摘要：过去十年左右，在金属增材制造（MAM）领域，约有十余种合金占据着主导地位。这些合金不仅覆盖了该领域各方面的研究，还助力自身逐步成熟，以适配航空航天 / 燃气轮机领域各类合格应用场景。这类合金包括 AlSi10Mg、Al7Si0.5Mg（F357）、AlMgSc
长三角G60激光联盟导读
过去十年左右，在金属增材制造（MAM）领域，约有十余种合金占据着主导地位。这些合金不仅覆盖了该领域各方面的研究，还助力自身逐步成熟，以适配航空航天 / 燃气轮机领域各类合格应用场景。这类合金包括 AlSi10Mg、Al7Si0.5Mg（F357）、AlMgSc、Ti6Al4V、γ-TiAl、CoCrMo、司太立 12 合金（Stellite12）、IN718 合金、IN625 合金、CM247LC 合金、哈氏 X 合金（HastelloyX）、316L 不锈钢（SS316L）、CuCrNb、CuCrZr 等，此处仅列举部分。
目前，学界对用于金属增材制造的新型高温材料的设计与开发抱有极大兴趣。这类材料需具备各向同性微观结构与高缺陷容限，以推动该技术在航空航天领域加速落地。研发方向包括：开发难焊接化学成分的材料、易开裂合金、高温性能更优的合金、复合材料，以及创制传统制造工艺无法生产的新型合金。
本文综述了近年来金属增材制造领域合金开发的部分创新成果，涵盖铝基、钛基、镍基、钴基、铜基等合金，且均与燃气轮机 / 航空航天领域相关。综述涉及 100 余种合金，这些合金通过激光粉末床熔融、直接能量沉积、粘结剂喷射技术，以及部分通过金属增材制造制备新材料的创新方法进行研究。由此可窥见，该主题近年来在科学界获得的高度重视。
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文章导读
1 引言在航空航天及其他多个领域，金属增材制造（MAM 或 AM）被视为推动下一代产品落地的潜在技术，也是重要的技术赋能手段。已有大量文献明确记载，增材制造具备多项可制造性优势，包括轻量化、零件一体化、简化零件结构、小批量生产、缩短开发周期、制作原型工具，以及制造具有复杂几何形状的近净成形零件，最终实现性能提升 [1-5]。在未来，逐层制造工艺有望成为智能材料、多材料、新型陶瓷与电子材料及复合材料发展的革命性赋能技术 [6-12]。
当前已有的各类金属增材制造技术，均以激光或电子束作为主要热源，根据所需零件或试样几何形状的计算机辅助设计（CAD）模型，实现金属粉末或金属丝的逐层熔化 [13,14]。根据美国材料与试验协会（ASTM）的分类，增材制造技术共分为 7 类，其中 4 类属于金属增材制造 [15]，具体包括：粉末床熔融（PBF）—— 激光束熔融（PBF-LB，图 1a）[14] 或电子束熔融（PBF-EB，图 1b）[16]；直接能量沉积（DED）—— 粉末进料直接能量沉积（DED-LP，图 1c）[17]、丝材进料直接能量沉积（DED-LW，图 1d）[14]，或采用电子束（丝材 - DED-EB）、电弧（丝材 - DED-AW）的直接能量沉积；以及粘结剂喷射技术（BJT，图 1e）[16]。
图 2 以图示形式展示了部分金属增材制造技术，并从设备占地面积与效率维度列出了它们的关键特性 [18]。这些技术均遵循逐层沉积工艺：首先将 CAD 文件转换为标准镶嵌语言（.STL）文件，再将该文件输入金属增材制造系统，最终实现金属粉末或金属丝的熔化与凝固。粘结剂喷射成型（BJT）采用粉末烧结与固结工艺，与金属注射成型类似，同样以逐层方式进行 [19,20]。
冷喷涂技术是一种重要的非熔化 - 凝固技术，目前正逐步跻身金属增材制造技术行列。该技术通过金属粉末的剧烈塑性变形，以逐层方式制造近净成形零件 [21]。在直接数字化制造中，冷喷涂技术 productivity 高，且不会产生熔化与凝固带来的不良影响，对于不可焊接材料尤为适用。不过，该技术尚未被 ASTM 列为正式的金属增材制造工艺。
表 1 列出了各类金属增材制造技术及其关键特性。过去十年，航空航天行业一直是金属增材制造市场的主导领域与核心参与者。相较于汽车、医疗、工模具、通用工程等已实现多种合金合格化应用的领域，航空航天及燃气轮机零件对结构完整性的要求更为严苛，因此合格化零件的数量相对有限。表中还列出了部分通过上述技术开发并成功实现航空航天领域合格化应用的合金。
图 3a 展示了飞机中各类材料的应用情况 [14]；图 3b 为燃气轮机的横截面，重点标注了从一端法兰到另一端法兰所使用的合金体系 —— 横截面从左至右，零件所需承受的温度逐渐升高，因此采用了多种不同的合金。金属增材制造技术为两类产品的实现提供了可能：一是传统制造工艺无法生产的新型合金，二是几何形状复杂的工程结构件。
