增材制造(additive manufacturing，AM)技術(也稱為三維(3D)打印技術)發展于20世紀80年代后期，是一種集制造技術、信息技術和新材料技術多學科融合發展的新型制造技術[1~3]，因其具有材料設計制造自由度高的特點，給航空航天、交通運輸和生物醫學等領域帶來了革命性變化，更是被美國麥肯錫咨詢公司列入決定未來經濟的十二大顛覆技術之一[2]。有別于傳統減材或等材制造技術，金屬增材制造通過高能束激光、電弧或電子束等熱源使材料之間有效熔合，逐層累加材料構建出三維實體的制造技術，隨著增材制造技術的不斷發展和完善，針對金屬材料逐漸形成了一系列比較成熟的高能束增材制造技術，例如選區激光熔化(SLM)、定向能量沉積(DED)以及電子束熔融(EBM)等。近年來，高能束增材制造合金材料因其獨特的微觀結構和優異的力學性能引起了學者們的廣泛關注，其快速凝固和冷卻的工藝特點更容易獲得精細的組織結構以提高材料的力學性能，在金屬材料開發應用領域具有極大潛力。

金屬材料作為高能束增材制造技術的原料，是保證打印質量的基礎，其成分及質量決定了產品性能，也直接影響了金屬增材制造技術的應用范圍。然而，目前增材制造用合金材料主要基于傳統合金，這些傳統系列合金材料主要基于鑄、鍛、焊等傳統工藝開發，在高能束加工過程中易產生開裂或者性能退化。因此，優化和開發增材制造技術新型材料體系，拓展材料種類和應用范圍顯得尤為重要。

按照材料傳統設計路線，實現材料的開發到產品的應用，通常遵循順序迭代試錯的研發模式[4]：對目標成分進行反復試錯，直至其宏、微觀組織結構達到一定的要求，或者性能滿足某種產品適用標準，而這往往需要很長的時間周期和高昂的經濟成本。而增材制造用粉體材料中的制粉過程更加劇了串聯式材料設計的困難和復雜程度，因此極大限制了增材制造專用材料的研發進展。

在材料開發領域，材料基因工程的思想為未來新材料開發帶來了新的理念，材料基因工程借鑒生物基因研究方法，將材料牌號、成分、結構、性能相互對應關系組成傳統材料獨特的“材料基因數據庫”，但由于增材制造工藝冷卻速率遠高于傳統工藝，傳統數據庫并不適用于增材制造合金材料的開發和設計，因此建立獨特的增材制造材料數據庫至關重要。高通量技術用最少的實驗次數獲得最多的材料數據，極大地加快了新材料的研發速度，并形成了一套完備的新材料開發方法，例如高通量計算平臺的并發式材料計算篩選、離散/梯度變化樣品的高通量制備、材料高通量表征與服役評價等技術[5]。其中，高通量制備和表征是加速新材料開發和材料數據庫構建的關鍵步驟。高通量制備通過一次實驗可制備得到成分特征連續梯度變化或上百個成分離散變化的樣品，高通量表征允許一次實驗對上百個不同特征試樣進行表征，通過高通量制備和表征可同時獲得大量實驗數據，以求最少的樣品制備、最小的體積消耗的情況下快速智能地對材料成分的數據進行評估和預測[6]。高通量制備和表征成分梯度材料，可以獲得新合金材料或新合金成分，構建材料成分-結構-性能內在聯系以及完善材料數據庫，使得新材料開發簡單化、科學化，高通量材料開發流程與傳統試錯流程對比如圖1所示。

通過材料基因工程思想解決增材制造領域材料研發難題是增材制造研究的重點，利用高通量制備與表征手段建立成分-結構-性能之間的聯系，不僅能在最小成本下快速篩選極端成分點，充分發掘材料潛力，加速增材制造專用材料的開發，還可以快速完善增材制造材料數據庫，通過大數據技術和高通量手段實現新材料的預測和驗證。本文通過回顧增材制造傳統系列材料的研究現狀引出不同材料體系中的研發前沿方向，并通過材料基因工程思想對不同材料性能提高手段進行分析，最后闡述了高通量技術在增材制造材料開發上的前景和挑戰。

