增材制造是一種基于離散-堆積原理，通過(guò)逐層添加材料來(lái)構(gòu)建三維實(shí)體的成形技術(shù)。該技術(shù)能夠直接制造復(fù)雜幾何形狀、高度定制化的功能構(gòu)件，并實(shí)現(xiàn)材料的高效利用，已成為航空航天、生物醫(yī)療、國(guó)防及高端模具等領(lǐng)域的重要制造手段之一。目前，常用的金屬增材制造技術(shù)主要包括以激光或電子束為能量源的粉末床熔融技術(shù)(如激光選區(qū)熔化(selective laser melting，SLM)技術(shù)、電子束選區(qū)熔化(selective electron beam melting，SEBM)技術(shù)和定向能量沉積技術(shù)(如激光直接沉積(laser direct energy deposition，LDED)技術(shù)、電弧熔絲成形(wire arc additive manufacturing，WAAM)技術(shù))[1-5]。這些技術(shù)通過(guò)熱源作用，將金屬粉末或絲材局部熔化并快速凝固，逐層累積成形。盡管該技術(shù)賦予了設(shè)計(jì)自由度的極大解放，但其獨(dú)特的逐點(diǎn)、逐線、逐層的循環(huán)熱過(guò)程，也導(dǎo)致了區(qū)別于傳統(tǒng)制造方法的特殊冶金行為與顯微組織演化，并不可避免地引入了各類制造缺陷，這些缺陷直接制約了零件的力學(xué)性能與服役可靠性，成為該技術(shù)亟待解決的核心瓶頸問(wèn)題之一[6-8]。

金屬增材制造過(guò)程中的缺陷，主要源于熱物理過(guò)程的不穩(wěn)定性、原材料特性以及工藝參數(shù)與掃描策略的失配。典型缺陷主要包括：(1)孔洞，孔洞在熔池快速凝固過(guò)程中形成，其中氣孔是氣泡來(lái)不及從熔池中逸出而形成的孔洞，匙孔是液態(tài)金屬來(lái)不及填充熔池底部空腔形成的孔洞；(2)未熔合，因粉末未完全熔化或熔合不足而產(chǎn)生了未熔合，未熔合通常形狀不規(guī)則，且尺寸較大；(3)夾雜物，主要來(lái)源于原料中的高熔點(diǎn)非金屬夾雜(如氧化物、氮化物)或制造環(huán)境中的污染；(4)裂紋，其中熱裂紋(如凝固裂紋、液化裂紋)與材料凝固區(qū)間和熱應(yīng)力相關(guān)，而冷裂紋則多與材料的塑性、零件的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。

不同金屬增材制造工藝因能量源類型、成形環(huán)境及材料供給方式的差異，其缺陷特征呈現(xiàn)明顯的工藝依賴性。在激光選區(qū)熔化技術(shù)中，極高的冷卻速率與溫度梯度使裂紋與氣孔最為突出，同時(shí)伴隨粉末未完全熔化所致的未熔合缺陷，以及成形過(guò)程中飛濺物引發(fā)的夾雜物問(wèn)題。電子束選區(qū)熔化技術(shù)借助真空環(huán)境與基板高溫預(yù)熱，有效抑制了氣孔與裂紋的生成傾向，但氣孔仍可能源自原材料中殘留氣體，且電子束能量不足時(shí)易誘發(fā)未熔合缺陷。激光直接沉積技術(shù)與電弧熔絲成形技術(shù)則主要面臨裂紋、氣孔與未熔合缺陷的挑戰(zhàn)，夾雜物發(fā)生概率相對(duì)較低，僅在原材料或設(shè)備受污染時(shí)偶有出現(xiàn)。這些缺陷的存在會(huì)嚴(yán)重影響增材制造零件的力學(xué)性能，導(dǎo)致零件在低于材料理論強(qiáng)度的載荷下發(fā)生早期失效，特別是在航空航天等高安全要求的領(lǐng)域，缺陷構(gòu)成了巨大風(fēng)險(xiǎn)。

中國(guó)航發(fā)增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心(簡(jiǎn)稱"中心")針對(duì)增材制造金屬材料缺陷開展了大量研究，本文在中心近年相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了總結(jié)，闡述了孔洞、未熔合、夾雜物、裂紋等典型缺陷的形貌特征、形成機(jī)理及其對(duì)力學(xué)性能的影響，總結(jié)了熱等靜壓(hot isostatic pressing，HIP)處理對(duì)缺陷及力學(xué)性能的影響，以期為推動(dòng)高質(zhì)量金屬增材制造技術(shù)的科學(xué)發(fā)展和工程應(yīng)用提供參考。

1、孔洞

孔洞是增材制造金屬材料中最常見(jiàn)的缺陷類型，根據(jù)其形成機(jī)制可主要分為兩類(見(jiàn)圖1)：一類是由熔池中形成的氣泡在金屬凝固前未能及時(shí)逸出所形成的氣孔；另一類是在高能量密度熱源作用下形成窄而深的熔池，熔池底部出現(xiàn)不穩(wěn)定的空腔，在快速凝固過(guò)程中液態(tài)金屬未能及時(shí)回填而形成的孔洞，即匙孔。氣孔按其來(lái)源可進(jìn)一步細(xì)分為析出型氣孔和帶入型氣孔[9-10]。

