摘要:

综述 ● 开放获取阅读更多

1.文章导读

目前，金属增材制造技术虽然已被广泛应用，但仍然面临内部缺陷多，残余应力显著，组织调控难等问题。金属增材复合制造（Metal Hybrid Additive Manufacturing, MHAM）是一种同步或交替复合减材、形变或辅助能量场等加工方法，以协同提升制件尺寸精度与综合性能的先进制造技术。该技术可实时调控熔池流动模式、微观结构及残余应力分布，全面提升零件成形质量与综合性能，是推动金属材料高性能制造的重要方法。

近期，西安交通大学张琦教授团队在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“Recent advances in metal hybrid additive manufacturing: a comprehensive review”的系统性综述，全面梳理了金属增材复合制造的技术框架与定义，深入剖析了各类复合制造技术的作用原理与调控机制，探讨了其对材料致密化、微观结构演化、残余应力及力学性能的影响规律，评判了应用前景，并针对现有技术瓶颈、多技术集成挑战及智能化发展方向进行了展望。

图1 增材复合制造技术分类以及对材料性能的影响。

2. 图文解析

  增减材复合制造  

增减材复合制造将减材制造与增材制造原位集成于同一设备，有效解决了传统增材制造零件尺寸精度低、表面质量差的问题。目前Yamazaki Mazak等企业已推出了商业化设备并实现初步工业应用。图2展示了增减材复合制造技术对零件表面粗糙度与尺寸精度的提升，为复杂曲面零件高精度一体化制造提供了有效方案。

图2 增减材复合制造改善零件表面粗糙度与尺寸精度。

增等材复合制造

针对增材制造材料孔隙缺陷与残余应力不均的问题，增等材复合制造通过引入成形制造变形场使沉积材料产生塑性变形，实现内部孔隙闭合与有害残余应力消除。图3展示的技术体系涵盖接触式与非接触式变形场集成方法，为改善材料内部质量、缓解残余应力提供了可靠手段。

图3 增等材复合制造技术体系。

能量场辅助增材制造

能量场辅助增材制造是金属增材复合制造的一个重要发展方向，包括磁场辅助增材制造、超声场辅助增材制造、热场辅助增材制造以及多能场辅助增材制造。

图4呈现了磁场对熔池与电弧束的调控机制，辅助磁场可调控熔池流动与凝固模式，促进等轴晶粒形成以提升材料的强度与延伸率。也能均匀电弧能量场，进而调控增材制造晶粒尺寸。

图4 磁场对熔池与电弧束的调控机制。

图5呈现了超声振动对熔池的作用机制，超声场辅助增材制造通过在增材制造过程中引入超声振动搅拌和混合熔池，破碎柱状晶粒，促进等轴晶粒的形成，进而提高了材料的强度。超声振动也能够解决颗粒增强复合材料中增强相的均匀性问题，促进增强颗粒的分散并缓解团簇现象。

图5 超声振动对熔池的调控机制。

热场辅助增材制造能够调控材料凝固过程中的温度场，降低温度梯度，促进等轴晶粒的形成，减少裂纹的萌生，并缓解有害残余应力。图6展示了多种热场辅助增材制造方法，包括基板加热、原材料加热、沉积层加热。这些辅助加热方法可以根据具体制造场景灵活选取以实现材料性能的改善。

图6 热场辅助增材制造技术体系。

多能场辅助增材制造融合了多个辅助能量场的优势，可以为调控沉积材料的微观组织和机械性能带来更多的选择，这将成为未来重点研究的方向。

3. 总结与展望

金属增材复合制造通过引入减材加工，成形加工，辅助能量场等辅助技术，实现了对材料微观组织，成形精度与机械性能的原位调控，是一种高性能成形技术，在航空航天、生物医疗领域有着强大的应用潜力。未来可结合AI，聚焦研发智能化装备、阐明材料性能强化机制、探索多场耦合技术及建立标准工艺数据库，推动增材复合制造技术革新，促进“新质生产力”的发展。