表 2 列出了部分合金案例，这些合金的技术成熟度（TRL）达到 5-7 级，且已实现航空航天领域合格化量产应用 [22-58]。已有研究通过金属增材制造技术制备多种高强度轻质铝合金（如 AA2524、AA7075、AA7150、AA2024 等），探索其替代波音 777 飞机上传统制造零件的可行性，以提升飞机燃油效率并实现减重 [22]。
空客公司在 A320 飞机短舱项目中，采用了面向增材制造的优化设计（DFAM），并使用 Ti-6Al-4V 合金替代 HC101 钢，通过减重真正发挥了金属增材制造的技术优势 [29]。普惠公司通过激光粉末床熔融技术，实现了 Ti-6Al-4V 压缩机静子叶片的合格化应用，该叶片同时用于庞巴迪 C 系列飞机的 PW1500G 发动机环形同步支架 [30]。美国国家航空航天局（NASA）已完成 IN625 合金喷射器头部的合格化认证 [45]。
通过直接能量沉积（DED）与激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺制备的铜合金（如 GRCop-42、C18150（Cu-Cr-Zr））及铜基双金属超结构件，已实现合格化应用，在燃烧室中累计运行数千小时且性能稳定 [56,57]。研究人员通过激光粉末床熔融技术制备了多种合金的热交换器（如 IN625 [23]、Haynes 230、JBK-75、NASA HR-1（铁镍基合金）），并完成数千小时台架试验，推进其合格化进程 [56]。
激光粉末床熔融（PBF-LB）制备的 CoCrMo 燃油喷嘴是金属增材制造零件的里程碑案例，它是首个通过合格化认证并应用于 LEAP（领先航空推进系统）发动机的增材制造零件 [52]。通过电子束熔融（PBF-EB）工艺制备的钛铝化合物（TiAl），已成功应用于 GE9X 发动机的低压涡轮叶片，该发动机为新型波音 777X 飞机提供动力 [26]。
航空航天领域已广泛将不锈钢（SS304L、SS316、沉淀硬化钢（17-4））与 Ti-6Al-4V 合金用于支架及其他承重结构件，尤其是通过拓扑优化实现轻量化设计，同时提升结构完整性 [58]。激光粉末床熔融（PBF-LB）制备的 AlSi10Mg 及其他铝合金（如 F357（Al7Si0.5Mg）），已被多家飞机与发动机制造商广泛应用于散热器、热交换器与热管 [22-26]。
通过粉末进料直接能量沉积（DED-PB）工艺制备的大型 IN718 合金结构件（最大尺寸可达 1-1.5 米），已实现悬垂件、提升件与燃烧部件的合格化应用 [44]。采用粘结剂喷射技术（BJT），以哈氏 X 合金（HastelloyX）与尼孟镍 263 合金（Nimonic263）制备的喷射器旋流器组件，不仅几何形状极其复杂，还带有超细冷却孔 [48]。近期，研究人员尝试通过激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺制备 CM247LC 等高温合金，以用于大型喷嘴导向叶片 [50]。镍基高温合金 Mondaloy200™已成功通过合格化认证，应用于火箭发动机零件 [51]。
金属增材制造的一大独特应用场景是高价值涡轮部件的维修 —— 这类部件在服役后难以通过传统方式修复。多种混合增材制造应用已被证明对航空航天行业极具价值，例如：通过激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺在熔模铸造 FSX414 合金上沉积 CoCrMo 合金 [59]；通过直接能量沉积（DED）工艺在锻造、铸造及预制构件（如叶轮、低压涡轮叶片、燃油杆旋流器）上沉积 IN718 合金 [60]。采用直接能量沉积（DED）工艺，在锻造 AM355 钢整体叶盘（Blisk）上沉积耐蚀抗磨钴基合金司太立 12（Stellite12），是该技术应用的经典成功案例 [54]。
金属增材制造已成功实现多种零件的维修，包括叶轮、喷嘴、涡轮进排气导向叶片等，其中还涵盖单晶合金维修 [61] 与定向凝固合金维修 [62]。这些维修过程中会使用性能更优的抗氧化填充丝，以提升部件性能并延长使用寿命。图 4 展示了部分合格化合金在航空航天 / 涡轮机静子与转子部件中的应用案例 [4,173]。已有多位学者对航空航天领域金属增材制造合金的开发现状进行了阶段性评估 [63-67]。
各类金属增材制造技术的特性 [18]（来源：DM3D）。
各类金属在以下设备中的应用占比：a 飞机（波音 777）[14]；b 燃气轮机（来源：普惠公司）。
通过金属增材制造实现航空航天领域合格化应用的各类合金。