1.1 孔洞的尺寸和數(shù)量

在增材制造金屬材料中，孔洞總體上呈均勻分布特征，但由于工藝參數(shù)與材料特性的影響，局部區(qū)域可能出現(xiàn)孔洞密集分布或大尺寸孔洞集中分布的現(xiàn)象。激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制備的高溫合金、鈦合金和鋁合金的微納CT檢測(cè)結(jié)果表明，正常工藝條件下，孔洞直徑主要集中在10~60 μm范圍內(nèi)，約占檢出孔洞總數(shù)的90%以上，直徑大于100 μm的孔洞較少，且大尺寸孔洞多集中于表層300 μm范圍內(nèi)。相較于高溫合金和鈦合金，鋁合金中單位體積的孔洞數(shù)量更高，致密度相對(duì)較低，最大孔洞直徑一般不超過(guò)300 μm。其原因主要在于：鋁合金粉末中空心粉比例較高，循環(huán)粉末中殘留的氧化物飛濺較多，引入了更多氣體。同時(shí)，鋁合金粉末表面氧化膜較厚，更易吸附氣體，使溶解于液態(tài)金屬中的氣體增多。此外，鋁合金密度較低，不利于氣泡的上浮逸出[11-12]。在實(shí)際生產(chǎn)中，增材制造金屬材料零件中常檢出更大尺寸的孔洞，主要與粉末多次循環(huán)使用后吸潮引入更多水分，以及氧化物含量增加有關(guān)。

1.2 孔洞的分類

1.2.1 析出型氣孔

析出型氣孔通常呈標(biāo)準(zhǔn)球形，尺度較小，內(nèi)壁光滑且無(wú)明顯附著物。其形成過(guò)程為[13-14]：在熔池快速冷卻過(guò)程中，過(guò)飽和氣體在液態(tài)金屬中自由隨機(jī)形核，當(dāng)氣泡內(nèi)部壓力足以克服大氣壓及氣泡固-液界面表面張力所引起的收縮壓力時(shí)，氣泡迅速長(zhǎng)大。然而，由于熔池凝固速度極快，氣泡往往來(lái)不及滿足逸出條件便被凝固在基體中。氫氣孔是一種常見(jiàn)的析出型氣孔，尤其在鋁合金中大量存在。氫在液態(tài)鋁中的溶解度為0.69 mL/100g，是固態(tài)鋁中溶解度0.036 mL/100g的近20倍。因此，液態(tài)鋁合金極易吸附氫，進(jìn)而形成大量氫氣孔。氫氣孔主要有三種形成方式，分別是枝晶間形成的氣孔、氧化物薄膜之間形成的氣孔與依附在氧化物顆粒表面形成的氣孔[15]。氫氣孔的形成機(jī)理如圖2[14]所示。

1.2.2 帶入型氣孔

帶入型氣孔主要由空心粉末引入，即粉末內(nèi)部原有的封閉空腔在熔化過(guò)程中未能及時(shí)逸出，凝固后形成氣孔。此類氣孔的尺寸和形貌與原始空心孔洞相似，形態(tài)較為規(guī)則，尺寸分布范圍較寬，內(nèi)部常伴有氧化膜或不規(guī)則夾雜物。此外，在增材制造過(guò)程中，熔池表面的震蕩會(huì)使環(huán)境氣氛進(jìn)入熔池，從而促進(jìn)氣孔形成。同時(shí)，在多層沉積過(guò)程中，先沉積層中的氣孔在重熔時(shí)會(huì)釋放氣體，這些氣體由底部進(jìn)入新沉積的熔池后亦可形成氣孔。帶入型氣孔在激光選區(qū)熔化合金中較為常見(jiàn)，而在熔絲成形合金中則相對(duì)罕見(jiàn)。隨著空心粉末比例的增加，激光選區(qū)熔化合金中的孔洞數(shù)量隨之上升，致密度下降，孔洞數(shù)量與空心粉率呈正相關(guān)關(guān)系。因此，控制帶入型氣孔數(shù)量的關(guān)鍵在于降低空心粉末比例，并對(duì)循環(huán)粉末進(jìn)行有效凈化處理。帶入型氣孔的形成機(jī)理示意圖如圖3[16]所示。

析出型氣孔與帶入型氣孔在形貌上難以明確區(qū)分，對(duì)力學(xué)性能的影響也大致相當(dāng)，工程應(yīng)用中并無(wú)必要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分。上述分類的目的在于明確氣體的來(lái)源，以便在生產(chǎn)中制定有針對(duì)性的氣孔控制措施。

1.2.3 匙孔型孔洞

匙孔是激光、電子束焊接或增材制造等高能量密度成形過(guò)程中特有的物理現(xiàn)象，其形成機(jī)理和性質(zhì)與常規(guī)氣孔或孔洞存在本質(zhì)區(qū)別[17-18]。當(dāng)高能量密度的激光或電子束聚焦于金屬表面時(shí)，局部溫度迅速超過(guò)金屬沸點(diǎn)，導(dǎo)致金屬氣化并產(chǎn)生高壓蒸汽。蒸汽以高速向外噴射，形成反向沖擊力，將熔池金屬向四周排開，形成一個(gè)深而窄的孔洞，即匙孔。匙孔的穩(wěn)定存在依賴于能量輸入與液態(tài)金屬流動(dòng)之間的動(dòng)態(tài)平衡，并隨熱源移動(dòng)而移動(dòng)。匙孔本身并非缺陷，但當(dāng)增材制造過(guò)程不穩(wěn)定時(shí)，匙孔可能發(fā)生坍塌，導(dǎo)致金屬蒸汽或外部氣體被封閉于熔池中，最終形成匙孔型孔洞。典型的匙孔型孔洞呈倒三角形態(tài)。圖4[19]是利用X射線同步輻射技術(shù)獲得的激光選區(qū)熔化TC4鈦合金中匙孔形成過(guò)程。

1.3 孔洞對(duì)力學(xué)性能的影響

圖5展示了致密度對(duì)激光選區(qū)熔化GH4169高溫合金室溫拉伸性能及K439B高溫合金高溫持久性能的影響。由圖5(a)、(b)可知，隨著致密度升高，GH4169合金的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均呈上升趨勢(shì)。當(dāng)致密度從99.99%提高至99.9999%時(shí)，強(qiáng)度提升約20 MPa，斷后伸長(zhǎng)率提升約2%。由圖5(c)可見(jiàn)，隨著致密度升高，K439B合金在815 ℃/379 MPa條件下的高溫持久性能也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，致密度為99.99%的試樣平均持久壽命明顯高于致密度為99.9%的試樣。上述結(jié)果表明，孔洞的存在對(duì)靜力學(xué)性能具有負(fù)面影響，主要表現(xiàn)為減小有效承載面積并促進(jìn)裂紋的萌生。當(dāng)孔洞的數(shù)量和尺寸控制在較低水平時(shí)，其波動(dòng)對(duì)靜力學(xué)性能的影響幅度相對(duì)有限。

