科创中国

激光选区熔化（Selective Laser Melting, SLM）增材制造技术适合复杂精细构件成形，但传统SLM技术仅能实现单一材料复杂构件，因此亟需研发多材料激光粉床增材制造技术。基于上述技术思路，提出了多材料界面结合的材料设计与制备方法，研发的专用高强铝合金粉末材料的设计与制备方法有关发明专利授权江苏威拉里新材料科技有限公司，形成了3条生产线，生产的高强铝合金粉末先后被航天五院、北京航星机器制造有限公司等单位选用（附件2）；提出了多材料SLM工艺控制统一数字表达方法，研发了多材料激光粉床增材制造工艺规划软件ZIF1.0，支持金属多组元材料-宏微观结构-区域工艺统一表达和数字驱动功能，与国际领先的Magics软件相比，1GB模型处理时间缩短80%，目前已装机400多套；提出了定量定向超声振动负压吸粉和铺粉方法，实现在SLM成形中每一层按材料信息分区域精准送粉，并研制出基于精准吸送粉的金属多组元材料-宏微观结构一体化SLM成形装备，实现性能区域可调控的高性能构件成形。

亮点1：发明了面向多材料界面结合的材料设计与制备方法。发现柱状晶组织与异质材料界面脆性相是导致合金及其多材料界面裂纹萌生的主因。亮点2：发明了多材料SLM工艺控制统一数字表达方法。提出将增材制造材料微观组织引入结构拓扑优化设计，实现了微观-介观-宏观结构一体化设计制造。亮点3：发明了多材料SLM增材制造装备。提出定量定向超声振动负压吸粉和铺粉方法，基于金属多组元材料-宏微观结构-区域工艺统一表达的SLM成形模型，可实现在SLM成形中每一层按材料信息分区域精准送粉；研制基于精准吸送粉的金属多组元材料-宏微观结构一体化SLM成形装备，根据材料、应力分布及性能要求分区域调控SLM成形工艺，实现性能区域可调控的高性能构件成形。

下一代空间飞行器（如卫星承力构件、火箭发动机等）的核心特征是多功能部件的集成化设计，在拓扑优化结构的基础上，通过功能一体化集成实现整体减重。本项目发明的多材料界面结合的材料设计与制备方法、多材料SLM工艺控制统一数字表达方法、多材料SLM增材制造装备解决了传统方法连接异种材料界面不稳定的难题，能够满足下一代空间飞行器关键构件多功能一体化构件的制造需求，实现空间飞行器关键构件复杂、轻量化、特定区域分布特定材料的多功能集成。

项目所在的华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室快速制造中心团队（负责人史玉升教授）是我国最早从事增材制造技术研究与开发的单位之一。经过长期系统和开创新的研究，取得一系列具有自主知识产权的成果，并实现了产业化，不但广泛用于我国新产品的创新研发和传统产业的转型升级，而且也出口国外。主要成就和贡献如下：（1）研发出金属多材料增材制造装备；（2）发明了增材制造与传统加工复合的系列先进成形方法，为传统产业的改造升级提供了新手段；（3）发明了复杂零件大范围多状态快速三维测量方法。研究成果获国家科技进步二等奖2项、国家技术发明二等奖 1 项、省部级一等奖 8 项。研发的大台面激光 3D 打印装备与神舟飞船、蛟龙号潜艇等成果一并被评为 2011 年全国十大科技成果。

项目组发明了面向多材料界面结合的材料设计与制备方法、多材料SLM工艺控制统一数字表达方法、发明了多材料激光粉床增材制造装备，并实现了产业化。高性能铝合金和高强不锈钢粉末材料的设计与制备方法有关发明专利转让江苏威拉里新材料科技有限公司，形成了3条生产线，生产的高性能铝合金粉末先后被航天五院、北京航星机器制造有限公司等单位选用，不锈钢粉末被中国航发四川燃气涡轮研究院、中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所选用；优化设计和多材料区域性能调控等技术应用于北京卫星制造厂有限公司，完成了CMG支架、密封舱侧壁等30多个型号500余构件的整体成形，其中100余构件已在轨飞行。除此之外，该技术还应用于航天科工二院、广东科龙模具、武汉同济医院等单位。项目授权发明专利42项，发表论文47篇，出版专著3部，参与制定国家标准3项。中国有色金属学会成果评价结论为：“项目整体技术达到国际领先水平”。本项目累积经济效益约4.03亿元，新增利润5817万元，近三年经济效益约3.23亿元，新增利润4926万元。

提出了多材料界面结合的材料设计与制备方法，研发的专用高强铝合金粉末材料的设计与制备方法有关发明专利授权江苏威拉里新材料科技有限公司，形成了3条生产线，生产的高强铝合金粉末先后被航天五院、北京航星机器制造有限公司等单位选用（附件2）；提出了多材料SLM工艺控制统一数字表达方法，研发了多材料激光粉床增材制造工艺规划软件ZIF1.0，支持金属多组元材料-宏微观结构-区域工艺统一表达和数字驱动功能，与国际领先的Magics软件相比，1GB模型处理时间缩短80%，目前已装机400多套；提出了定量定向超声振动负压吸粉和铺粉方法，实现在SLM成形中每一层按材料信息分区域精准送粉，并研制出基于精准吸送粉的金属多组元材料-宏微观结构一体化SLM成形装备，实现性能区域可调控的高性能构件成形。北京卫星制造厂有限公司应用本项目研究成果实现了变密度点阵蒙皮多特征结构的一体化整体成形，完成了CMG支架、密封舱侧壁等30多个型号500余构件的整体成形，其中100余构件已在轨飞行（附件3）；中船重工第七一九研究所应用本项目研究成果实现了船舶螺旋桨用大尺寸复杂钛/铝双金属复合零件整体成形，加工周期缩短 40%，使用寿命＞2000个循环（附件4）。除此之外，本项目研究成果还应用于中国航发四川燃气涡轮研究院、上海航天设备制造总厂、广东科龙模具、北京易博三维科技有限公司、武汉华科三维科技有限公司等单位（附件5-9）。授权中国发明专利42项，发表论文47篇，出版专著3部，参与制定国家标准3项。本项目近三年累计新增销售额约3.23亿元，新增利润约4926万元。希望通过技术转让的方式进一步转化落地。