尽管相关文献数量庞大，研发投入也持续增加，但金属增材制造（MAM）技术的工业化应用进程仍十分缓慢。该技术的推广应用面临多项关键挑战，尤其在航空航天领域，这些挑战亟待解决。其中技术挑战包括：可重复生产零件的工艺可行性、厘清随机产生的缺陷本质、复杂的非平衡微观结构、力学性能的波动性、各向异性性能、高温力学行为的不可预测性、如何制造近净成形构件以减少后续加工量，以及缺陷的可检测性等 [68,69]。要控制该工艺特有的微观结构、缺陷与性能，仍存在诸多挑战 [70-72]。然而，金属增材制造技术虽具备诸多优势，其大规模应用的核心挑战之一在于：缺乏适配航空航天 / 燃气轮机行业复杂需求与严苛设计标准的材料及合金 —— 该行业目前使用的合金体系已十分成熟，而增材制造专用合金尚难以匹配。从表 1 可见，过去十年间，仅少数合金通过增材制造技术实现了合格化应用；但航空航天行业对更强、更轻质的合金需求迫切，既需要性能更优的新型合金，也需要能替代燃气轮机横截面各部位现有合金的等效材料，以充分发挥金属增材制造的技术优势。燃气轮机横截面需使用多种不同合金，尤其是在温度超过 650℃的区域，例如燃烧室、热通道等部位的叶片、轮盘、导向叶片等旋转部件（图 3b）。目前，可通过各类金属增材制造技术快速应用于航空航天领域的高温合金数量极少。而开发性能更优的新型合金、构建可持续的革命性材料体系，对航空航天行业的未来发展而言同样至关重要。过去 5 年间，新型合金研发成果呈爆发式增长，相关研究已覆盖数百种合金。全球多家粉末制造商已具备小批量与大批量金属粉末的生产能力。这些粉末的主要制备工艺包括：真空惰性气体雾化、电极感应熔炼惰性气体雾化（EIGA）、等离子雾化、微波等离子雾化 [73]。通过惰性气体雾化获得球形粉末后，需对粉末进行筛分以去除细粉、提升流动性；同时还需调整粒径分布，以最大化构件致密度并优化力学性能。为保证零件及其功能的可重复性，粉末需妥善处理，以便高效回收与再利用，且必须保持干燥无水分。不同金属增材制造工艺对应的典型粉末粒径如下：
激光粉末床熔融（PBF-LB）与电子束粉末床熔融（PBF-EB）为 5-50μm，粘结剂喷射成型（BJT）为 5-30μm，直接能量沉积（DED）则为 10-100μm [74]，图 5 展示了上述粉末的典型显微照片与粒径分布。优质粉末需具备以下特性：球形形貌以实现高堆积密度、严格控制的低氧与低碳含量以加速烧结、无卫星球及内部孔隙、高洁净度、高稳定性与可重复性、优良的流动性以减少设备磨损，以及完整的可追溯性。表 3 列出了多家商用粉末制造商及其提供的粉末牌号 [75-94]。目前已出现从减材制造废料中回收粉末以制备新型成分粉末的创新方法，这对复刻当前已应用的合金体系尤为重要。6K 公司 [94] 已开发出一种工艺技术，可利用合格的机加工切屑与废旧粉末生产高品质粉末；未来还计划将原料范围扩展至增材制造支撑结构、打印后不合格的增材构件及其他特殊废料。该公司的合金回收技术采用微波等离子体制备优质粉末，每年可回收 500 吨 Ti6Al4V 合金；其等离子体区域高度均匀精准，可实现零污染，且能高效生产定制成分的先进粉末，粒径分布适配激光粉末床熔融（L-PBF）、电子束粉末床熔融（EB-PBF）、直接能量沉积（DED）、粘结剂喷射成型（Binder-jetting）等多数金属增材制造工艺。该技术的目标是实现供应链原料 100% 利用，为增材制造终端用户提供控制项目成本与供应链的新方式，同时推动增材制造领域循环经济的发展。通过电极感应熔炼惰性气体雾化（EIGA）工艺，或混合单质粉末，可制备复合粉末或混合粉末的新型成分。例如，β-Ti/Ta 合金粉末的制备流程为：先混合 Ti 与 Ta 单质粉末，再通过热等静压将混合粉末制成 Ti-Ta 电极，最后采用 EIGA 工艺对该电极进行处理，得到雾化球形 Ti-Ta 合金粉末。东曹（Tosoh）公司 [18] 已掌握该工艺，可用于制备多种高纯度新型成分粉末，尤其能生产钛合金的超低间隙元素（ELI）粉末。（注：原文提及的 “SEM micrographs of powder and particle size distribution (PSD) in various MAM technique a PBF-LB142, b PBF-EB293, c DED-LB255, d BJT273” 为图示说明，译文为：各类金属增材制造工艺所用粉末的扫描电镜（SEM）显微照片及粒径分布（PSD）：a 激光粉末床熔融（PBF-LB）[142]、b 电子束粉末床熔融（PBF-EB）[293]、c 激光束直接能量沉积（DED-LB）[255]、d 粘结剂喷射成型（BJT）[273]。）已实现多种零件合格化应用的合金以粗体标注。图 6a 按年份统计了通过不同金属增材制造技术开发新型合金的学术论文数量，该数据基于作者综述的 500 余篇文献得出，虽未涵盖所有相关研究，但可反映近年来新型合金开发的趋势。本文综述了与航空航天领域相关的各类合金，且首先从铝合金类别展开。如图 6b 所示，新型合金的研发主要以粉末为原料，且以激光粉末床熔融技术为核心工艺。本文试图从已发表文献中整理燃气轮机及航空航天相关领域的各类新型合金开发成果，为航空航天行业选择下一代高温合金提供参考。综述共分为 5 个部分，分别总结了各类金属增材制造工艺在不同类别合金（首先介绍已实现合格化应用的相关合金）中的新型合金开发进展；每个部分均阐述了新型合金成分的工艺可行性，以及物理冶金特性、微观结构特征与力学性能。