圖6為激光直接沉積TC4鈦合金中氣孔位置與尺寸對(duì)疲勞性能的影響。圖6(a)反映了氣孔到試樣表面的距離與疲勞壽命之間的關(guān)系(通過(guò)試樣拉斷后測(cè)量氣孔至斷口邊緣的距離獲得)。結(jié)果表明，在氣孔尺寸相近的條件下，氣孔距試樣表面越遠(yuǎn)，疲勞壽命越長(zhǎng)。圖6(b)展示了試樣內(nèi)部氣孔尺寸(距離表面大于2倍氣孔直徑)與疲勞壽命之間的關(guān)系。當(dāng)氣孔尺寸小于100 μm時(shí)，試樣疲勞壽命在25萬(wàn)至250萬(wàn)次之間波動(dòng)，表明此時(shí)疲勞壽命受氣孔尺寸、顯微組織及其他缺陷共同影響，氣孔僅為影響因素之一。而當(dāng)氣孔尺寸超過(guò)300 μm時(shí)，疲勞壽命急劇下降，此時(shí)氣孔尺寸成為影響疲勞壽命的主導(dǎo)因素。

綜上所述，氣孔對(duì)疲勞壽命的影響應(yīng)從以下兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估：一是氣孔尺寸，關(guān)鍵零件中最大氣孔尺寸應(yīng)控制在300 μm以下；二是氣孔到零件表面的距離，關(guān)鍵零件表面應(yīng)避免存在開口型孔洞。工程實(shí)踐中，僅依靠增材制造工藝優(yōu)化和過(guò)程控制難以完全滿足上述要求，需結(jié)合熱等靜壓處理及表面強(qiáng)化技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。

2、未熔合

未熔合是增材制造金屬材料中一類常見(jiàn)缺陷，其尺寸跨度較大，從幾十微米至數(shù)毫米不等，危害程度與裂紋相當(dāng)。從形態(tài)特征來(lái)看，未熔合可分為球形、條形和不規(guī)則形狀等類型；從形成機(jī)理分析，其成因主要包括能量輸入不足、工藝參數(shù)不合理或波動(dòng)、粉末表面氧化以及夾雜物等因素[9,20]。不同增材制造工藝及材料所產(chǎn)生的未熔合類型存在差異，其中激光選區(qū)熔化典型的未熔合形式包括：由粉末顆粒表面氧化引起的球形未熔合、由工藝或設(shè)備參數(shù)波動(dòng)引起的面形未熔合，以及由能量輸入不足引起的孔洞形未熔合。

球形未熔合主要由粉末顆粒表面氧化引起。當(dāng)粉末顆粒表面存在較厚氧化膜時(shí)，在熔池中與液態(tài)金屬潤(rùn)濕性差，導(dǎo)致粉末顆粒未能完全熔化。熔池凝固后，未熔化的粉末顆粒與周圍金屬之間存在連續(xù)完整的界面，形成球形未熔合缺陷。此類缺陷由獨(dú)立粉末顆粒形成，在材料中呈隨機(jī)分布，其直徑與原始粉末顆粒直徑基本一致。球形未熔合主要出現(xiàn)在激光選區(qū)熔化成形工藝中，在激光直接沉積成形中較為罕見(jiàn)。這類缺陷的危害相對(duì)較小，與同等尺寸的氣孔和夾雜物相當(dāng)?？刂魄蛐挝慈酆系年P(guān)鍵在于抑制粉末氧化，并適當(dāng)提高能量輸入密度。

由工藝參數(shù)不合理或設(shè)備參數(shù)波動(dòng)引起的未熔合可見(jiàn)于各類增材制造成形工藝。在激光選區(qū)熔化成形中，工藝參數(shù)不合理主要表現(xiàn)為線能量密度偏低、搭接率不足及層厚過(guò)大。當(dāng)線能量密度接近工藝窗口下限時(shí)，若出現(xiàn)鋪粉不均勻、煙塵遮擋或能量輸入小幅波動(dòng)等情況，便可能引發(fā)局部未熔合；搭接率偏小或?qū)雍襁^(guò)大則易在相鄰掃描道搭接區(qū)域形成條狀未熔合。在直接能量沉積成形中，除線能量密度偏小和搭接率不足外，粉末或絲材送給速度過(guò)快、成形路徑不合理等因素同樣可能誘發(fā)未熔合缺陷。此類未熔合往往隨機(jī)出現(xiàn)，尺寸可達(dá)數(shù)毫米，在大尺寸或復(fù)雜結(jié)構(gòu)件中容易漏檢，危害較大。

由于未熔合與夾雜物尺寸相近，在低倍金相顯微鏡下觀察時(shí)易被誤判為夾雜物。區(qū)分未熔合與夾雜物，除依據(jù)形貌和分布特征外，可采用微納CT技術(shù)進(jìn)行鑒別——未熔合在CT圖像中呈現(xiàn)孔洞狀結(jié)構(gòu)。亦可借助掃描電鏡觀察，未熔合缺陷內(nèi)壁可觀察到自由表面形貌。鑒于未熔合主要出現(xiàn)于工藝開發(fā)階段，通過(guò)嚴(yán)格的工藝認(rèn)證和過(guò)程控制可有效避免此類缺陷的產(chǎn)生。

