习近平总书记指出:“当前，新一轮科技革命和产业刷新深刻发展
？蒲ё暄邢蚣旯弁卣埂⑾蚣⒐凵羁獭⑾蚣饲疤崧踅⑾蚣酆辖徊娣⒘，不休突破人类认知天堑。”在航空航天、深海探测、核能工程、太空索求等极端环境领域，传统造作技术往往难以满足极端温度、高压、强辐射、侵蚀性介质等恶劣前提下的资料加工与结组成形需要。因而，现代“极端造作”拥有丰硕的内涵和时期意思。极端造作是指在超高温、超高压、超低温等极端前提下，造作拥有极端尺度或极高职能零件的技术，是新思路、新工艺、新设备、新效应集中涌现的前沿创新领域[1-2]。

增材造作技术是指基于离散-堆积道理，由零件三维数据驱动直接造作零件的科学技术系统[3-4]。增材造作技术被西方媒体宽泛誉为带来第三次工业革命的代表性技术，已经成为先进工业国度振兴造作业的战术伎俩[5]。2012年8月美国“国度增材造作创新中心”的成立，明确把增材造作技术作为引领世界造作业发展新方向的新技术之首。2015年2月，工信部、发改委、财政部三部门结合印发《国度增材造作产业发展推动打算(2015-2016年)》;同年5月，国务院颁布《中国造作2025》。两大沉磅政策文件均将增材造作技术列为拥有国度战术意思的新兴主题技术，明确了其在推动造作业转型升级过程中的关键职位。

增材造作技术因其数字化、柔性化、高资料利用率以及复杂结构一体化成形蹬着势，为极端环境构件的设计与造作提供了革命性的解决规划逐一既能实现轻量化点阵结构、内部冷却流路等拓扑优化设计，又能通过资料-工艺协同调控提升耐高温、抗辐照等机能，还能实现太空领域的原位造作，逐步成为极端环境下零件造作的技术伎俩[6-9]。近年来，增材造作技术在极端环境构件造作方面获得了显著进展。然而，增材造作在极端环境下利用也面对更多难题，如，高温下资料更容易产生软化导致塑性变形显著，增材造作件内部的残存应力更容易引发侵蚀开裂，高压或真空环境下熔池流动不不变影响成形精度等。因而，本文针对核工业、航空航天、太空、水下蹬爪用领域，论述了增材造作技术在极端温度、压力、辐射等方面的钻研进展，介绍了其典型利用案例，最后对极端环境构件增材造作的未来发展方向进行了瞻望。

1、面向核工业的增材造作

1.1核工业领域增材造作资料钻研进展

核工业环境拥有强辐射、高温、高压和侵蚀性等极端工况，对关键零部件的靠得住性、抗辐照机能和结构复杂性要求极高，对传统加工技术带来了极大挑战，而增材造作技术的鼓起，为核工业零件的造作提供了新的技术蹊径。目前增材造作钨、钽、钼等耐辐照资料成为钻研热点。

钨作为熔点最高的金属元素，因其优异的高温强度、抗辐射、热导率等机能，已被宽泛利用于核工业、航空航天等领域，常被视为极端环境资料的“终极选择”[10]。目前报路的纯钨及钨合金大多选取选区激光溶解技术(SLM)和电子束选区溶解成形技术(EBSM)。纯钨的增材造作重要面对致密度低、高裂纹敏感性等难题。早期由于粉末造作工艺的限度，纯钨粉末球形度较差，多为不规定多面体状态，导致SLM成形纯钨样品的致密度较低。Zhang等[11]钻研发现，当扫描速度较低时，SLM成形纯钨样品的致密度较高，但由于受粉末球形度的影响，使样品的最大体密度仅82%。美国钨业公司以不规定钨粉为原料选取SLM技术造作的钨样品在优化工艺参数的情况下致密度仅70%[12]。对多面体纯钨粉末选取球化处置后使得SLM构件的致密度达到了96%[13]。随着粉末造备技术的成熟，纯钨粉末的球形度显著提高，使得SLM成形纯钨样品的致密度也得到显著改善，最高能够达到98.7%[14-15]。纯钨的脆性高，延展性低，同时选区激光溶解成形过程中在急剧冷却产生的扰爪力、低于韧脆转变温度的高von Mises应力和氧富集的孔隙团圆综合作用下，纯钨容易产生裂纹[16-18]。目前大无数钻研是通过优化工艺参数(如降低扫描速度、扭转扫描战术)、粉末合金化和预热基板等方式来解分裂纹难题，但目前还无法齐全解除裂纹[19]。相比之下，电子束选区溶解成形拥有的高真空和高成形环境能有效抑造纯钨的裂纹形成，更适合复杂结构件的造作。