金属增材制造（MAM）技术中的新型合金开发：a 按年份统计报告；b 按工艺统计报告。
扫描电镜（SEM）图像 [14]：a 热裂纹；b 激光粉末床熔融（PBF-LB）制备 AA7075 合金中的孔隙与热裂纹萌生；c 在 AA7075 合金中添加钪（Sc）、锆（Zr）后获得等轴无裂纹微观结构的示意图。
激光粉末床熔融（PBF-LB）制备的 AlSi10Mg 合金、激光粉末床熔融（PBF-LB）与激光束直接能量沉积（DED-LB）制备的 Scalmalloy 合金的力学性能。
Scalmalloy 合金与 A20X™合金的极限抗拉强度随温度的变化规律。2 镍基合金
近期一篇关于 IN718 合金的综述指出，过去 4-5 年间，该合金相关的文献已近 200 篇 [206]；IN625 合金的相关文献数量与之相近 [207-212]。这两种合金均为 “主力合金”，是燃气轮机领域温度≤650℃应用场景的标准材料，其 γ’/γ'' 相体积分数较低，且如表格 2 所示，通过直接能量沉积（DED）、电子束粉末床熔融（PBF-EB）、激光粉末床熔融（PBF-LB）等工艺，已实现多种航空航天零件的合格化应用。
尽管如此，要推动这两种合金在更多航空零件中快速应用，仍有大量研究工作待开展。研究发现，在激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺中，金属增材制造固有的快速凝固过程，会导致含钽（Ta）、铌（Nb）、钼（Mo）、钨（W）等重元素的镍基高温合金出现合金元素偏析，进而形成特殊微观结构，其力学性能可能无法满足热通道（HGP）部件的使用要求，尤其在高温环境下 [213]。即便合金在常温下性能达标，在高温环境下也可能存在缺口敏感性低的问题 [214]。
电子束粉末床熔融（PBF-EB）制备的 IN718 合金，常因晶粒沿建造方向外延生长形成柱状晶结构，导致不同方向的微观结构不均匀 [215,216]。研究人员已通过多种方式尝试解决这一问题，包括：改良原料粉末、调整工艺参数以实现枝晶破碎、控制温度梯度（G）与凝固速度（v）、优化局部凝固条件以适配后续热处理，进而模拟铸造过程中的凝固行为，或通过线性熔化策略与工艺参数调整实现原位再结晶，最终推动晶粒结构从柱状晶向等轴晶转变（CET）[217-219]。图 10 展示了通过建模指导电子束粉末床熔融（PBF-EB）制备 IN718 合金的过程，最终在铸态下实现了从柱状晶到等轴晶的转变 [216]。
为扩大金属增材制造技术的应用范围，推动其在航空航天行业快速落地，研究人员已通过多种金属增材制造工艺，对十余种 “不可焊接” 的 γ’相强化镍基高温合金展开研究 [220-252]，例如 CM247LC [220-223]、IN738LC [224-226]、IN939 [227]、尼孟镍 263 合金（Nimonic263）[228]、GTD222 [229]、瓦氏合金（Waspaloy）[230]、哈氏 X 合金（HastealoyX）[231-239]、海恩斯 282 合金（Haynes282）[241-246]、海恩斯 230 合金（Haynes230）[247]、Rene142 [248,249]、Rene104 [250]、IN617 [251]、IN100 [252] 等。然而，目前适用于激光粉末床熔融（LPBF）工艺的合金选择仍十分有限。
对于燃气轮机热通道部件所用的其他高温材料，其零件合格化进程相对缓慢，因此，开发高 γ’相体积分数（40%-50%）的镍基 / 高温合金成为研究重点。CM247LC、IN738LC、GTD222 等镍基合金的 γ’析出相体积分数较高（>40%-50%），易产生液化裂纹、凝固裂纹与应变时效裂纹，加工难度极大；而金属增材制造工艺本身冷却速度快，要通过该工艺制备这些传统热通道部件用合金，面临巨大挑战。
十余年来，研究人员通过激光粉末床熔融（PBF-LB）、电子束粉末床熔融（PBF-EB）、直接能量沉积（DED）等多种金属增材制造工艺，对 IN738LC 与 CM247LC 展开了大量研究。尽管 CM247LC 易产生液化裂纹与凝固裂纹，仍有多项研究尝试通过不同金属增材制造工艺制备该合金，例如通过外延柱状晶生长（形成定向凝固微观结构），探索其在高压涡轮叶片中的应用可能性 [61]。