3、夾雜物

夾雜物是增材制造金屬材料中的一類常見(jiàn)缺陷，其尺寸通常較小，多在幾十微米量級(jí)，但對(duì)材料性能的危害通常高于同等尺寸的孔洞。從來(lái)源角度，夾雜物可分為外來(lái)混入型和在增材制造過(guò)程中生成型；從形態(tài)特征來(lái)看，夾雜物多呈不規(guī)則形狀，部分質(zhì)地致密，部分質(zhì)地疏松；從成分組成上，則可分為非金屬夾雜物和金屬夾雜物。夾雜物主要出現(xiàn)在以粉末為成形材料的增材制造工藝中，如激光選區(qū)熔化、電子束選區(qū)熔化及激光直接沉積成形等，而電子束熔絲沉積和電弧熔絲沉積因使用絲材作為原料，極少出現(xiàn)夾雜物。

外來(lái)混入的夾雜物主要有三個(gè)來(lái)源。第一個(gè)來(lái)源是合金熔煉及粉末制備過(guò)程中，由坩堝、噴嘴等陶瓷容器帶入的氧化物陶瓷顆粒，常見(jiàn)的有Al?O?、SiO?、ZrO?、MgO、CaO等。此類顆粒質(zhì)地致密、棱角分明、邊界清晰，在金相顯微鏡下易于識(shí)別。此外，在真空感應(yīng)熔煉制粉過(guò)程中，若對(duì)原材料質(zhì)量控制不嚴(yán)或入爐前清理不徹底，也可能帶入其他金屬氧化物類夾雜物。第二個(gè)來(lái)源是粉末在使用過(guò)程中，經(jīng)分篩、凈化處理、轉(zhuǎn)運(yùn)或共用增材制造設(shè)備時(shí)混入的金屬或非金屬顆粒異物。特別是當(dāng)不同合金共用粉末分篩設(shè)備或增材制造設(shè)備時(shí)，易混入異種成分的粉末顆粒。這類夾雜物在增材制造過(guò)程中通常與熔池金屬一同熔化混合，成為合金中的雜質(zhì)成分，熔池凝固后一般難以直接觀察。只有當(dāng)金屬顆粒表面存在較厚氧化膜時(shí)，才可能形成球形未熔合，從而顯現(xiàn)為金屬顆粒夾雜物。第三個(gè)來(lái)源是空心粉末，部分空心粉內(nèi)部并非空洞，而是填充了疏松的氧化物，熔池凝固后形成夾雜物。此類夾雜物在鋁合金激光選區(qū)熔化中較為常見(jiàn)。

增材制造過(guò)程中形成的夾雜物主要指成形過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺顆粒及煙塵沉積物。這些金屬氧化物與粉末混合后，在后續(xù)粉末分篩和凈化處理過(guò)程中難以完全去除，再次用于成形時(shí)便轉(zhuǎn)化為夾雜物。由于這類夾雜物是在增材制造過(guò)程中生成的，粉末循環(huán)使用次數(shù)越多，其累積量越大。因此，對(duì)于重要結(jié)構(gòu)件，應(yīng)限制粉末的循環(huán)使用次數(shù)或控制新舊粉末的混合比例。事實(shí)上，由空心粉和飛濺形成的夾雜物在尺度、形態(tài)和成分上較為相似，不易區(qū)分，對(duì)力學(xué)性能的影響也大體相當(dāng)，因此從產(chǎn)品驗(yàn)收的角度并無(wú)必要進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分。此處對(duì)夾雜物引入途徑進(jìn)行區(qū)分的意義在于，為增材制造全流程中夾雜物的控制提供思路和依據(jù)。

夾雜物對(duì)力學(xué)性能具有顯著影響，其危害通常大于同等尺度的氣孔。無(wú)論是外部帶入的陶瓷類夾雜物，還是成形過(guò)程中形成的氧化物，其質(zhì)地均較為硬脆，難以與周圍金屬形成有效的冶金結(jié)合。當(dāng)結(jié)構(gòu)承受拉伸應(yīng)力時(shí)，金屬基體通過(guò)滑移發(fā)生塑性變形，而夾雜物因硬脆特性無(wú)法與基體協(xié)同變形，導(dǎo)致其周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中和位錯(cuò)塞積。當(dāng)應(yīng)力和位錯(cuò)積累至一定程度時(shí)，夾雜物與金屬基體的界面開裂，形成裂紋源。對(duì)于強(qiáng)度較低的夾雜物，在應(yīng)力作用下其自身也可能率先開裂，同樣成為裂紋源。此外，由于夾雜物與金屬基體的線膨脹系數(shù)存在差異，高溫下夾雜物界面處的熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力相互疊加。同時(shí)，高溫促進(jìn)位錯(cuò)滑移。因此，相較于室溫力學(xué)性能，夾雜物對(duì)材料的高溫持久性能影響更為顯著，與同尺寸氣孔相比，夾雜物對(duì)高溫持久性能的危害更大。無(wú)論何種性質(zhì)的夾雜物，均應(yīng)嚴(yán)格控制其尺寸和數(shù)量。特別是對(duì)于承受疲勞載荷的航空重要及關(guān)鍵增材制造零件，通常需經(jīng)熱等靜壓處理后使用，若此時(shí)夾雜物水平較高或尺度較大，零件的疲勞壽命仍將大幅下降。

4、裂紋

裂紋是增材制造金屬材料中常見(jiàn)的一類面缺陷，也是對(duì)結(jié)構(gòu)完整性危害最大的缺陷類型。從尺度上，裂紋可分為微觀裂紋(亦稱微裂紋)和宏觀裂紋(亦稱開放裂紋)；從形成機(jī)理上，則可分為熱裂紋和冷裂紋。通常，熱裂紋尺度較小，多歸屬于微觀裂紋范疇；冷裂紋尺度較大，常表現(xiàn)為宏觀裂紋。增材制造金屬材料中裂紋的形成機(jī)制較為復(fù)雜，往往并非單一機(jī)制主導(dǎo)。為便于系統(tǒng)討論，本文以裂紋尺度為主線進(jìn)行分類闡述。