目前最常見的增材制造合金材料包括鋼材、鈦合金、鎳合金、鋁合金和銅合金[7~11]，這些材料在過去幾年中已被廣泛研究和討論。該部分通過材料成分角度簡要總結了鋁合金、鈦合金和鋼的組織結構的演變規律，引出增材制造合金材料在微觀、介觀、宏觀層面面臨的幾個關鍵問題，并論述了高通量增材制造材料設計方法在解決這些問題方面的獨特優勢，如圖2[12~15]所示。通過高通量增材制造制備和表征梯度試樣，開發和優化增材制造新合金材料，解決不同尺度下增材制造材料面臨的科學難題，有望推動航空航天關鍵部件性能進一步提升。

鋁合金作為航空航天和交通運輸領域重要的輕質結構材料，是增材制造技術廣泛應用和研究的材料之一。鋁合金通常采用鍛造等傳統方式成形，具有優異的力學性能，其合金體系龐大，元素種類繁多，第二相復雜，但由于Al對氧敏感，能量吸收率低，高凝固收縮和導熱的特性，通過高能束增材制造方式成形困難[16]。開裂是增材制造鋁合金最常見的失效形式，原因在于熔池內非平衡凝固致使溶質富集，液相平衡線改變導致成分過冷，柱狀枝晶交錯生長形成晶間通道，冷卻過程中液相凝固收縮和熱收縮產生空洞和微裂紋，并通過晶粒內或晶間擴展最終引起開裂[17]。共晶元素可以降低凝固范圍從而減少熱裂傾向，例如Si元素可以降低鋁合金熔點和熱膨脹，提高熔體流動性，并在晶界以納米顆粒形式析出增強Al基體[18]，這也是Al-Si系鋁合金研究最早且打印工藝最成熟的原因。典型的AlSi10Mg合金在增材制造高冷速條件下，表現出良好的可打印性和精細的微觀結構，具有高于鑄造接近鍛造合金的力學性能。然而由于增材制造有別于傳統制造的熱過程，沉淀相的形成存在很大差異，導致其他系列傳統鋁合金仍然較難直接通過增材制造方式制造或難以達到所需結構和性能，例如傳統時效Al-Cu合金在基體內形成均勻細小的板狀Al2Cu沉淀相，顯著增強Al-Cu合金性能[19]，而增材制造Al-Cu系列合金在凝固過程中Cu元素在晶界處偏析，Al2Cu或其他三元共晶相在晶界處形成并隨著熱循環逐漸粗化和連通，導致了較低的抗裂性[20]，不難發現增材制造鋁合金中第二相的析出對成形性以及性能提升十分重要。