近期，INTECH 增材解决方案公司成功通过激光粉末床熔融（LPBF）工艺，制备出 CM247LC 合金燃气发生器喷嘴导向叶片（GG-NGV）。该叶片内部设有极为复杂精细的冷却通道，可实现轻量化设计并提升性能。受激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺设备尺寸限制（通常≤500mm），对于喷嘴导向叶片（NGV）等大型零件，可采用分段打印的方式，随后通过自熔焊接与热等静压（HIP）处理，最终实现零件合格化 [50]。
CM247LC 合金的其他合格化应用案例包括：表格 2 中提及的，由 HiETA 公司通过激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺制备的高温紧凑型热交换器与内部冷却径向涡轮盘 [23]。然而，该合金的公开文献相对较少，原因在于其凝固过程中易因多种开裂机制产生缺陷；而热等静压（HIP）工艺的应用，有效推动了金属增材制造技术在该合金上的落地，进而助力增材制造技术在热通道部件中的推广。
针对 IN738LC 合金的研究表明，其加工过程中难以完全避免裂纹；对于该合金的应用（尤其静态零件），可通过热等静压（HIP）工艺封闭细小孔隙，从而保证结构完整性 [224-226]。Hassel 等人 [251] 研究了电弧增材制造（WAAM）制备的 IN617 合金铸态下的常温力学性能各向异性。
海恩斯 282 合金（Haynes282）最初用于工业燃气轮机与航空发动机的结构件；通过电子束粉末床熔融（EB-PBF）工艺制备的该合金，其 γ’析出相尺寸存在空间依赖性差异，而传统工艺制备的海恩斯 282 合金中，γ’析出相分布更均匀 [245]。研究发现，增材制造态海恩斯 282 合金的硬度高于轧制退火态与完全时效态的棒材和板材，但抗拉强度略低；在温度
研究人员还尝试通过激光粉末床熔融（L-PBF）与扫描激光外延工艺，制备无裂纹的 CMSX-4 单晶叶片 [253,254]。结果表明，经热处理后，该叶片的抗拉性能与热处理后的铸造单晶合金相当。此外，研究人员通过粉末进料激光束直接能量沉积（DED-LB）工艺，实现了无铼镍基高温合金 CSU-B1（成分：Ni-10Co-6.5Al-6Cr-6Ta-2.5 (Mo+Hf)-0.05Si-0.05C-0.004B）单晶的多道次沉积，为通过金属增材制造技术制备与修复大型单晶叶片部件奠定了基础 [255]。
耶拿（Jena）等人 [257] 的近期研究表明，通过激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺可制备新型高 γ’相强化镍基高温合金 LW4275（成分：Ni-20.4Co-9.6Cr-5.5W-5.1Al-2.24Re-2.2Ta-1.2Mo-0.3Hf-0.12C-0.03Fe-0.019B），且样品无裂纹。周（Zhou）等人 [256] 通过激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺，制备出在 871℃时 γ’析出相体积分数达 55% 的抗裂镍基高温合金。
这类合金（命名为 ExpAM、ExpAM-mod）的设计基于计算热力学筛选与平板堆焊可焊性实验，旨在缩小凝固温度范围以减少热裂纹。其中 ExpAM-mod 含有碳（C）、硼（B）、锆（Zr）等晶界强化元素，可提升应力 rupture 性能。在 760℃时，ExpAM-mod 的屈服强度（YS）达 904MPa，极限抗拉强度（UTS）达 947MPa；同时，该合金在高温下可形成连续氧化铝层，因此具备更优的抗氧化性。其高温强度、应力断裂性能与抗氧化性均与 CM247LC 合金相当。
近期研究聚焦于通过计算建模开发增材制造专用镍基高温合金新品级：采用 “设计驱动” 方法与 “合金设计法（ABD）”，预测并设计出兼具适宜强度、抗蠕变性能与良好工艺可行性的合金成分 [259]。通过该方法已开发出第一代合金 ABD-850AM。据报道，ABD-800AM 合金即使在较高温度下仍具备更优的延展性，且抗热裂性能优于 CM247LC 与 IN939 合金。
金属增材制造技术在涡轮部件应用中的一大独特优势是涡轮部件修复。对于服役后需翻新的高价值、小批量零件，该技术堪称 “解决方案”。目前，镍基合金在涡轮、压气机、风扇叶片（叶尖与叶根平台修复）、导向叶片或喷嘴修复、护罩、燃烧室、燃油喷嘴及机匣修复中的混合增材制造应用，已得到广泛研究与实践。