高密度钨合金(钨的质量分数在85%~99%，参与微量Ni、Cu、Fe等元素)拥有强度高、延性好和无传染蹬着点，宽泛利用于穿甲弹、惯性动弹元件等。目前，增材造作钨合金重要集中在W-Ni、W-Fe和W-Ni-Cu等。钨合金能够通过调整钨及其合金元素的含量从而对力学机能进行改善。张等钻研了选区激光溶解成形分歧镍含量的W-Ni合金的组织和机能，发现镍含量在10%、20%和40%时对应样品的微观组织状态别离为条状、枝晶和蜂窝结构，如图1所示，随着镍含量和沉积层数的增长，试样的显微硬度逐步降落[20]。而激光定向能量沉积技术指备的70W-30Ni、80W-20Ni以及90W-10Ni合金中，90W-10Ni合金的抗拉强度最高，为882 MPa[21]。

为了提高钨镍合金的强度，部门钻研人员向合金中参与其他合金元素，如Fe、Cu、Ta、Re等元素。Zhou等钻研发现，激光定向能量沉积造备的W-Ni-Fe样品中W颗粒在基体(y)中呈均匀散布，其粒径仅为液相烧结93W-Ni-Fe合金指标的1/5，晶粒尺寸的显著减幼极大提升了合金的综合机能。钨质量分数为50%和75%试样的极限抗拉强度别离达到了1120 MPa和1316 MPa[22]。Fang等[23]向钨中参与0.2-1%的Ni元素后使得钨合金的断裂韧性从3.95 MPa/m1/2提升到7.59 MPa/m1/2，提高了92%，并且韧脆转变温度大幅降落。Yuan等向钨中参与高熵合金，选取激光定向能量沉积技术造备的试样组织特点为半共晶、类共晶和点状组织，由于FeCrCoNi高熵合金的析出强化和固溶强化，钨合金的压应力达到了2047MPa。铜拥有高热导率和电导率的利益，钨拥有优良的等离子辐射抗性特点，因而W-Cu合金已被利用于核聚变反映堆的等离子面子向组件。Zhang等[25]钻研了选区激光溶解成形W-Cu合金及W-Cu-Ni合金的工艺参数、组织特点及热机能。顾冬冬等[26]选取SLM技术造备了W含量在30%-50%的W-Cu合金，发现当Cu含量增长到40%时，在马兰戈尼气流和固相钨颗粒的沉排作用下，可形成钨环铜芯的特殊显微组织。Muller等[27]首先选取选区激光溶解技术造备出蜂窝钨框架，再选取液体浸渗填充铜蜂窝结构，最终获得了钨铜合金蜂窝状等离子面子向组件。以上文件能够看出，向钨中参与其他合金元素后力学机能显著改善。

W-Ta合金拥有高抗等离子和热辐照能力，所以增材造作W-Ta合金也有不少钻研。随着体能量密度的升高，W-3Ta合金样品的致密度逐步增长。当体能量密度为714.19J/mm3时，致密度达到最大值为95.79%。当能量密度过高时(超过1000J/mm3)，反而会加剧熔池的不不变性，形成飞溅缺点[28]；尚渭际踉毂噶5%和10%Ta含量的W-Ta合金，发现随着Ta含量的增长，样品的致密度略有降落。

钼脊合金拥有热膨胀系数低、强度高、抗侵蚀性好蹬着点，在核工业、航空航天等领域有着宽泛的利用。由于钼及其合金的熔点高、室温脆性等特点，在增材造作时存在致密度低、裂纹及柱状Rebesan[30]、张宇晴[31]通过调整选区激光溶解成形工艺参数提高了钼试样的致密度。SLM成形低的原因是能量输入较低，导致部门钼粉末未齐全溶解。因而，高能量输入能够实现高致密度样  [32]。 Braun等  [33]钻研了选区激光溶解熔炼钼的工艺过程，以为由于氧以氧化钼的大局在晶界产生偏析，导致SLM成形后钼样品产生热开裂。为相识决增材造作钼合金的裂纹问题，Wang等[32]选取67°扫描方式降低了残存应力，并增长了特殊的支持结构，使试样能够加热到更高的温度从而减缓冷却速度来抑造裂纹扩大。Qi等[34]通过调节电流转换频率解除了电弧增材造作钼合金的裂纹。此表，向钼中增长少量碳元素[35]和Co元素[36]，能够扭转SLM成形钼合金的凝固方式，通过细化晶粒的步骤齐全解除裂纹。李会霞使用电子束选区溶解技术造备钼合金时选取二次溶解的方式降低了裂纹偏差[37]。