近年來，研究[17]表明添加形核劑是一種有效的提高鋁合金打印性和力學性能的成分改性方法，例如，ZrH2粉末改性鋁合金7075、6061等。高能束增材制造變形鋁合金過程中，由于溫度梯度的存在，材料內部形成了發達的平行于構建方向的柱狀晶(圖3a[17]和b[21])，晶間空腔和裂紋在凝固收縮引起的殘余應力作用下沿晶間擴展導致開裂。Zr的加入在熔池反應形成Al3Zr，與基體Al相晶格失配度小于0.52%，高冷速下在凝固前沿形成大量低能壘異質形核位點，誘導產生精細無裂紋的異質等軸晶結構(圖3c[22])，表現出接近鍛造合金的力學性能，實現了難打印材料的高性能增材制造[17]。事實證明了成分改性在誘導鋁合金異質形核、促進第二相析出強化方面具有顯著作用，而在合金開發、成分優化以及解決增材制造合金成形問題方面，增材制造高通量制備表現出巨大的潛力。據報道[23,24]，2%Zr (質量分數，下文若非特殊說明，元素成分均為質量分數)改性的鋁合金無裂紋產生，但過度的Al3Zr硬脆相導致材料延展性降低，而Zr含量降低至0.6%時，材料延展性提高但晶粒細化不充分，結合鋁合金改性原理和高通量增材制造優勢，通過增材制造高通量制備和表征Zr含量在0.6%~2%梯度漸變鋁合金試樣，能夠獲得精細的全等軸晶和高強韌組合鋁合金。Jin等[25]在Al-Cu合金中引入0~2%的TiC，誘導均勻的等軸晶形核以及Al2Cu相的均勻析出，高通量制備和表征TiC含量為0~2%梯度變化的Al-Cu合金，能夠篩選得到晶粒最細，強韌性最好的Al-Cu合金。Li等[14]通過在Al-Mn-Mg合金中引入0.5%(Sc + Zr + Hf) (原子分數)過渡元素來誘導等軸晶原位形核以及形成層狀異質結構產生，Al3(Sc, Zr, Hf)和Al6Mn強化相分別在晶界和晶內的析出使材料強度得到顯著提升，通過增材制造高通量制備和表征更能短時間內篩選上百種不同成分比例的(Sc + Zr + Hf)復雜形核劑，快速開發增材制造新型鋁合金并獲得材料的最佳組織結構特性。Leijon等[26]利用共濺射和電子束重熔方式制備出高成分分辨率的Al-Nb和Al-Zr梯度材料，通過組織形貌以及顯微硬度等高通量表征分析發現，Nb含量為1.3%~2.4% (原子分數)時，材料發生柱狀晶向等軸晶的轉變且晶粒顯著細化(圖3d[26])，晶粒細化能夠有效抑制增材制造鋁合金中的熱裂傾向，為新型可增材制造Al-Nb合金成分確定范圍。

由于鈦材料彈性模量低、導熱系數小，采用傳統機加工方式成形困難，周期長且成本高，是公認的傳統難加工材料，增材制造已經成為航空航天領域鈦合金關鍵部件的重要制備方式[27,28]。鈦合金分為α、α+β以及β型鈦合金，隨合金元素種類和含量的不同具有不同的平衡相[29]。例如Al、Si元素的加入有利于α相的穩定，形成具有hcp結構的針狀α/α'鈦合金(圖4a[30])，因其優異抗蠕變性和可焊性，廣泛用于石油化工、交通運輸領域[30]。α+β鈦合金用途最廣(如Ti6Al4V)，除了含有α穩定元素外，還含有β穩定元素，如V、Cr、Mo、Nb，這些元素的加入有利于降低α→β轉變溫度，增大α + β相區，通過增材制造可得到精細的α + β雙相結構(圖4b[31])，這類鈦合金具有優異的強度、延展性、疲勞和抗蠕變性等綜合力學性能，常用于航空航天等領域[31]。繼續增加β穩定元素使得β相能夠在室溫穩定保留，通過增材制造最終形成蜂窩狀β結構鈦合金(圖4c[32])，如Ti-Ta合金，它們具有低彈性模量、高強度質量比、高韌性和疲勞強度，是一種有前途的生物醫學材料[32]。由于增材制造高冷速下顯著的溫度梯度使生長方向與熱梯度方向一致或相近的柱狀β晶粒具有更大的生長優勢，受此影響，α、α+β以及β鈦合金普遍表現出粗大柱狀晶以及外延生長的特點，值得注意的是，α、α+β或β結構均來自優先凝固的β晶，其形狀和尺寸直接影響鈦合金最終的結構和性能。最終形成一定的織構并表現出顯著的各向異性[28,33](圖4d[33~37])。增材制造鈦合金中粗大柱狀晶和織構嚴重限制了其性能的進一步提升，加速了構件的累積損傷失效[33]。