裂紋對(duì)材料與結(jié)構(gòu)的危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：其一，裂紋的存在減小了結(jié)構(gòu)的有效承載截面積，從而降低其靜載荷承載能力；其二，裂紋可直接作為疲勞裂紋源，顯著縮短疲勞裂紋萌生時(shí)間，大幅降低材料的疲勞壽命；其三，在微裂紋尖端區(qū)域易形成強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，局部應(yīng)力遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)所受的平均應(yīng)力，當(dāng)材料塑性或韌性較低時(shí)，極易誘發(fā)脆性斷裂。此外，若增材制造過(guò)程中殘余應(yīng)力持續(xù)累積，當(dāng)局部區(qū)域由殘余應(yīng)力引起的應(yīng)變超過(guò)材料的變形能力時(shí)，便可能產(chǎn)生大尺寸開放式裂紋，直接導(dǎo)致零件報(bào)廢。裂紋的類型及其表現(xiàn)形式受成形方法和工藝參數(shù)的影響，但其產(chǎn)生的根本原因則由材料成分的本質(zhì)所決定。

4.1 微裂紋

增材制造中的微裂紋屬于熱裂紋范疇，其形成機(jī)制主要可分為兩類[3,21]。一類是在熔池結(jié)晶過(guò)程中形成的結(jié)晶裂紋，亦稱凝固裂紋。其形成過(guò)程為：在熔池結(jié)晶后期，材料處于固-液共存狀態(tài)時(shí)，枝晶間存在不連續(xù)的液態(tài)薄膜。隨著熔池冷卻收縮，處于液態(tài)薄膜狀態(tài)的少量金屬既無(wú)法在枝晶間自由流動(dòng)填充空隙，也難以承受金屬收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致開裂形成裂紋。另一類微裂紋形成機(jī)制與增材制造過(guò)程中的熱循環(huán)有關(guān)，即枝晶間的低熔點(diǎn)相在循環(huán)熱作用下發(fā)生液化，并在應(yīng)力作用下沿液相開裂，稱為液化裂紋。熱裂紋表面有金屬熔化現(xiàn)象，存在明顯的胞狀樹枝晶或樹枝晶突起。凝固裂紋與液化裂紋的形成機(jī)理示意圖如圖7[22]所示。

根據(jù)成形方法的不同，結(jié)晶裂紋和液化裂紋的長(zhǎng)度通常為幾十微米至幾百微米。合金元素對(duì)結(jié)晶裂紋和液化裂紋的形成具有顯著影響，主要體現(xiàn)在其對(duì)結(jié)晶溫度區(qū)間的作用上：結(jié)晶溫度區(qū)間越大，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋和液化裂紋的傾向也越大。

4.1.1 鋁合金微裂紋

AlSi7Mg、AlSi10Mg等Al-Si共晶合金不易形成熱裂紋，無(wú)論采用激光選區(qū)熔化還是電弧熔絲成形工藝，其熱裂紋傾向均很低[25-27]。當(dāng)鋁合金成分偏離共晶點(diǎn)時(shí)，固-液相線區(qū)間變寬，枝晶間易形成低熔點(diǎn)液膜，在冷卻過(guò)程中熱應(yīng)力作用下易形成熱裂紋[28-32]。鋁合金熱裂紋主要受化學(xué)成分影響，化學(xué)成分的變化會(huì)改變結(jié)晶溫度區(qū)間、低熔點(diǎn)共晶含量以及晶粒形貌與尺寸，進(jìn)而影響熱裂紋敏感性。一般而言，縮小結(jié)晶溫度區(qū)間和細(xì)化晶?？山档弯X合金的熱裂紋傾向。將低熔點(diǎn)共晶含量控制在適當(dāng)水平，避開敏感區(qū)間，同樣有助于降低熱裂紋傾向。此外，在鋁合金中少量添加Ti、B、Sc、Zr等合金元素，可細(xì)化晶粒、調(diào)整枝晶結(jié)構(gòu)、破壞液膜連續(xù)性，從而降低熱裂紋傾向[34-38]。

4.1.2 高溫合金微裂紋

高溫合金增材制造的熱裂傾向與合金成分、工藝方法密切相關(guān)，其中合金成分是最重要的影響因素[39-41]。GH3625和GH4169合金的熱裂紋傾向較小，適合進(jìn)行增材制造[42-46]。而GH3536和GH3230合金的熱裂紋傾向較大，易出現(xiàn)沿晶界分布的細(xì)小裂紋[47-49]。K418B、K447A、DD5等鑄造高溫合金均具有較高的熱裂傾向，即使通過(guò)材料成分和增材制造工藝優(yōu)化，也難以顯著降低裂紋數(shù)量。這類合金采用電子束選區(qū)熔化成形時(shí)，由于可實(shí)現(xiàn)1000 ℃以上的預(yù)熱，能在一定程度上減少熱裂紋。GTD222、K439B、K477合金的熱裂傾向相對(duì)較低，經(jīng)過(guò)材料成分和增材制造工藝優(yōu)化后，其單位面積熱裂紋數(shù)量遠(yuǎn)低于GH3230合金，與GH3536合金相當(dāng)，部分批次試樣上甚至觀察不到熱裂紋。

4.2 宏觀裂紋

宏觀裂紋是相對(duì)于微裂紋而言的一類缺陷，呈大尺寸開放狀態(tài)，通常在冷卻過(guò)程中形成，故亦稱冷裂紋。一般而言，成形材料的室溫塑性越低，結(jié)構(gòu)尺寸越大，截面突變?cè)絼×?，產(chǎn)生宏觀裂紋的傾向性越高。