在增材造作钼合金的组织和机能方面也有多多钻研。碳合金化增材造作得到的无裂纹钼合金相比传统工艺钼合金抗弯强度提高了340%[35]。Mo-Si-B合金、TZM合金和钼基金属复合伙料高温力学机能好，抗蠕变能力强，被宽泛用来造作高温抗氧化部件。激光增材造作Mo-Si-B合金的混合相组成(α-Mo、)能够提高其蠕变机能和断裂韧性[38]。Zhou等[39]选取选区激光溶解技术造备了Al2O3-CNT/MoTiAl复合伙料，Al2O3纳米颗粒与基体结合优良，在试样表表形成了α-Al2O3基体和TiC颗粒散布组成的陶瓷层，显著提高了资料的抗氧化机能。

综合以上文件能够看出，钨、钼、钽等合金固然熔点高、抗辐照能力强，但在增材造作过程中容易出现微裂纹导致致密度较低，同时容易与氧结合形成氧化物，使得构件的力学机能难以满足使用要求，能够通过优化粉末资料个性，增长合金元素或陶瓷颗粒改善其成形性、抗氧化性和延展性从而削减裂纹，提升增材造作构件的机能和靠得住性，以满足核工业环境下的高机能要求。

1.2核工业领域典型构件的增材造作

增材造作钨合金凭借其优异的抗辐射危险阈值、高导热率及中子屏蔽效力成为核工业领域的关键资料。选取激光选区溶解技术造作的W-5Re蜂窝中子吸收器，孔隙率可幼于0.5%，能实现83%热中子拦截率，较传统烧结件提高了15%[40]。针对三代核燃料元件包壳需要，电子束增材造作的W-1.5La2O3复合伙料为核燃料组件在LOCA变乱工况下的齐全性保险提供创新资料解决规划，该技术现已拓展至核聚变堆面向等离子体资料及放射性同位素封装容器的精密造作。医疗成像零部件造作商SmitRontgen公司利用激光选区溶解技术造备了纯钨针孔准直器，削减了资料亏损，节俭出产成本，与传统的铸造相比，能实现更为复杂的设计，做出传统技术无法实现的几何状态。该公司还将该技术用于X射线透视设备，如CT机上高精度钨零部件和放疗设备的防护组件，以削减辐射泄露风险[41]。欧洲航天局选取激光选区溶解工艺造作了可在3000℃高温下服役的钨合金部件，并宣称该部件可在核聚变反映堆和火箭喷嘴中工作[41]。英国原子能治理局代表英国当局发展聚变能钻研，选取粉末床熔融技术造备了面向等离子体的钨基组件，用于聚变装置的关键部件。这些部件需接受极端温度、高中子负荷和强磁场，而3D打印可实现复杂几何结构和多资料组合的精密造作，从而削减对焊接等传统技术的依赖，并削减造作工序和衔接工艺的数量。英国First LightFusion选取激光粉末床熔融(LPBF)技术造作钽金属靶材，用于惯性约束核聚变尝试。测试批注，3D打印钽在437GPa的超高压冲击下机能与传统铸造钽相当，可用于聚变反映堆的压力放大器组件，如图2所示。钽的高熔点(≈3000℃)和抗冲击性使其成为聚变堆关键资料，增材造作技术缩短了出产周期，降低了成本[42]。俄罗斯NUSTMISIS与NIIEFA合作，选取混合增材造作技术(SLM+铜渗入)造备钨-铜双金属资料，用于聚变堆等离子体组件(PFC)。该资料在800℃高温下仍维持优良热扩散性和机械强度。钨的高熔点和铜的高导热性结合，合用于极端热负荷环境[29]。北京理工大学选取选区激光溶解成形技术造作了钼合金的离子推动器组件，齐全切合设计要求[43]。

BWXT与橡树岭国度尝试室(ORNL)合作，选取增材造作技术出产镍基高温合金和难熔金属(如钽、钨)核反映堆组件,合用于极端高温(1482℃)环境[44]。法国核反映堆供给商NAAREA公司选取3D打印技术出产熔盐快中子微反映堆(XAMR)组件，测试区建设各类规模的测试回路和试验台，用于验证XAMR热工水力组件的机能，打算2032年前实现规；霾。加拿大BrucePower选取Raise3D Pro3打印机出产钨-高分子复合屏蔽件，用于核电站阀门、监控设备等辐射热点防护，48h内实现定造交付。南方增材科技有限公司选取电熔精密成型技术造作直径6m、沉300吨的核电压力容器，出产周期从传统2~3年缩短至2~3个月，大幅削减对大型锻件的依赖，同时能够适应高辐射环境  [45]。核工业领域典型的增材造作资料、技术和构件如表1  [40-48]所示。

