中图分类号：TG146
0 引言
增材制造技术，又称3D打印技术，作为快速成形技术的一种，近年来在现代制造业中占据了热门地位，并展现出迅猛的发展态势[1]。该技术通过逐层堆积材料的方式，实现了从传统减材制造向增材制造的转变，极大地革新了金属零件的制造方式[2]。相较于传统制造工艺，增材制造不仅缩短了产品的研发周期，还显著提升了复杂结构件的制造灵活性。然而，在实际应用中，金属零件的力学性能往往受到多种因素的影响，包括材料选择和工艺参数等。因此，研究如何优化金属零件的力学性能以及调控关键工艺参数，对于推动增材制造技术的进一步发展具有重要意义。
1 金属零件力学性能优化的必要性
在现代工业中，金属零件被广泛应用于航空航天、汽车制造、生物医疗等领域，不同应用场景对其力学性能提出了多样化要求。例如，航空航天领域需要零件具备高强度和轻量化特性，以承受极端环境下的高载荷；汽车制造则注重零件的硬度与韧性，确保其在碰撞中的安全性；而在生物医疗领域，如多孔医学植入物需兼具良好的生物相容性与适宜的力学性能，以促进细胞附着与组织再生[3]。例如，波音公司采用增材制造技术生产的高强度钛合金零件，显著减轻了飞机重量，同时提升了燃油效率[4]。然而，当前增材制造金属零件在力学性能方面仍存在不足，尤其是在高强度铝合金零件中，易形成孔洞缺陷和氧化现象，严重损害其力学性能[8]。因此，针对金属零件力学性能的优化研究显得尤为重要。
2 力学性能优化方法之材料选择
不同金属材料的特性对增材制造金属零件的力学性能具有显著影响。铝合金以其低密度、高比强度以及良好的耐腐蚀性，在航空航天等领域得到广泛应用，如用于制造飞机结构件。然而，其绝对强度相对较低，限制了在某些高强度需求场景的应用。根据研究，铝合金在增材制造中的抗拉强度通常在300-500 MPa之间。钛合金凭借优异的强度 - 重量比和耐高温性能，成为航空发动机及医疗植入物等领域的理想选择，例如在某些高端航空发动机叶片的应用中表现突出。不过，其高昂的成本和复杂的加工工艺制约了大规模应用，据统计，钛合金的加工成本通常是普通钢材的3-5倍。铁基合金则因高强度和良好的耐磨性，在工具制造和汽车工业中备受青睐，但其在增材制造过程中易出现裂纹等缺陷，影响力学性能的稳定性。有研究表明，裂纹产生几率与打印参数密切相关。因此，合理选择金属材料是优化增材制造金属零件力学性能的关键步骤。
3 力学性能优化方法之工艺参数调控
在金属增材制造过程中，激光功率、扫描速度和层厚等关键工艺参数对金属零件的内部结构具有显著影响，进而决定其力学性能。激光功率直接影响熔池的温度和尺寸，较高的激光功率通常导致更大的熔池深度和宽度，从而促进晶粒生长并可能形成粗大的组织形貌。这种组织变化在微观层面上会改变材料的机械性能，如强度和韧性。然而，过高的激光功率可能导致过热现象，引起局部应力集中和裂纹生成，从而降低零件的强度和韧性。例如，在某次试验中，当激光功率设置为300W时，零件的抗拉强度达到最佳状态，但继续增加功率至350W后，裂纹明显增加。这表明在激光功率的选择上需要权衡，以避免因过热而导致的性能下降。
扫描速度则决定了熔池的冷却速率，较快的扫描速度会加快冷却过程，倾向于形成细小的等轴晶，这种微观结构通常具有较好的力学性能。但过快的扫描速度可能导致未熔合缺陷，影响零件的致密性和力学性能。例如，采用2000mm/s的扫描速度制造出的零件，硬度显著提高，但超过2500mm/s后，出现未熔合现象。这说明在设定扫描速度时，需考虑冷却速率对微观组织及最终零件性能的影响。
此外，层厚的选择也会影响零件的内部结构，较薄的层厚有助于提高零件的精度和表面质量，但会增加制造时间和成本，而较厚的层厚虽然提高了生产效率，但可能导致层间结合不良，降低零件的整体力学性能。因此，合理调控这些工艺参数是优化金属零件力学性能的关键所在。在实际应用中，需根据具体需求，综合考量精度、效率与成本，通过实验确定最佳的工艺参数组合，以实现金属零件力学性能的最优化。
4 实验设计与数据分析
本实验研究旨在探讨增材制造过程中不同工艺参数对金属零件力学性能的影响规律，为优化工艺参数提供科学依据。实验设计采用控制变量法，选取激光功率、扫描速度、层厚等关键工艺参数作为主要研究对象，并设置多组不同的参数组合进行对比实验。具体而言，激光功率范围设定为100W至400W，扫描速度范围为500mm/s至2000mm/s，层厚则从0.02mm至0.1mm不等。此外，实验还考虑了粉末物理性能及热处理制度对最终力学性能的潜在影响，这些因素在参考文献中被证明具有显著作用。