图 11a 展示了燃气轮机各类部件的潜在修复方案 [18]；图 11b 以 Ti64（Ti-6Al-4V）叶片修复为例，呈现了原始叶片、服役后叶尖缺失的叶片，以及通过直接能量沉积（DED）技术修复后的叶片 [173]。
达斯（Das）等人研究了单晶 Rene N5 合金高压涡轮（HPT）叶片的修复：以 [100] 与 [001] 为主要生长方向的 Rene N5 为基底，采用扫描激光外延（SLE）技术，沿 [001] 主枝晶生长方向沉积 Rene 142 合金 [249]。类似的单晶扫描激光外延（SLE）研究包括：在熔模铸造等轴晶 Rene 80 基底上单次沉积 Rene 80 合金 [261]，以及在单晶（SX）Rene N5 基底上沉积 Rene N5 合金 [262]。
通过扫描激光外延（SLE）技术在等轴晶铸造 CM247LC 基底上单次沉积 CM247LC 合金，可获得致密无裂纹的沉积层；经热处理后，该沉积层硬度显著提升 [61]。采用抗氧化性更优、抗蠕变性能优异的合金进行修复，可提升现有热端部件的高温性能，延长产品使用寿命。
古贾恩（Gujjan）等人 [252] 开展的另一项开发试验，通过微激光增材制造（micro-LAM）技术在铸造等轴晶 IN100 基底上沉积 IN100 合金。IN100 合金的 γ’析出相体积分数超 50%，且凝固范围宽，属于高易裂、极难焊接的镍基高温合金；研究中采用雾化 IN100 粉末，通过扫描激光外延（SLE）技术实现修复。最终获得的单次沉积层近乎全致密、无裂纹且与基底连续结合，沉积层呈现柱状与等轴枝晶结构，微观组织细化，元素偏析减少，硬度高于基底 [263,264]。此外，研究人员通过激光重熔结合激光束直接能量沉积（DED-LB/M）技术，实现了定向凝固 IC10 镍基高温合金的修复 [265]。
a Repair of various gas turbine components via Direct Energy Deposition (DED-LB) Courtesy DM3D18. b Blisk repair showing the original, damaged and repaired blades via direct energy depoition173.
3钴基合金CoCrMo（钴铬钼）合金是首个通过合格化认证、用于 LEAP 发动机燃油喷嘴的航空航天增材制造零件用合金，堪称航空发动机增材制造零件应用的 “开创者”，因此备受关注 [52]。早在航空航天领域应用之前，已有大量研究通过激光粉末床熔融（L-PBF）工艺制备该合金，用于医疗植入物 [266]。
近年来，在验证该合金高温力学性能的性能有效性与结构完整性后，其作为混合修复方案已成功通过合格化认证，用于热端部件修复 [59,267-269]。研究发现，经高温热处理后形成的再结晶微观结构，在涡轮喷嘴工作温度下具备良好的热稳定性。图 12a 对比了 CoCrMo 合金增材制造态与热处理后的微观结构 [59]；表 9 列出了该合金增材制造态与热处理后的高温力学性能，明确了适配修复应用的最佳强度与延展性 [59]。
研究人员通过激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺制造出含复杂冷却通道的近净成形增材制造件，经优化热处理降低残余应力后，将其与熔模铸造 CoW 合金（FSX414）焊接，具体如图 12b 所示 [267,268]。同时，通过小规模试验验证了激光粉末床熔融（L-PBF）制备的 CoCrMo 与熔模铸造 FSX414 焊接修复接头的性能 [270]。
L605 合金是另一种钴基合金，具备润滑耐磨性，已通过直接能量沉积（DED）技术应用于燃气轮机修复 [60]。图 13 以燃油杆旋流器修复为例，展示了通过直接能量沉积（DED）技术使用多种耐磨合金的修复过程 [60]。
除 CoCrMo 合金外，通过金属增材制造技术开发的其他钴基合金包括司太立（Stellite）合金 [271-274]（Stellite6、Stellite12、Stellite21）、MarM509 合金 [275,276]、Co-Ni 合金 [277]、Co-Cr-Ni-W 合金 [278]。这些合金凭借优异的耐磨与耐热性能，在航空航天领域展现出独特应用价值。
潘（Phan）等人 [278] 通过电子束粉末床熔融（EB-PBF）工艺开发出 Co-27Cr-11Ni-7W 合金，以降低难焊接钴基合金在快速凝固过程中的热裂倾向。开裂（铸造中常称为热撕裂）通常发生在凝固末期；在熔焊中，热裂纹主要分为两类：一是熔合区凝固末期产生的热撕裂，二是部分熔化区产生的液化裂纹。
与激光粉末床熔融（PBF-LB）相比，电子束粉末床熔融（PBF-EB）的优势在于其粉末床温度通常高于 500℃，可降低温度梯度与应力，从而制备无裂纹试样。
