1 引言

增材制造(Additive Manufacturing，AM)是一种使用基于计算机辅助设计的逐层堆积成型的制造技术，生产的零部件可以直接用作最终产品，打破了传统工艺难以成型或者无法加工复杂零件的局限性。因此，增材制造也被称为自由制造、数字制造、直接制造[1-2]。“3D打印”一词也被用来命名增材制造技术，并被广泛应用于新闻媒体。增材制造技术被视为第三次工业革命的推动力，因为传统制造方式有可能被彻底改变。

当前，增材制造技术已引起全球重视，并已经从研发转向产业化应用。中国、美国德国等各个国家均将增材制造视为未来最具颠覆性技术之一。如今，增材制造技术的不仅被应用在航空航天、武器装备、汽车制造、生物医疗、电子设备及建筑工业等领域，艺术设计、服饰、食品行业的应用也正逐步火热化[3-5]。其中产品的轻量化是基于增材制造技术特点所追求的目标之一。

目前，实现轻量化的途径主要有两种，一种是材料轻量化，用轻质材料Al合金、Mg合金、Ti合金、高分子复合材料等代替传统材料铸铁、铸钢等材料；另一种是结构设计轻量化，通过拓扑优化，用薄壁加筋、镂空点阵、一体化等结构代替传统设计。增材制造技术几乎可以代替所有传统工艺来生产制造结构复杂的零件。

2 Al合金材料

Al合金的密度约为2.7g/cm3，只有钢材的1/3，Al合金具有良好的导热导电性、耐腐蚀性、力学性能等。如今，Al合金已经广泛用于航空航天、交通运输、建筑工程等行业。尤其是在汽车制造行业，Al合金的使用比例越来越高，由于其轻量化的特性，对汽车领域的节能减排方面带来极大的帮助，已经成为汽车制造使用的第二大材料。有报道表明，汽车质量每减少10%，其燃油消耗可降低6%～8%，在同等条件下会比铸铁、低碳钢等材质的车身少排放4～6kg的温室气体[6]。

根据主要元素不同可以分为Al-Cu系合金、Al-Mn系合金、Al-Si系合金、Al-Mg系合金、Al-Mg-Si系合金(以Mg-Si相为强化相)、Al-Zn-Mg-Si系合金、Al-Li系合金等[7]。目前，通过增材制造技术所使用的主要为Al-Cu系和Al-Si系Al合金。

Al-Cu系Al合金以铝铜为主要元素，具有密度小、硬度较高、机械性能好、易于加工等优点。并含有少量的Mn、Ti合金元素，在一定程度上降低了材料的热裂倾向。另外，因为其焊接性能好、断裂韧性高，以及超好的耐低温性能(可在-270℃～300℃范围内工作)，因此是航天领域的首选材料。孙汝剑等[8]人利用激光冲击强化与电弧增材制造复合技术对2319Al合金的进行了微观组织和残余应力的研究，发现了用激光冲击强化的方法可以使电弧增材制造的材料晶粒细化、产生高密度位错和机械孪晶提高硬度、改善零件内部的残余应力分布。Al-Si系Al合金是以铝硅为主要元素，硅含量较高，具有耐热、耐腐蚀、耐磨损及热裂倾向相对较小等优良特性。

Al-Si系合金是较早应用在增材制造的Al合金材料，己经有大量关于激光熔化A1Si10Mg等粉末的研究，被广泛应用于汽车、航空航天、军工等领域。Gu Dongdong[9]等人研究了SLM打印参数对A1Si10Mg合金打印过程中温度变化、熔池尺寸和金属溶液凝固的影响，结果表明激光功率和扫描速度对SLM打印的A1Si10Mg合金的密度、硬度及耐磨性至关重要。孙浩然等[10]人对利用3D打印直接成型的AlSi10Mg合金进行了组织和力学性能的研究，结果表明AlSi10Mg零件组织细小，具有一定方向性，组织细小，相比于同材质的铸态零件，其综合性能显著提升。

3 Mg合金材料

Mg合金的密度约为1.8g/cm3，比常见的塑料还轻20%，是目前实际应用的最轻的金属材料，被誉为“21世纪绿色工程材料”，并且具有优良的铸造性、导热性，弹性模量小，抗电磁干扰性好等优点，被广泛用于电子信息产品。在汽车及航空零部件等领域，Mg合金轻量化的特点可以明显降低燃料的使用量和废气排放量。然而，Mg合金对于增材制造技术来说是极具挑战性的，因为Mg十分活泼，对氧十分敏感，故暴露在空气中时易燃、易爆。

为了扩大Mg合金的工程化应用领域，实现Mg合金的增材制造，华南协同创新研究院李艳辉[11]等人研发了一种用于3D打印的稀土Mg合金材料及其制备方法，该Mg合金元素成分为Mg∶Mn∶RE=85～97∶2～10∶1～5，该合金材料具有优异阻燃性能，粉末形貌、粒径易于控制，可在无保护气条件下熔炼，解决了雾化法制备Mg合金粉末易燃的问题，可用于激光3D打印。

弗劳恩霍夫激光技术研究所的专家开发出一种SLM增材制造技术，为了解决Mg合金激光烧结产生的大量浓烟问题，优化了屏蔽气流，开发了一种新型打印室，成功打印除了Mg合金[12]。

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