冲偏滤波建模中高斯分布热源的示意图：(a)单束激光，(b)平行激光加热辅助热源，(c)预热激光，(d)后热激光；(e)第二种激光束的三种模式示意图（平行、后热、预热），对比了不同条件下三种加热模式的(f)峰值温度、(g)冷却速率和(h)应力计算结果。研究发现后热模式是降低应力最有效的方式。
图34.展示了采用FV520B钢作为基体、Fe-Cr-Ni-Mo-B-Si粉末为添加剂的材料，在不同相变点（Ms）条件下进行预热处理与无预热处理时，LPBF工艺纵向残余应力与温度的模拟结果[119]。图中展示了第一层第五次轧制点的纵向残余应力分布及温度变化：(a)无预热工况，Ms=200◦C；(b)200◦C预热工况，Ms=200◦C；(c)无预热工况，Ms=400◦C；(d)200◦C预热工况，Ms=400◦C。
图35.碳钢的热机械模拟、凝固模拟与动态再结晶模拟结果。混合沉积与微轧制（HDMR）工艺的热机械耦合模拟：(a)温度(k)与(b)真实应变分布；HDMR工艺中的微观组织演变；凝固模拟中不同细胞自动机步长（CAs）的对比：(c) 3000个CAs、(d) 7000个CAs、(e) 10000个CAs；再结晶模拟：(f) 1000个CAs、(g) 3500个CAs、(h) 6500个CAs；动态再结晶模拟结果：(i) 0.5 mm轧制减量ΔH、(j) 1.5 mm轧制减量ΔH、(k)动态再结晶晶粒统计示意图。
图36.滚轮轮廓半径、初始残余应力及滚轮设计对残余应力的影响。(a)滚轮轮廓半径参数对比，(b)模拟轮廓半径为1.5、3和6毫米时的残余应力分布，比较含初始残余应力场（内标RS)与无初始残余应力场时的最终残余应力分布：(c) Ti6Al4V钢，(d) S355JR钢，(e) AA2319合金，εp表示等效塑性应变，(f)采用50毫米滚轮半径的平辊、带轮廓辊和开槽辊设计，(g)从WAAM焊道对称面获取的纵向塑性应变（PS）与残余应力（RS）分布，基底钢材为S355JR-AR，使用林肯电气SupraMIG G3Si1/ER70S-6焊丝。
图37.FAAM中材料与场相互作用的基本机制总结。
图38.辅助场对增材制造中FAAM的贡献总结。
图39.FAAM未来研发方向示意图。
主要结论
本研究综述了用于辅助增材制造（AM）过程的各种辅助场，包括主流场（如声学、热学、磁场和机械场）以及新兴的等离子体场、电场和耦合多场。总结了辅助主流场与材料之间的相互作用机制，如图37所示。磁场会影响AM中的熔池对流，主要通过电磁耦合效应（TEMC）和阻尼效应，这可以减少熔池速度、抵抗逆流，并改变熔池的温度梯度。此外，在固化过程中，磁场对树枝状晶体的影响（如图37所示）可以打破树枝状晶体并促进等轴晶体结构（即CET）的形成，通过作为成核位点，降低自由能障碍，从而转变为等轴结构。相比之下，声场将影响AM过程中熔池的动态，因为高密度的超声波将激扰熔池流动，产生搅拌和混合效应，并导致气蚀泡或气泡云（如图37所示）。此外，声能也能打破树枝状晶体并促进CET的发生。AM中的辅助热场不会直接影响熔池动态，但它可以控制AM构件的热历史。具体来说，热场不仅可以减少温度梯度，实现更均匀的温度分布，还可以对沉积材料进行原位热处理。同时，热场（例如热丝工艺）由于额外的热能输入，在提高材料沉积速率方面具有最大的潜力。此外，热场通过减少温度梯度促进等轴晶体的生长。与磁场和热场不同，机械场主要通过接触影响AM沉积物，通过诱导塑性变形作用于工件，这将引起动态再结晶并在沉积材料中积累高能量，从而为材料提供更多的位错和优先成核位点。
辅助场与材料在FAAM中的相互作用结果总结在图38中，突出展示了在过程稳定性、表面质量、致密化、残余应力、微观结构、机械性能和疲劳性能方面，辅助场对AM过程和沉积物的改善。引入辅助场过程具有以下几个优势，具体如下：
(i) 改善材料的打印性和致密化。使用辅助场可提高材料的打印性、表面粗糙度和成形质量，并减轻AM过程中裂纹行为。在AM过程中加入热场可以减少温度梯度，从而减少材料的内部热残余应力和裂纹倾向。此外，热场还可以通过固结和裂纹缓解提高AM处理部件的密度。同样，辅助机械场（如轧制、锤锻和激光冲击强化）已被证明能够合并内部空隙并改善材料的致密化。
(ii) 控制固化行为并调节微观结构。辅助物理场（如磁场、超声波场和热场）影响熔池中的流体流动和热传递机制，有效改变固化过程中的成核、成长和粗化行为，从而在固化过程中修改微观结构。此外，机械场可以通过固化后的变形导致再结晶和显著的晶粒细化。大变形还促进了沉淀，由于高能量积累和更多的潜在成核位点。