研究人员通过激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺制备了 Mar-M-509 合金，发现该合金存在力学性能各向异性：增材制造态下，不同取向样品的强度差异约 30%；经热处理（HT）后，合金更软、延展性更佳且呈现各向同性 [275,276]。同时，激光粉末床熔融（PBF-LB）制备的 Mar-M-509 合金，其强度与延展性显著优于铸造态该合金。
电子背散射衍射（EBSD）测试结果显示：增材制造态合金的晶粒沿建造方向呈柱状生长，形成中等强度的 纤维织构；经后续热处理后，晶粒转变为等轴晶，形成 {110} 宏观织构 —— 这种晶粒结构与织构的显著变化源于再结晶过程。
增材制造态合金中，碳化物相主要在枝晶与胞状晶界面析出；而热处理态合金中，碳化物相既存在于晶内也存在于晶界，且随热处理时间延长而粗化。
通过金属增材制造技术开发的新型钴基合金还包括一类高强度 Co-Ni（钴 - 镍）高温合金：该合金中 Co 与 Ni 含量相当，且必须添加铝（Al）、铬（Cr）、钽（Ta）等合金元素，通过电子束粉末床熔融（PBF-EB）与激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺均可制备，其常温下强度超 1.1GPa、延展性超 13%[277]。
尽管多数金属增材制造新型合金通过激光粉末床熔融（PBF-LB）或电子束粉末床熔融（PBF-EB）工艺开发，但针对难焊接合金（尤其是 Co-W 系合金，如 Stellite12），研究人员也通过激光直接能量沉积（laser-DED）与粘结剂喷射（Binder jet）金属增材制造技术开展了开发工作。
Stellite6 合金（钴铬钨系）具备优异的耐磨性、耐腐蚀性，且在高温下仍能保持强度。特拉塞尔（Traxel）等人 [272] 通过激光束直接能量沉积（DED-LB）技术在钢基底上沉积 Stellite6™合金，制备出切削刀具；研究表明，该增材制造态刀具的性能可与商用 Blackalloy 525（CoCrW）切削刀具媲美。
此外，通过电弧增材制造（DED-PB，即丝材进料直接能量沉积）工艺，可制备致密、无缺陷的 Stellite6 合金沉积层，且其横向与纵向性能相对均匀 —— 这类刀具对于加工高强度镍基高温合金具有重要价值。
02
部分图文
激光粉末床熔融（PBF-LB）制备 CoCrMo 合金的微观结构 [59]：a 增材制造态与热处理态对比；b 激光粉末床熔融（PBF-LB）制备的 CoCrMo 与熔模铸造 CoW 合金（FSX414）的焊接接头。
难熔金属（如铌 [279,280]、钽 [281,282]、钼 [283,284]、钨 [285,286]）已通过激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺进行实验，旨在制备适配极端环境的零件。C-103 铌基合金（成分：Nb-10Hf-1Ti）由美国国家航空航天局（NASA）开发，用于无法采用再生冷却的推进系统 [287]。该合金为固溶强化型合金，适用于潜在的长期高温工况；目前已通过激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺突破原型制造阶段，技术成熟度达到 4-5 级，增材制造技术成功克服了该合金传统制造的缺陷。
在该合金制备中，增材制造的快速凝固特性发挥了关键作用：可避免微观偏析，制备出晶粒更细小的大型构件，其力学性能优于传统制造零件。铌硅化物因在高温下具有高比强度，曾被视为航空发动机行业的 “变革性材料”，并被认为是有望替代镍基高温合金的下一代材料，目前已通过激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺得到广泛研究 [288,289]。研究人员还对铌硅基合金进行合金化改性（如制备 Nb-18Si-24Ti-2Cr-2Al-2Hf 或 3.78Nb-16.82Si-23.17Ti-2.43Cr-2.31Al 合金）以提升抗氧化性，并开发保护涂层，相关研究已大量开展。
目前已有多种高强度钢通过金属增材制造工艺进行实验。近期研究通过激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺开发出新型 X12CrMoV12-1 钢，并成功应用于蒸汽轮机叶片 [290]。其他新型材料包括 A286 与 JBK-75 铁基高温合金 —— 二者均衍生自奥氏体不锈钢，具备良好的抗氢环境脆化（HEE）性能、耐腐蚀性与抗氧化性 [291,292]。
