1. 增材制造材料工程导论
增材制造（Additive Manufacturing，AM）不是“把材料堆起来”这么简单，它本质上是一套材料—工艺—性能强耦合的制造体系。同一成分的粉末，换一种热源、换一层厚度、换一条扫描策略，最终零件的致密度、残余应力、晶粒形貌乃至疲劳寿命都会明显不同。材料工程在增材制造中的核心任务，就是理解并控制这种耦合关系，让“设计想要的性能”能够稳定地出现在成形件上。
一、增材制造材料的分类逻辑
增材制造材料通常按“材料体系 + 供给形态”两个维度来划分。按材料体系可分为金属、高分子、陶瓷及复合材料；按供给形态则常见粉末、丝材、光敏树脂、片材与浆料等。两者组合决定了可用的工艺窗口。
- 金属粉末：钛合金（Ti-6Al-4V）、镍基高温合金（IN718、Hastelloy X）、铝合金（AlSi10Mg）、不锈钢（316L）、铜合金等，主要用于激光粉末床熔融（LPBF）、电子束粉末床熔融（EB-PBF）、定向能量沉积（DED）。
- 高分子材料：PLA、ABS、PA12、PEEK、光敏树脂等，对应熔融沉积（FDM）、选择性激光烧结（SLS）、光固化（SLA/DLP）。
- 陶瓷与复合材料：氧化铝、氧化锆、碳化硅及连续纤维增强复合材料，多用于浆料挤出、粘结剂喷射或复合铺放工艺。
需要强调的是，粉末并不是“越细越好”。粒径分布（PSD）直接影响铺粉质量与熔池稳定性：LPBF 常用 15～53 μm 的球形粉末，DED 常用 45～105 μm。粉末的球形度、流动性（霍尔流速）、氧含量与卫星粉比例，都是决定成形缺陷率的关键参数。
二、材料—工艺—性能的关联
理解这条关联链，是后续所有案例分析的骨架。以 LPBF 成形 Ti-6Al-4V 为例：激光功率 P、扫描速度 v、扫描间距 h、层厚 t 共同决定体能量密度 E = P / (v·h·t)。当 E 偏低时，出现未熔合（lack-of-fusion）孔洞；E 偏高时，出现匙孔（keyhole）气孔与飞溅。只有落在合适窗口内，才能获得接近全致密的组织。
成形之后的热处理同样关键。Ti-6Al-4V 在 LPBF 快冷条件下形成针状 α′ 马氏体，硬度高但塑性差；经 800 ℃ 去应力退火或 900 ℃ 以上固溶时效后，α′ 分解为 α+β 组织，塑性与疲劳性能改善。这说明性能不是打印出来的，而是“打印+后处理”共同定义的。
三、工程案例的学习方法
本课程采用“案例驱动”的方式，每个案例都围绕一个真实的工程问题展开。学习时建议按以下思路推进：先明确零件功能与性能指标，再反推材料选择依据，然后确定工艺路线与关键参数，最后通过表征与测试验证是否达标。这条思路不是固定模板，而是帮助你建立“从需求到验证”的闭环意识。
例如，面对一个航空发动机支架，需求是“轻量化 + 高温强度 + 疲劳寿命”。材料上会优先考虑 Ti-6Al-4V 或 IN718；工艺上要评估 LPBF 能否保证薄壁结构精度；后处理上要考虑去应力退火与热等静压（HIP）对内部缺陷的闭合效果。每一步都需要用数据说话，而不是凭经验拍板。
四、课程任务说明
本课程共 30 章，围绕金属、高分子、陶瓷及复合材料在增材制造中的工程应用展开。每章会聚焦一个具体问题，例如粉末复用对性能的影响、扫描策略与残余应力的关系、热处理工艺窗口的确定等。你需要完成的课程任务包括：
- 案例分析报告：选取一个给定零件，完成材料选型、工艺参数设计与性能验证方案，字数约 1500 字，需附关键参数表与判断依据。
- 参数窗口练习：根据给定的能量密度公式与缺陷判据，判断三组工艺参数是否落在稳定窗口内，并说明理由。
- 缺陷诊断任务：针对提供的金相照片或CT切片，识别缺陷类型并给出可能的工艺调整方向。
这些任务不追求“标准答案”，而是训练你用材料工程的逻辑去分析问题。只要你能说清楚“为什么这样选、依据是什么、如何验证”，就已经达到了课程目标。