以下文章來源於航空材料學報 ，作者於之傑
金屬材料在飛行器結構中扮演著至關重要的角色。鈦合金和鋁合金廣泛應用于飛行器主承力結構，鎳基合金的高溫性能保障了航空發動機的穩定運行，而合金鋼則是起落架等關鍵承力結構的最優選擇。
航空金屬部件一般由對應的金屬板材通過銑削等機加工方法製成所需的形狀。而由於飛機結構減重的需要，這些部件一般具有加強筋、減重孔等特色結構，這導致從金屬板材到金屬部件的減材製造的過程造成了大量的材料浪費：平均材料利用率不足5%，其中一些具有複雜形狀的部件的材料利用率甚至僅有1%，造成了極大的浪費。不僅如此，高強度金屬的機加工還是十分耗時耗力的，一些大型機身框的機加工需要數月時間，而加工高強鋼的工具機刀具更換周期甚至不到一個小時，這導致航空結構製造的成本始終居高不下。
增材製造通過「離散-堆積」的形式進行材料的製造，具有極高的材料利用率且在複雜結構中的優勢更為明顯，而這種易於製造複雜結構的能力恰恰適用於拓撲優化等航空結構減重的途徑。因此，該方法尤其是金屬增材製造工藝一經問世，立刻得到了航空材料與結構工作者的關注。
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然而，增材製造的特殊工藝也導致其所製造的材料具有四類典型問題：各向異性（掃描和堆疊的方向性）、微觀缺陷（熔融冷卻過程的難控性）、表面質量（邊界效應和粉末粘附）、殘餘應力（複雜快速的熱歷程）。通過旋轉掃描角度降低各向異性、通過基板預熱降低結構殘餘應力等方法能夠一定程度緩解上述四個問題，但這些問題至今仍然未能得到徹底解決，導致增材製造材料的質量和性能（尤其是疲勞性能）往往不如傳統製造的材料，且性能分散性較大，難以滿足當前航空承力結構對疲勞性能和可靠性的要求。
近日，《航空材料學報》期刊中發表的《航空增材製造技術中的跨尺度力學研究進展》一文，即針對增材製造工藝所產生的各類不均勻微結構進行及其所帶來的跨尺度力學性能特性進行了綜述。
圖:增材製造金屬材料熔池凝固產生的魚鱗紋樣微觀非均勻結構
該綜述文章分別介紹了不同尺度下的典型微結構特徵，這些微結構特徵尺度從大到小分別為堆疊方向與掃描平面的各向異性、掃描平面內的魚鱗紋樣、匙孔和偏析等微觀缺陷、晶粒的邊界與取向、晶格的缺陷等。這些微結構是影響增材製造金屬材料性能、各向異性以及分散性的重要原因之一。而一些研究表明，由於金屬塑性變形機制由位錯主導，而微觀結構往往會限制位錯運動，因此這些微觀不均勻結構並非總是不利於材料的力學性能：在剛度、強度、硬度的方面，增材製造的金屬材料能夠達到甚至超越傳統製造的材料，這也符合金屬材料的相增強規律。因此，文章就這一現象的理論方法與研究做了進一步回顧，並提出增材製造金屬材料有望進一步提高其強韌性能的機理和途徑，從而促進金屬增材製造工藝在航空結構中的應用，並展望了該方向的理論與方法的發展。
中國航空研究院是國家級科研事業單位，聚焦「戰略性、整體性、前瞻性、基礎性、共用性」技術研究，研究院新型結構技術研究部致力於先進飛行器結構的相關研究工作。增材製造工藝既是航空結構工作者密切關注的前瞻性技術，也是在航天、軌交、船舶等諸多工業領域的共用性技術，是未來結構設計與製造的重要發展路徑之一，本文作者所在團隊長期致力於拓撲結構及其增材製造的方法、機制、理論的研究。
未來，隨著增材製造等先進位造工藝的發展，材料製造還將面臨更多的工藝所致特殊微結構的問題，這些新工藝包括增減材一體製造、先進焊接工藝、表面強化/改性工藝等。
這些新工藝具有不同的力熱歷程並產生具有不同特點的微結構，從而導致新工藝所制材料的靜力、衝擊、疲勞、腐蝕等性能與傳統製造工藝具有較大差別。由於航空結構的長壽命高可靠性的要求，航空結構領域尤其關注其中的靜力比性能及抗疲勞性能，高比性能將必然結構優化設計和先進工藝應用，而裂紋萌生與擴展的機制均與材料微結構密不可分。因此，在增材製造等先進工藝製造的材料的力學性能及機理、模擬方法、實驗方法等主要方面的還需開展進一步的研究，促進航空材料、結構與製造工藝的性能提升。
原文出處：
於之傑, 徐碧涵, 王向盈, 孫啟星, 王艷飛. 航空增材製造技術中的跨尺度力學研究進展[J]. 航空材料學報, 2023, 43(5): 1-9. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000091