4.2.1 增材制造過(guò)程中形成的宏觀裂紋

增材制造過(guò)程中形成的宏觀裂紋主要是由于累積的殘余應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變超過(guò)了材料自身的塑性變形能力，從而引發(fā)開裂。因此，評(píng)估合金是否適于增材制造的重要指標(biāo)之一便是沉積態(tài)材料的斷后伸長(zhǎng)率。為提高金屬材料的綜合性能，各類合金的合金化程度通常不斷提高，這在一定程度上增加了增材制造過(guò)程中宏觀裂紋的產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。以高強(qiáng)鋁合金為例，圖8為AlFeMoSi高強(qiáng)鋁合金研制過(guò)程中試樣出現(xiàn)的冷裂紋。試樣在增材制造時(shí)，冷裂紋絕大部分萌生于試樣邊緣。對(duì)于20 mm×20 mm×20 mm的小尺寸試樣，即使合金塑性較低，累積的殘余應(yīng)力也不足以引發(fā)開放式開裂。然而，當(dāng)進(jìn)一步提高材料的合金化程度，使材料的沉積態(tài)屈服強(qiáng)度接近600 MPa時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率將降至5%以下，此時(shí)試樣便會(huì)發(fā)生宏觀開裂。需要指出的是，合金沉積態(tài)塑性是影響宏觀裂紋形成的決定性因素，但零件的尺寸和構(gòu)型特征同樣是影響宏觀裂紋產(chǎn)生的重要影響因素。

4.2.2 熱處理過(guò)程中形成的宏觀裂紋

一些增材制造零件在成形及放置過(guò)程中未出現(xiàn)宏觀裂紋，但在后續(xù)熱處理時(shí)卻發(fā)生宏觀開裂，裂紋可貫穿零件的局部結(jié)構(gòu)。這類裂紋主要出現(xiàn)在GTD222、GH439B、GH438、K477等高Al、Ti含量高溫合金的激光選區(qū)熔化成形零件上，如圖9所示。

增材制造高溫合金在熱處理過(guò)程中出現(xiàn)宏觀裂紋，通常具備以下幾個(gè)特征：一是合金中Al、Ti含量較高；二是沉積態(tài)抗拉強(qiáng)度很高，而斷后伸長(zhǎng)率較低；三是合金在700~1000 ℃溫度范圍內(nèi)斷后伸長(zhǎng)率存在明顯低谷現(xiàn)象。以GTD222高溫合金為例，其(Al+Ti)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3.5%，在760~900 ℃區(qū)間內(nèi)斷后伸長(zhǎng)率極低，僅約1.5%，高溫段斷后伸長(zhǎng)率下降顯著。因此，雖然該合金在激光選區(qū)熔化過(guò)程中的熱裂紋傾向較低，但所制造零件在后續(xù)熱處理過(guò)程中易出現(xiàn)宏觀裂紋。

綜上所述，設(shè)計(jì)適用于增材制造的耐更高溫度高溫合金時(shí)，需同時(shí)解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是具備低熱裂紋敏感性，即在增材制造過(guò)程中熱裂紋傾向低或不產(chǎn)生熱裂紋；二是不產(chǎn)生熱處理宏觀裂紋。因此，在設(shè)計(jì)合金成分時(shí)，應(yīng)采用多種強(qiáng)化機(jī)制，兼顧高溫性能與工藝性能。

5、熱等靜壓對(duì)缺陷的影響

通過(guò)材料成分優(yōu)化、工藝調(diào)控、工藝過(guò)程控制，可在一定程度上減少增材制造金屬材料中的缺陷，但難以完全避免。熱等靜壓是一種通過(guò)在高溫高壓條件下使材料發(fā)生塑性變形，促使孔洞、裂紋等冶金缺陷閉合，并使閉合界面在高溫下通過(guò)原子間相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的后處理方法。目前，熱等靜壓已成為增材制造成形后減少和消除孔洞、微裂紋等缺陷的有效手段。

5.1 熱等靜壓閉合增材制造缺陷的效果

熱等靜壓能夠使毫米級(jí)大尺寸孔洞縮小，并使幾十微米級(jí)小尺寸孔洞完全消失。表1展示了激光選區(qū)熔化GH4169合金在熱等靜壓前后孔洞的變化情況。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)熱等靜壓處理后，孔洞數(shù)量和尺寸均顯著降低。熱等靜壓閉合孔洞的效果與處理溫度、壓力及時(shí)間參數(shù)密切相關(guān)，參數(shù)越強(qiáng)，孔洞閉合效果越好。然而，在工程應(yīng)用中，受材料特性、設(shè)備能力及成本控制等因素的限制，難以將所有孔洞完全閉合。根據(jù)具體合金的特性，適當(dāng)提高熱等靜壓溫度和壓力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)更大尺寸孔洞的有效閉合。

由于熱等靜壓是通過(guò)高溫高壓氣體對(duì)零件整體施加均勻壓力，因此對(duì)于內(nèi)部封閉型缺陷能夠有效閉合。然而，對(duì)于表面開口或近表面缺陷，加壓過(guò)程中氣體易進(jìn)入缺陷內(nèi)部，使內(nèi)外壓力平衡，導(dǎo)致缺陷無(wú)法閉合[50]。圖10展示了熱等靜壓對(duì)激光選區(qū)熔化GH3230高溫合金微裂紋的影響。由圖可見(jiàn)，熱等靜壓后材料內(nèi)部微裂紋得到了有效閉合，但表面約1 mm厚區(qū)域的微裂紋無(wú)法閉合。由此可見(jiàn)，對(duì)于增材制造過(guò)程中形成的表面開口孔洞、開口微裂紋及宏觀裂紋，熱等靜壓的閉合效果不理想，甚至難以實(shí)現(xiàn)閉合。

