综述：从摩擦学角度出发看金属增材制造的最新进展

《Journal of Allergy and Hypersensitivity Diseases》：Recent Advances in Metal Additive Manufacturing from a Tribological Perspective

金属增材制造材料摩擦学性能与优化策略研究综述了主流工艺（SLM/EBM/DED）对微观结构（孔隙率、晶粒尺寸、织构）及摩擦磨损行为的影响，提出热处理、致密化、表面改性等优化方法，并展望多尺度建模、智能优化与可编程界面设计等未来方向。

　　
金属增材制造（AM）材料摩擦学性能研究进展与优化策略

金属增材制造技术作为先进制造领域的关键突破，其独特的微观结构特征为摩擦学性能优化提供了全新路径。随着航空发动机叶片、汽车轻量化部件、医疗器械等复杂构件的广泛应用，AM材料在摩擦环境中的可靠性问题日益凸显。本研究系统梳理了金属AM材料的摩擦学行为特征、性能优化策略及未来发展方向，揭示了该领域的关键科学问题与技术瓶颈。

一、金属AM技术的摩擦学研究价值
金属增材制造通过逐层堆积成型，在材料内部形成梯度孔隙结构、非平衡凝固晶粒和残余应力场。这些微观特征直接影响界面结合强度与摩擦磨损机制。相较于传统铸造或锻造工艺，AM材料具有设计自由度大（可制造复杂拓扑结构）、近净成形（材料利用率达90%以上）、功能集成（如自润滑表面）等优势。特别是在航空发动机涡轮叶片、齿轮传动系统等关键部件制造中，AM技术可同时实现轻量化（减重30-50%）与高强度（抗拉强度达1200MPa）的双重目标。

二、典型AM工艺的摩擦学响应差异
主流AM工艺（SLM、EBM、DED等）因能量输入方式不同，形成独特的微观结构特征。选择性激光熔融（SLM）制备的Ti-6Al-4V合金呈现细小的等轴晶粒（平均尺寸15μm）与周期性层状孔隙（孔隙率5-8%），其摩擦系数在滑动速度100mm/s时稳定在0.35-0.45区间。而定向能量沉积（DED）制造的Inconel 718合金由于高熔池粘度（约200Pa·s）和柱状晶生长模式，表面粗糙度Ra值达1.5μm，导致边界摩擦系数升高至0.65-0.75。

不同金属系统的摩擦学表现存在显著差异：钛合金因β相稳定化作用，在-50℃至500℃范围内仍保持稳定摩擦系数（0.4±0.05）；镍基超合金则表现出温度依赖性摩擦特性，在600℃时摩擦系数激增至0.8以上。这种差异源于材料体系中第二相强化相（如TiB2、Ni3Al）的分布形态与界面结合特性。

三、微观结构调控对摩擦学性能的影响机制
1. 晶粒细化效应：通过优化激光功率（80-120W）和扫描速度（400-800mm/s），可使铝合金AM件的晶粒尺寸从初始的50-80μm细化至10-15μm。晶界密度增加使裂纹萌生抗力提升3-5倍，磨损率降低至传统工艺的1/3。

2. 各向异性调控：采用多向扫描策略（如45°/135°交叉扫描），可使钛合金表面形成定向的梯度晶粒取向（织构强度达85%）。这种各向异性结构使摩擦接触面呈现自适应性啮合状态，在2000次往复滑动测试中磨损量波动幅度小于15%。

3. 孔隙工程：通过粉末配比优化（Ti64粉末中添加5%碳化硅增强相）和后处理致密化（热等静压处理使孔隙率从12%降至3%），可使铝合金AM件的摩擦系数降低40%，同时抗压强度提升至1200MPa。这种孔隙调控不仅改善表面完整性，更通过应力释放机制减少表面微裂纹扩展。

四、表面改性技术的创新应用
1. 纳米涂层技术：在316L不锈钢AM件表面喷涂层（Al2O3-ZrO2复合涂层，厚度20μm），可使摩擦系数从0.72降至0.28，同时硬度提升至2000HV。涂层与基体界面采用梯度过渡设计（过渡层厚度50μm），有效抑制涂层剥离。

2. 功能化表面织构：通过激光微纳加工在Ti6Al4V表面制造周期性沟槽（深度5μm，间距20μm），实验数据显示滑动磨损率降低62%。这种表面拓扑结构通过形成气膜润滑层，显著改善高速摩擦条件下的性能稳定性。

3. 智能润滑集成：在粉末金属中选择性添加自润滑剂（如石墨烯/二硫化钼复合相），实现材料-表面-润滑的协同优化。某型号齿轮传动系统应用该技术后，在连续运行5000小时测试中，磨损率仅为0.12mm3/h，较传统润滑方式降低87%。

五、未来研究方向与技术挑战
1. 多尺度建模体系：建立从原子尺度（位错运动）到宏观尺度（表面接触）的跨尺度摩擦学模型。需重点突破AM材料界面原子扩散动力学与微结构演变耦合关系的量化表征。

2. 智能优化算法：开发基于深度强化学习的工艺参数优化系统。某研究团队通过构建LSTM神经网络模型，将SLM工艺参数优化效率提升40倍，但模型泛化能力仍需增强。

3. 环境适应性设计：针对极端工况（如600℃/5000rpm高速摩擦环境），需开发耐高温自修复表面技术。当前研究显示，在AM材料表面引入0.5-1μm厚度的Ni-Cr-B-Si合金过渡层，可使材料在800℃下仍保持稳定摩擦系数（0.45±0.02）。

4. 跨材料系统研究：现有数据多集中在钛合金、镍基合金等单一体系中，缺乏多材料系统（如钛合金-铝合金异种摩擦副）的摩擦学行为数据库。建议建立包含200+材料组合的摩擦学性能数据库。

5. 全生命周期评估：当前研究多聚焦于材料制备阶段，需拓展至服役全周期。某航空齿轮案例显示，AM材料在200小时磨损试验中性能稳定，但500小时后出现异常磨损，可能与残余应力释放模式有关。

六、产业化应用关键突破
1. 工艺窗口优化：通过正交试验设计确定不同金属材料的工艺参数区间。例如，在Ti-6Al-4V合金AM中，最佳热输入参数组合为功率1200W、扫描速度600mm/s、层厚20μm，此时致密化率可达92%且无裂纹产生。

2. 质量控制标准：建议制定AM材料摩擦学性能分级标准，涵盖孔隙率（≤5%）、晶界曲率（>1.5μm）、残余应力（压缩型为主）等关键指标。某企业通过建立这种标准，使AM涡轮叶片的早期失效率从12%降至3%以下。

3. 服役环境适配：针对不同工况开发专用表面处理技术。如深海装备用AM钛合金表面需具备耐海水腐蚀（腐蚀速率<0.01mm/年）与自润滑双重特性，通过表面微弧氧化（膜厚50μm）结合等离子喷涂技术，可使综合性能提升3倍。

该研究为金属AM材料在摩擦学关键领域的应用提供了理论支撑与实践指导。未来需加强多学科交叉研究，特别是在材料基因组工程与摩擦学理论的深度融合方面，有望实现摩擦学性能的定向设计。通过建立涵盖材料-工艺-性能的数字化孪生系统，可使AM部件的摩擦学设计周期缩短60%以上，成本降低40%，为大规模工程应用奠定基础。