(iii) 缓解机械性能的各向异性并增强机械性能。通过外延生长形成的沿构建方向定向的柱状晶粒会导致性能各向异性。应用辅助磁场、声学和机械变形场可以促进熔池固化过程中细化和等轴晶粒的形成，以及变形下的动态再结晶，从而替代粗大的柱状晶粒，展示了在替换粗晶柱状晶粒后提高机械性能的高潜力。
(iv) 改善疲劳性能。AM处理的金属材料中的残余拉应力对材料的裂纹扩展（FCG）抗力和延展性有负面影响，因为它们会促进裂纹的开启。通过应用机械变形场或热场缓解有害残余应力，已被证明可以提高AM处理部件的延展性和疲劳性能。此外，疲劳失效通常来源于微空隙和表面裂纹的成核；通过机械变形场减少材料的表面孔隙率和闭合裂纹也能改善疲劳性能。
展望
本节将进一步探讨一些关键研究和发展优先事项，以进一步推动FAAM技术的发展并增强其加工能力。关于制造创新、原理研究、材料开发和性能提升的展望总结在图39中，具体如下：
8.2.1 过程创新与系统资格认证
如前所述，每种FAAM技术都有其优缺点。多场耦合来辅助AM可以带来更多的机会，定制沉积材料的微观结构和机械性能。例如，磁-热-变形场在AM中的耦合有潜力提高材料的强度、延展性和疲劳性能。因为磁场可以促进等轴晶粒的形成，缓解机械各向异性并改善延展性，而热场能够原位形成材料中的强化析出物以增强强度。与此同时，机械变形可以通过消除缺陷、细化晶粒和诱导压应力来增强疲劳性能。此外，超声振动可以搅拌和混合熔池，潜在地用于解决复合粉末AM中的均匀性问题。
FAAM还预计具有较高的灵活性，能够加工复杂几何形状的部件，并具有良好的可扩展性，能够沉积大或小的自由成形部件。这对过程和系统的发展提出了很高的挑战，因为它要求在三维空间中均匀分布场。突破均匀场分布将提高FAAM技术的灵活性和可扩展性，并推动其应用成熟和扩展。
FAAM系统资格认证和商业化是另一个进展方向，因为目前的FAAM设备大多是实验性的，缺乏严格的测试和认证。实验室阶段的FAAM技术可能面临稳定性和重复性问题，这不足以处理可靠的工业产品。因此，要求对FAAM技术进行严格的系统资格认证。同时，还需要制定和编制FAAM系统资格认证的标准，以指导和认证商业用途。可靠的商业FAAM设备的可用性将吸引更多研究人员推进和实施FAAM技术在工业中的应用。尽管FAAM技术的设备成本较高，但其对加工能力提升和部件性能的益处可能大大超过成本。
8.2.2 场-材料演化模拟与机制研究
建立关于FAAM的系统知识，特别是场-材料相互作用机制、不同尺度下的微观结构演化以及场与材料性能之间的关系，对于成熟和指导FAAM技术的进一步发展至关重要。仿真与原位监测是理解场-材料相互作用和演化的有效方法。研究底层物理机制对于理解和更好地利用辅助场的效果也是必不可少的。例如，基于热场或机械变形场的FAAM中成核和相变如何发生，以及辅助场如何影响材料的强化和韧化机制。
8.2.3 FAAM定制材料开发
AM材料的定制化是一个持续发展的趋势。除了系统和工艺的进步外，材料与制造过程的联合设计创新也应当突出。AM中的辅助场为开发新材料提供了机会。最近推动开发专门为AM定制的材料，也可以考虑为FAAM开发定制材料。因此，从材料设计的角度来框定FAAM是至关重要的，以最终利用辅助场，如热场和机械变形场。例如，热场可以促进析出物（如金属碳化物和金属间化合物）的形成，并调节相组成（如钢中BCC和FCC相的比例）。为了避免过度或不足的热处理，新材料可能需要更广泛的热处理时效范围，以便进行长期沉积。
此外，与机械场相关的大变形可以通过其高能量积累和更多的潜在成核位点促进再结晶和原位沉淀。在辅助机械场处理过程中，具有快速沉淀动力学的材料有可能实现原位沉淀。
8.2.4 性能提升与功能整合
AM展示了制造复杂几何形状的惊人能力，这些几何形状传统方法无法获得。然而，部件内部材料的复杂性尚未得到充分探索，因为当前的金属AM技术仅限于单一材料，且缺乏对打印微观结构的程序化控制。在AM过程中使用辅助场可以调节晶粒大小/形状、相组成和应力水平/条件，从而能够在部件的不同区域定义其性能和属性，提升部件的整体性能，如强度-延展性协同、强度-疲劳组合、集成的延展性和耐磨性、集成的强度-热性能以及集成的磁性和非磁性部件等。实现这样的制造路径对解锁FAAM技术的无与伦比潜力至关重要。
主要信息
Review on field assisted metal additive manufacturing
来源：雷霆战神王