通过拉伸试验机对制备的样品进行力学性能测试，获得了包括抗拉强度、屈服强度及断后伸长率在内的关键数据。实验结果表明，不同工艺参数组合对金属零件的力学性能表现出显著差异。例如，在较低激光能量密度条件下，试样内部孔洞多分布于熔池交界处及底部，导致其抗拉强度较低；而在较高能量密度下，虽然相对密度有所提升，但过高的能量输入可能引发熔池内部缺陷，从而削弱整体力学性能。此外，填充结构的设计也被证实对力学性能有重要影响，如蜂窝型填充结构在低填充度时表现出较高的抗拉性能，而同心型结构则在高填充度条件下展现出更优的力学性能。
数据分析显示，激光功率与扫描速度之间存在一定的交互作用，当激光功率固定时，随着扫描速度的增加，试样的屈服强度呈现先上升后下降的趋势，这一现象可能与熔池冷却速率的变化有关。同时，层厚的增加会导致零件内部应力分布不均匀，进而影响其断裂韧性。综合考虑上述实验结果，可以得出不同工艺参数组合对金属零件力学性能的具体影响机制，为后续优化工艺参数提供了重要参考。
此外，本实验还对不同工艺参数下零件的微观组织结构进行了深入分析，利用扫描电子显微镜（SEM）观察试样断口形貌。结果显示，较低激光功率和较高扫描速度条件下，晶粒较为细小且均匀，界面结合情况较好，这可能是导致其屈服强度较高的原因之一。然而，当激光功率过高时，观察到晶粒粗化现象，这可能由于过热导致材料内部微观结构变化，进而影响材料的整体力学性能。
为了进一步研究工艺参数对金属零件疲劳性能的影响，实验还进行了高周疲劳测试。结果表明，在优化的工艺参数组合下，零件的疲劳寿命显著提高，特别是在中等应力水平下，表现出优异的抗疲劳性能。这为增材制造金属零件在动态载荷条件下的应用提供了可靠的数据支持。
综上所述，本研究通过系统性的实验设计与分析，全面探讨了增材制造过程中不同工艺参数对金属零件力学性能及微观组织的影响规律。这些研究成果不仅为优化工艺参数提供了科学依据，还为进一步提升增材制造金属零件的综合性能奠定了理论基础。
5 兼顾生产效益的工艺参数选择（180字）
在实际生产中，成本与效率是制约工艺参数选择的关键因素。增材制造金属零件时，工艺参数如激光功率、扫描速度和层厚等不仅影响力学性能，还与生产成本和生产效率密切相关。较高的激光功率通常会增强零件的致密度，从而提高抗拉强度和硬度，但过高的功率可能导致材料烧损。较慢的扫描速度能增加能量的输入，使材料的微观组织更加均匀，但也延长了生产时间，增加了能耗。例如，某公司在生产不锈钢零件时，通过调整激光功率和扫描速度的组合，实现了抗拉强度的提升，但在初期试验中，生产周期延长了20%。因此，在保证力学性能优化的前提下，需综合考虑这些因素，探索更为经济高效的工艺参数组合。例如，通过优化支撑结构设计减少材料浪费，或采用无支撑技术缩短制造周期，均为提高生产效益的有效途径。此外，结合具体应用场景需求，合理调整工艺参数，能在满足力学性能要求的同时实现成本与效率的平衡，进一步推动增材制造技术在工业领域的广泛应用。
6 未来研究方向展望
随着增材制造技术的快速发展，金属零件力学性能优化及工艺参数研究在未来将面临更多的机遇与挑战。首先，新材料的研发和应用将成为重要方向之一。目前适用于增材制造的金属材料种类有限，这在一定程度上限制了该技术的广泛应用。因此，开发具有优异力学性能的新型金属材料，如高性能合金或复合材料，将有助于提升增材制造金属零件的整体性能[6]。此外，结合机器学习方法对新材料进行快速筛选和性能预测，也将为材料研发提供更高效的途径[12]。
其次，更精准的工艺控制技术是未来研究的另一重点。通过引入智能化监测管理系统，可以实现对增材制造过程的实时监控和动态调整，从而减少缺陷生成并提高零件质量。例如，利用原位监测技术对粉床和熔池状态进行精确捕捉，并结合深度学习算法优化工艺参数，能够显著改善金属零件的内部结构和力学性能[12]。同时，建立标准化的材料工艺数据库，将有助于推动增材制造向多材料打印方向发展，进一步拓展其应用范围[6]。
最后，热处理强化工艺的研发也是值得关注的方向。研究表明，适当的热处理可以显著提升增材制造金属零件的力学性能，但目前相关研究仍较为有限。未来应加强对热处理工艺的优化及其对力学性能影响机制的深入探索，以实现更高水平的性能提升[6]。总之，这些研究方向的突破将为增材制造金属零件的力学性能优化及工艺参数研究注入新的活力，并推动其在工业领域的更广泛应用。
参考文献
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作者简介：沈晓庆（1987—），男，汉族，安徽芜湖人，本科，研究方向为自动化机械工程。