熱等靜壓通過(guò)高溫高壓作用，誘導(dǎo)材料內(nèi)部發(fā)生塑性變形及溶質(zhì)元素?cái)U(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)缺陷的閉合[51-52]。熱等靜壓閉合缺陷的機(jī)理示意圖如圖11[53]所示。在熱等靜壓的初始階段，由于壓力和溫度較低，材料未發(fā)生顯著的塑性變形(圖11(b))。隨著壓力與溫度升高至一定程度，材料內(nèi)部發(fā)生持續(xù)塑性變形，并在缺陷周圍形成應(yīng)變場(chǎng)(圖11(c))。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，塑性變形的不均勻性導(dǎo)致缺陷形狀出現(xiàn)不規(guī)則變化(圖11(d))。在持續(xù)塑性變形作用下，大尺寸缺陷逐漸分解為較小的不規(guī)則缺陷(圖11(e))。與此同時(shí)，變形區(qū)域內(nèi)的位錯(cuò)發(fā)生重排，形成亞晶粒結(jié)構(gòu)，從而在缺陷閉合區(qū)域形成再結(jié)晶組織(圖11(f))。最終，缺陷內(nèi)表面相互接觸，缺陷得以消除[53]。針對(duì)增材制造GH4975高溫合金的研究表明，在熱等靜壓過(guò)程中，Al、Ti元素在溫度、壓力及裂紋內(nèi)O元素的共同作用下向裂紋處擴(kuò)散。裂紋閉合后，各元素在溫度驅(qū)動(dòng)下再次向鄰近區(qū)域擴(kuò)散。因此，經(jīng)熱等靜壓處理后，裂紋處O元素含量較高，Al、Ti元素含量接近基體水平，Ni元素含量恢復(fù)至正常狀態(tài)[52]。

需要注意的是，若缺陷內(nèi)部存在其他物質(zhì)，則會(huì)阻礙金屬原子的相互擴(kuò)散，使界面難以實(shí)現(xiàn)真正的冶金結(jié)合，僅形成物理貼合。對(duì)于未熔合或由空心粉引入的孔洞，其內(nèi)表面往往存在氧化膜，由于氧化膜的阻擋作用，閉合后的界面難以形成冶金結(jié)合。而對(duì)于顆粒狀或團(tuán)絮狀?yuàn)A雜物，熱等靜壓后基體保持原始狀態(tài)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的冶金結(jié)合。此外，如果氣孔中的氣體為活性氣體，高溫下可能會(huì)與金屬發(fā)生反應(yīng)，在氣孔內(nèi)表面形成反應(yīng)產(chǎn)物，擴(kuò)散后可能導(dǎo)致冶金結(jié)合不良。

表1 熱等靜壓對(duì)激光選區(qū)熔化GH4169高溫合金孔洞的影響

5.2 熱等靜壓對(duì)力學(xué)性能的影響

熱等靜壓處理后，由于材料內(nèi)部絕大部分缺陷得到有效閉合，其疲勞性能獲得顯著改善，主要表現(xiàn)為疲勞性能數(shù)據(jù)的分散度降低，疲勞極限的置信度提高。當(dāng)熱等靜壓所采用的最高溫度與合金的熱處理規(guī)范合理匹配時(shí)，還可在一定程度上進(jìn)一步提升疲勞極限。通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，采用激光選區(qū)熔化工藝制備了致密度為99.5%的TC4鈦合金試樣，并對(duì)其在熱等靜壓前后的疲勞性能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。結(jié)果表明，熱等靜壓處理不僅降低了疲勞性能的分散度，還將疲勞極限由約650 MPa提升至約700 MPa。

上述激光選區(qū)熔化鈦合金疲勞性能的改善主要?dú)w因于缺陷的閉合。而對(duì)于高溫合金的室溫拉伸、高溫拉伸及高溫持久等靜力學(xué)性能而言，其改善則源于兩個(gè)方面：一是熱等靜壓過(guò)程中缺陷的閉合；二是熱等靜壓的熱效應(yīng)對(duì)材料組織及析出相的調(diào)控作用。若熱等靜壓溫度高于高溫合金的固溶溫度，則熱等靜壓還兼具均勻化處理的效果，對(duì)合金的析出相特征產(chǎn)生顯著影響。表2對(duì)比了激光選區(qū)熔化GH4169合金在固溶時(shí)效(solution and aging，SA)態(tài)與經(jīng)1180 ℃熱等靜壓+固溶時(shí)效后，橫向試樣的室溫拉伸、650 ℃高溫拉伸及650 ℃/690 MPa高溫持久性能。結(jié)果顯示，熱等靜壓處理后各項(xiàng)性能均得到明顯改善。鑒于孔洞對(duì)高溫合金靜力學(xué)性能的影響相對(duì)有限，GH4169合金經(jīng)熱等靜壓后靜力學(xué)性能的提升，更多來(lái)源于熱等靜壓熱過(guò)程對(duì)顯微組織的優(yōu)化調(diào)整。

因此，增材制造零件是否需要采用熱等靜壓處理，應(yīng)綜合考慮合金特性、缺陷特征及服役載荷條件等因素進(jìn)行系統(tǒng)分析判斷，并據(jù)此制定合理的熱等靜壓工藝參數(shù)。

表2 熱等靜壓對(duì)激光選區(qū)熔化GH4169高溫合金力學(xué)性能的影響

6、結(jié)束語(yǔ)

增材制造技術(shù)以其逐層疊加的成形原理，突破了傳統(tǒng)工藝在復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造方面的約束，為航空航天輕量化構(gòu)件、個(gè)性化醫(yī)療植入體及功能梯度材料的一體化成形提供了全新技術(shù)路徑。然而，這種獨(dú)特的制造過(guò)程也導(dǎo)致材料缺陷在類型、形成機(jī)制和形貌特征等方面呈現(xiàn)出顯著的特殊性。近年來(lái)，隨著研究的不斷深入，已初步揭示了增材制造金屬材料中常見(jiàn)缺陷的類型及成因，并在一定程度上揭示了缺陷對(duì)材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。表3給出了增材制造金屬材料中典型缺陷的形貌特點(diǎn)、形成機(jī)理、常見(jiàn)工藝與典型圖片。

在實(shí)際生產(chǎn)中，增材制造金屬零件的缺陷形成與抑制受多種因素的共同影響，導(dǎo)致缺陷在類型、形態(tài)及分布上表現(xiàn)出顯著差異。中心前期采用X射線檢測(cè)、熒光滲透檢測(cè)及超聲檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)方法，對(duì)多種零件的內(nèi)部及表面質(zhì)量進(jìn)行了全面評(píng)估。圖12展示了不同無(wú)損檢測(cè)方法檢出的典型缺陷，圖中箭頭所指區(qū)域即為缺陷所在位置。中心多年的研究結(jié)果表明，為獲得高質(zhì)量的增材制造產(chǎn)品，必須從原材料質(zhì)量控制、人員技能培訓(xùn)、生產(chǎn)環(huán)境管理、設(shè)備狀態(tài)維護(hù)、工藝過(guò)程控制、后處理工藝優(yōu)化以及檢測(cè)與評(píng)價(jià)等多個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施系統(tǒng)性的質(zhì)量管控。只有建立覆蓋全生產(chǎn)流程的協(xié)同控制體系，才能最大程度抑制缺陷的形成，確保零件獲得良好的冶金質(zhì)量。