為了避免增材制造鈦合金中柱狀β晶帶來的不利影響，一種有效的辦法是通過引入新元素提高材料成分過冷能力，抵消高熱梯度的負面影響，限制晶粒生長的同時激活更多原子形核，從而形成精細的等軸晶結構[38]。Zhang等[38]利用Ti-Cu合金具有較高的組織過冷能力這一特性，將Cu元素引入鈦合金中，確保在組成過冷區觸發異質成核，使柱狀晶粒完全轉變為等軸晶粒，并且使原β晶粒細化了2個數量級(圖5a和b[38])。這種精細的完全等軸晶粒和共析薄片組織，使Ti-Cu合金具有出色的力學性能，Ti-8.5Cu和Ti-3.5Cu分別表現出優異的強度和延展性(圖5c[38])。Zhang等[39]利用Fe、Cr、Ni等元素偏析過程對鈦合金進行微米級濃度調控，通過添加4.5%316L同樣實現了鈦合金的精細化等軸晶轉變，同時形成了具有高度異質性和超精細的調制α'+β雙相結構鈦合金。結果表明，引入新合金成分提高材料成分過冷能力是增材制造高冷速下實現精細等軸晶轉變的有效手段。通過報道[38,39]可以發現8.5%Cu以及4.5%316L等成分配比的選取可能并非準確，這種成分選取的方式仍遵循傳統試錯模式，難以得到材料的最佳性能組合。增材制造高通量制備具有成分和組織結構特征梯度連續變化的試樣，對成分梯度變化的Ti-(3.5%~8.5%)Cu以及(0~6%)316L調制的鈦合金進行表征，理清成分-結構-性能演變規律，有望得到更精細的全等軸晶結構并實現鈦合金微觀結構和力學性能的最佳搭配，使其性能得到進一步提高。Gong等[40]通過增材制造高通量制備和表征技術研究Ti-xMn (x= 1~12，質量分數，%)梯度合金的微觀結構和顯微硬度關系，建立成分-結構-性能聯系發現，隨著Mn含量的增加結構明顯細化，最終成功發掘得到具有極高的硬度和強度的Ti-Mn合金，這充分證明了增材制造高通量制備和表征手段在快速探索材料成分區間，控制鈦合金微觀結構方面的獨特優勢。引入新元素調控成分過冷，結合增材制造高通量制備技術對鈦合金成分大范圍探索，有望解決鈦合金難以獲得精細的等軸晶結構問題。

鋼材作為最古老應用的金屬材料，也是最早通過增材制造實現打印的金屬材料，具有高強度和良好的延展性，以及出色的耐磨性和耐腐蝕性[41]。鋼材中不同的基體組織(奧氏體、鐵素體、馬氏體)和各種沉淀相(金屬間沉淀物、碳化物)決定這類合金的微觀組織和性能，增材制造通過改變熱過程來控制材料組織結構演變，而高冷卻速率的增材制造鋼形成了與傳統加工顯著不同的微觀結構和性能[42]。目前，增材制造鋼材主要有奧氏體不銹鋼、工具鋼、鐵素體不銹鋼和雙相鋼等，從成分角度來講它們隨著鐵素體穩定元素Cr和奧氏體穩定元素Ni含量的不同，主要形成4種結構，如圖6[43~46]所示。鐵素體和奧氏體不銹鋼中具有高Cr元素含量以保證其耐腐蝕性，不含奧氏體穩定元素的鐵素體不銹鋼，室溫下通常為鐵素體或鐵素體/馬氏體結構，而奧氏體不銹鋼中高Ni含量使其奧氏體結構得以穩定保留。鐵素體不銹鋼在增材制造過程中形成細小的晶粒尺寸，同時伴有均勻分布的納米顆?；蜓趸锍恋?span style="margin: 0px; padding: 0px; box-sizing: border-box; font-size: 10.5px; line-height: 0; position: relative; vertical-align: baseline; top: -0.5em;">[42,47](圖6a[43])，而增材制造奧氏體不銹鋼具有精細的異質結構、高位錯密度、特殊亞結構、大角度晶界以及顯著的元素偏析的綜合結構[48~51](圖6b[44])。馬氏體鋼通常具有少量的Cr元素，如馬氏體時效鋼和含碳工具鋼，它們最終使用的顯微組織均為帶有沉淀物的馬氏體相[52]。高Ni含量的馬氏體時效鋼形成大量的殘余奧氏體，具有優異的延展性，而高C含量的工具鋼中由于碳化物的析出表現為硬脆的馬氏體顯微組織，在熱應力作用下更容易產生開裂。馬氏體時效鋼和含碳工具鋼在凝固過程中均通過微觀偏析使合金元素富集在枝晶間，形成與傳統加工方式截然不同的蜂窩狀/樹枝狀凝固微觀結構[45,53](圖6c[45]和d[46])，成分對最終結構的影響為材料的設計提供了更多的可能。