NASA HR-1 是在 JBK-75 基础上开发的高强度铁镍基高温合金，通过激光粉末床熔融（PBF-LB）[291] 与粉末进料直接能量沉积（DED-LP）[292] 工艺制备，适用于液体火箭发动机的高压氢环境。如图 4 所示，这两种合金均已实现零件合格化应用，应用案例十分成功。
研究人员还通过各类金属增材制造技术，对多种奥氏体不锈钢与双相不锈钢 [293-299] 进行实验，探索其在多领域的应用可能性，尤其作为混合材料用于制造大型抗疲劳构件。图 14 展示了来自 DM3D 公司的相关应用案例。
通过直接能量沉积（DED-LB）技术实现多材料制造 [18]（来源：DM3D）。
金属增材制造技术最具影响力的应用领域之一，是开发新型铜合金与优化结构设计，以提升热交换器、散热器、燃烧室等部件的传热效率 [300-310]。铜及铜合金导电性极强，加工难度较大：一方面，常规激光功率难以将其充分熔化以制备高致密度（>99.8%）零件；另一方面，铜的高反射率易导致熔合不良等缺陷。
在这一问题上，电子束粉末床熔融（PBF-EB）工艺展现出显著优势：可规避反射率问题与高导热性带来的加工难题，且高真空环境能防止合金氧化。表 4 列出了已研究的各类铜合金及其特性（尤其经热处理后的特性）。
NASA 开发的多种铜铬基合金（如 GRCop-84、GRCop-42、C18150、C18200、Glidcop）已在早期应用中取得成功 [311-317]。近年来，针对多组元合金的合成研究也大量开展，包括高熵合金（HEA）[318-325]、块体金属玻璃（BMG）[326-328] 与形状记忆合金（SMA）[9-11]。这些合金具有独特的微观结构与性能，近年来在航空航天领域展现出良好的应用前景。
传统制造技术难以加工这类合金，而金属增材制造技术则具备显著优势：不仅能制备这类多组元新型合金的复杂几何零件，还可对其微观结构与性能进行定制化调控。
03
结论/展望
金属增材制造无疑将为结构工程应用的所有领域（尤其是航空航天领域）带来革命性变革。尽管目前已有多项应用实现合格化，相关标准也在逐步建立，但新型材料的研发仍在呈指数级增长。
粉末制造商能够快速开发新型成分粉末与现有材料粉末，作为金属增材制造工艺的原料；小型设备可针对新型合金成分快速开展试验，优化工艺参数。如今每天都有大量新型合金处于实验阶段。与 5 年前相比，将工艺参数的实验数据输入软件后，通过迭代调整金属增材制造设备参数，即可轻松开发各类合金。
然而，要推动金属增材制造技术在航空航天构件中快速应用与推广，仍有大量问题亟待解决与验证。许多关于 “通过金属增材制造技术应用新型材料” 的问题尚未得到解答，由此催生了众多新的研究方向。例如：
尽管已开发多种高强度铝合金，但其耐腐蚀性仍是关键问题，可能阻碍该类合金的快速大规模应用；已有 50 余种高温镍基合金得到研究，但其适配特定应用场景的性能仍需优化与明确（如高温缺口敏感性、对热等静压（HIP）热处理的响应、适配近净成形零件制造的热处理工艺）；需开发小型力学测试方法，以重现与零件几何相关的性能；需关注力学性能各向异性，开发能表征快速凝固影响的无损检测方法；最终需通过建模实现新型智能材料的开发，并通过建模可靠预测材料性能。本文综述了通过金属增材制造技术研究的各类合金，展现了该技术在开发多种合金体系方面的实际能力，旨在为航空航天行业提供更优的 “应用 - 采购” 机会，并助力革命性新型材料的研发。
自 2019 年以来，3D 打印行业的材料（尤其金属材料）开发与消耗量实现了突破性增长 [329]。尽管受疫情严重影响，2021 年该领域仍实现 7.1% 的增长，营收近 53 亿美元；未来几年，合金开发将推动全行业增长。
对于金属增材制造合金研发的所有投入，其影响将体现在航空航天领域的总生命周期价值上，而非单纯的 “投资回报率”[330]。这些合金中有多少能最终通过合格化认证，值得关注与期待。但可以确定的是，“面向金属增材制造的新型合金开发” 领域潜力巨大，为年轻研究人员提供了广阔的探索空间，他们的贡献将推动金属增材制造技术的未来发展，并充分释放该技术对工业应用的实际价值。
文章来源：Srinivasan, D., Ananth, K. Recent Advances in Alloy Development for Metal Additive Manufacturing in Gas Turbine/Aerospace Applications: A Review. J Indian Inst Sci 102, 311–349 (2022). https://doi.org/10.1007/s41745-022-00290-4
长三角G60激光联盟陈长军转载
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