增材制造金屬材料的缺陷控制雖已取得顯著進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)其在航空航天、醫(yī)療器械、能源裝備等關(guān)鍵工程領(lǐng)域的安全可靠應(yīng)用，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。增材制造金屬材料的缺陷研究未來(lái)可從以下方面進(jìn)一步深入推進(jìn)：

(1) 揭示缺陷形成機(jī)理與工藝映射關(guān)系

當(dāng)前對(duì)缺陷形成機(jī)制的理解缺乏系統(tǒng)的理論支撐和定量化模型。未來(lái)研究應(yīng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究與多尺度數(shù)值模擬的協(xié)同發(fā)展，建立涵蓋原材料特性、熔池動(dòng)力學(xué)、凝固行為與缺陷演變的跨尺度耦合模型。重點(diǎn)研究原材料特征參數(shù)對(duì)氣孔、未熔合、夾雜等缺陷形成的定量影響機(jī)制，系統(tǒng)探索增材制造關(guān)鍵工藝參數(shù)與缺陷類型、尺寸、形態(tài)及空間分布之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。尤其應(yīng)借助高時(shí)空分辨率的原位表征手段，如同步輻射X射線成像、高速紅外熱像儀、高速光學(xué)攝像等，對(duì)缺陷的形核、生長(zhǎng)及演化過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤與解析。揭示缺陷形成的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)缺陷的主動(dòng)調(diào)控和工藝窗口的精準(zhǔn)優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

(2) 開發(fā)增材制造專用金屬材料

目前增材制造領(lǐng)域廣泛使用的金屬材料多直接沿用鑄造、鍛造等傳統(tǒng)工藝的材料牌號(hào)，其化學(xué)成分并未針對(duì)增材制造快速熔化與凝固、高溫度梯度、復(fù)雜熱循環(huán)等工藝特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致成形過(guò)程中易發(fā)生開裂。因此，亟須從材料設(shè)計(jì)的源頭出發(fā)，圍繞增材制造獨(dú)特的熔凝行為與熱力學(xué)條件，開發(fā)具有良好工藝適應(yīng)性和服役性能的專用合金體系。應(yīng)結(jié)合相圖計(jì)算、熱力學(xué)模擬、高通量實(shí)驗(yàn)與機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，系統(tǒng)研究合金元素對(duì)凝固區(qū)間、熱膨脹系數(shù)、相變路徑等的影響機(jī)制，探索微合金化、納米顆粒增強(qiáng)等策略在細(xì)化晶粒、抑制裂紋、調(diào)控缺陷方面的作用規(guī)律。推動(dòng)形成面向不同增材制造工藝的專用材料設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，推動(dòng)新型合金粉末與絲材的研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)材料成分與制造工藝的協(xié)同優(yōu)化，從源頭抑制缺陷的產(chǎn)生，提升材料的可制造性與服役可靠性。

(3) 建立面向零件服役要求的缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前增材制造零件的缺陷評(píng)價(jià)多沿用傳統(tǒng)制造領(lǐng)域的統(tǒng)一驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，未能充分考慮增材制造缺陷的特殊性及其與服役性能之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)，缺乏針對(duì)性與科學(xué)性。未來(lái)應(yīng)系統(tǒng)研究缺陷類型、尺寸、形態(tài)、空間分布及取向在不同載荷條件(如高周疲勞、低周疲勞、拉伸、斷裂、沖擊等)下對(duì)力學(xué)行為的影響機(jī)制，建立缺陷特征與力學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)模型。發(fā)展涵蓋顯微組織、缺陷特征與力學(xué)性能的綜合評(píng)價(jià)方法，揭示缺陷在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的演化規(guī)律與失效機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合航空航天、生物醫(yī)療、能源動(dòng)力等典型領(lǐng)域零件的服役工況與失效模式，推動(dòng)建立分級(jí)化、行業(yè)適配、風(fēng)險(xiǎn)可控的增材制造零件缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)體系。在保障零件服役安全的前提下，兼顧制造成本與效率的平衡。

(4) 研究智能化在線監(jiān)測(cè)與閉環(huán)控制技術(shù)

增材制造過(guò)程中形成的缺陷通常具有尺寸微小、分布隨機(jī)、來(lái)源復(fù)雜、演化迅速等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的事后檢測(cè)手段難以實(shí)現(xiàn)有效控制。因此，亟須發(fā)展高分辨率、高采集速度、多模態(tài)融合的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。應(yīng)整合多種傳感手段，如高速攝像監(jiān)測(cè)熔池動(dòng)態(tài)、紅外熱成像監(jiān)測(cè)溫度場(chǎng)分布、光學(xué)相干斷層掃描監(jiān)測(cè)層間形貌等，構(gòu)建覆蓋成形全過(guò)程的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能算法，建立工藝異常與缺陷特征的模式識(shí)別與實(shí)時(shí)診斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣孔、未熔合、夾雜物等缺陷的早期預(yù)警與定位。進(jìn)一步開發(fā)基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)缺陷抑制與工藝過(guò)程的自適應(yīng)優(yōu)化。逐步構(gòu)建"在線感知-智能診斷-實(shí)時(shí)調(diào)控-質(zhì)量追溯"的一體化智能制造體系，提升增材制造零件質(zhì)量的一致性與工藝穩(wěn)定性。

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（注，原文標(biāo)題：增材制造金屬材料典型缺陷研究進(jìn)展_張學(xué)軍）