異質結構(HS)材料是一種由結構不均勻或物理性質顯著差異的區域構成的材料，例如具有第二相顆粒和多相的鋼和合金，通過異質區域間的協調配合，具有顯著的異質變形誘導強化作用[54]。異質結構通常導致各區域力學性能的顯著差異，傳統工藝通常不允許這種非均質結構的產生，而在增材制造材料中它被認為是一種有效的強化手段，在受控結構的協調配合作用下顯現出驚人的力學性能[54]。雙相不銹鋼(duplex stainless steel，DSS)由近等比例的α鐵素體相和γ奧氏體相組成，同時兼具優異的強韌性和耐腐蝕特性[55]。增材制造雙相不銹鋼通常要先在常溫獲得完全鐵素體結構，經過高溫熱處理(1100℃)和快速冷卻來獲得所需的雙相結構[56,57]，而這種方式獲得的雙相鋼兩相組成和結構難以有效控制，無法通過異質結構進一步發掘材料性能潛力。研究[58]發現，作為奧氏體穩定元素，Ni的添加有望解決雙相鋼受控異質結構問題，Li等[58]將22Cr雙相鋼粉與6%Ni混合，在新的成分下通過激光粉末床融合(LPBF)技術獲得受控雙相結構，成功構建出近等比雙相鋼(new duplex steel) (圖7a[58])。Li等[58]還在報道中表明，在觸發bcc相向fcc相過渡的臨界Ni含量下定制打印參數能夠有效控制相組成，而這為雙相鋼甚至其他多相材料個性化異質結構的增材制造提供了一個新的思路，在相變影響元素的臨界成分點，僅通過不同層打印參數的控制就能夠實現材料的層間結構異質。在傳統的鍛造狀態下，馬氏體時效鋼基體中形成均勻分布的精細沉淀相，但打印工藝下沉淀析出效果卻不盡人意，盡管本征熱處理誘導沉淀析出，但存在大量殘余奧氏體，致使強度不能滿足人們的需求。Kürnsteiner等[15]通過添加5%Ti優化馬氏體時效鋼Fe20Ni合金成分，并結合定向能量沉積(DED)工藝特點制備出具有分層析出結構的新型大馬士革鋼(new Damascus steel) (圖7b[15])，分層結構由無納米沉淀物軟化區和含有大量NiTi納米沉淀物的硬化區組成，軟硬區域交替的層狀異質結構使其性能顯著提升，拉伸強度高達1.3 GPa。Li等[58]和Kürnsteiner等[15]利用增材制造技術精確的微觀調控能力，實現了獨特的結構和優異的力學性能，不難發現無論是臨界Ni含量又或是Ti成分的選擇對于層狀異質結構的形成都十分關鍵，如影響雙相鋼相變的(10.0%~10.3%)臨界Ni含量和馬氏體時效鋼Fe20Ni中5%的Ti含量，通過傳統試錯模式獲得影響結構演變的關鍵成分點，對于材料設計而言不僅消耗大量的成本，也難以獲得準確的關鍵成分。利用材料基因工程思想，通過增材制造高通量制備和表征技術快速篩選成分區間，例如高通量制備和表征Fe20Ni(0~5)Ti，可以更快更準確地得到影響結構演變的關鍵成分，這種方法推廣到其他具有復雜相組成的材料中，有望實現增材制造多相材料宏觀異質結構個性化控制，使材料性能得到進一步提升，如圖7c[46,48~50,56,58~73]中未來雙相鋼性能的發展趨勢所示。Nie等[74]利用高通量增材制造制備出具有成分連續變化的SS316L-SS431不銹鋼，通過高通量表征發現相結構伴隨著材料成分梯度變化而連續變化，并篩選出所需的組織結構及最佳性能的不銹鋼材料(圖7d~g[74])。

目前材料高通量制備技術包括擴散多元結、氣相沉積、等離子噴涂、螺旋梯度連鑄以及增材制造等，目的是為了獲得成分連續變化或離散的組合材料，增材制造因其制備速度快、能耗低、材料利用率高和自下而上逐層制造的特點而被廣泛用于制備成分梯度材料(梯度功能材料)。目前用于制備成分梯度材料的2種方法是DED和SLM技術[75]，工藝原理如圖8a~c[12,76,77]所示。在DED中，控制不同粉末流速就能實現塊狀材料成分縱向梯度變化[12]，而在SLM中，通過層間換粉[76]和斜料斗混料[77]的方法同樣能夠實現塊狀材料成分梯度變化，不同的是層間換粉SLM梯度試樣成分沿縱向階梯變化，而斜料斗混料SLM梯度試樣成分沿水平方向連續變化，水平梯度試樣具有更大的成形空間，其構件成分變化平緩，有利于緩解溫度梯度在不同位置帶來的影響，改善內應力，使零件成分更加穩定，結構更加致密[13]，梯度試樣比較如圖8d~f[12,13,76]所示。高通量表征技術包括高通量X射線衍射(XRD)、高通量硬度測試、高通量掃描電鏡(SEM)和背散射衍射(EBSD)等等，可以迅速獲取大量成分特征離散變化試樣或梯度連續變化試樣的材料及性能信息(圖8g[78]和h[13])。目前高通量表征手段仍基于離散的成分特征區域進行表征，開發適用于梯度成分連續表征的技術，對提高增材制造材料開發效率十分重要。

增材制造技術發展迅速，傳統材料和數據庫不適用制約了增材制造材料的開發和應用，增材制造相較于傳統高通量制備方式具有快速成型、可制備連續梯度或微米級離散試樣的特點，在高通量制備方面表現突出。本文從材料成分角度，總結了增材制造材料的發展現狀和關鍵問題，展示了高通量增材制造技術在材料成分優化、新合金材料制備和開發以及成分組織結構研究等方面的巨大應用潛力，但目前仍面對以下幾個急需解決的問題。

(1) 增材制造可控梯度變化提供比離散樣品更豐富的信息，而目前高通量表征手段仍采用一些離散區域進行表征，測試區域受限于表征手段的采樣區域的大小且成分變化影響性能表征準確性，無法做到完全梯度連續變化性能的準確表征。提高表征手段的精度，建立準確的梯度連續的表征方法仍是一種挑戰。

(2) 增材制造材料通常表現出優異的性能，但由于可打印材料種類的限制影響了部分材料在增材制造高通量制備和表征上的應用。實現性質差異較大的材料致密完美地打印出來，并形成連續可靠的梯度過渡仍具有挑戰。

(3) 增材制造過程中的氣孔等缺陷問題顯著影響著材料的性能，不同成分的合金增材制造工藝參數往往并不一致，在一定程度上這也增大了增材制造梯度材料制備的復雜性。建立材料成分-結構-性能的可靠聯系仍具有挑戰。

盡管增材制造高通量制備和表征在材料設計上還面臨著巨大的挑戰，但事實已經證明它在材料成分設計方面的巨大前景。材料方面，通過高通量增材制造技術有望解決增材制造新合金材料析出相控制問題、等軸晶結構成形問題以及層間異質結構設計問題，開發新一代增材制造合金材料，通過微觀到宏觀的整體設計，充分發掘增材制造材料性能潛力，實現航空航天領域關鍵零部件材料性能的進一步提升。技術方面，發展高通量增材制造新工藝、發掘增材制造新材料，不斷完善梯度材料表征手段，實現精確、高效、穩定的高通量表征能力，有望建立起材料成分-結構與性能的可靠聯系的增材制造材料基因數據庫，實現增材制造新材料的高效發掘。