表1增材造作技术在核工业领域的利用

2、面向航空航天的增材造作

2.1超高温资料增材造作钻研进展

近年来，随着航空航天技术的高速发展，对航空航天高端设备的结构、机能和职能等方面提出了更为刻薄的要求，所以航空航天领域对极端环境资料的需要推动了超高温/低温资料的急剧发展。同时，高端设备结构和职能的一体化设计和造作已成为该领域的发展趋向，这给传统加工技术带来了极大的挑战，增材造作技术为新一代高温/低温资料的研发提供了新的解决蹊径。

高温合金是目前航空航天发起机和燃气轮机热端部件用的沉要金属资料。据统计，现代燃气涡轮发起机用高温合金中镍基高温合金的用量比沉最大，达到了整个发起机资料40%[49]。当前增材造作高温合金钻研较多的是In718合金、In625合金和HastelloyX合金。金属增材造作过程中熔池很幼，冷却速度较高(  10 3～  10 8K/s)，高冷却速度会在沉积层中产生较大的扰爪力，同时镍基高温合金自身拥有复杂的物相组成，凝固温度领域较大，开裂敏感性较高。目前，激光增材造作镍基高温合金重要通过预热基板、优化工艺参数、成分改性、施加能量场等方式降低造作过程中的扰爪力，对解除或削减裂纹成效显著[50-52]。激光增材造作镍基高温合金成形组织取决于熔池凝固的汗青过程，激光增材造作过程是一个非平衡近急剧凝固过程，这也导致激光增材造作镍基高温合金的凝固组织齐全分歧于传统的铸铸造组织[53-54]。以最为典型的激光增材造作In718合金为例，其沉积态组织重要由沿沉积方向表延成长的柱状晶组成。由因而逐路逐层通过冶金结合的方式进行沉积成形，各沉积层之间存在显著的层带结构，熔池天堑清澈可见[55]。SLM成形In718合金室温抗拉强度约1473 MPa，直接时效处置后在650℃高温下抗拉强度达到1200 MPa[56]。然而，镍基高温合金的使用温度已经靠近极限，通过工艺改进对其使用温度的提升有限。单晶高温合金逐步被利用于发起机涡轮叶片。Korner等[57]钻研了增材造作CMSX-4单晶高温合金的拉伸机能，800℃以下时增材造作单晶高温合金的屈服强度和塑性随着温度的升高而增长，之后随温度升高，强杜仔所降落，但塑性进一步增长，并且在1050℃/160 MPa前提下，增材造作单晶高温合金的悠久机能要高于定向凝固单晶高温合金。

目前，新型耐高温资料重要集中在超高温陶瓷、高熵合金和陶瓷基复合伙料领域。陶瓷基复合伙料因其高熔点、密度低、高强度以及优异的化学不变性，被宽泛利用于高明声速飞行器、火箭推动系统等领域[58]。陶瓷基复合伙料蕴含氧化物陶瓷、先驱体转化陶瓷、生物陶瓷、以及复合陶瓷等。近年来，碳化硅陶瓷复合伙料增材造作逐步受到关注。目前宽泛使用的复合伙料加强相重要有陆续纤维和短纤维。为了提高陶瓷基复合伙料的强度，在成形前必要在纤维表表造备；ば酝坎，常用的造备方式有化学气相渗入法、先驱体浸渍裂解法和水热法[59]。其成形工艺蕴含激光选区烧结成形(SLS)、激光选区溶解成形(SLM)、黏结剂喷射成形(BJ)、三维打印(3DP)、熔融沉积成形(FDM)、光固化成形(SLA)等[60]。各类增材造作技术造备的短纤维加强碳化硅陶瓷基复合伙料的力学机能差距不大，每种技术各有优弊端，合用于分歧领域[59]。对于增材造作陆续纤维加强陶瓷基复合伙料来说，由于陆续纤维在复合伙猜中的排布有显著的方向性，在裂纹扩大过程中纤维会产生托粘、拔出等景象，使得裂纹扩大蹊径产生偏转提高了强度和断裂韧性，因而增材造作陆续纤维加强碳化硅陶瓷基复合伙料的韧性通常高于短纤维加强陶瓷基复合伙料。

2.2超低温资料增材造作钻研进展

航空航天设备的液氢/液氧推动系统、深空探测器和超导设备所处工作温度极低，构件必要在极端低温(如-253℃)下维持结构齐全性和职能不变，对低温资料的机能提出了严苛的要求。

通常金属资料的韧性随着温度的降低而急剧降落，其断裂方式也会从韧性断裂转变为脆性断裂。目前常用的低温资料有奥氏体不锈钢、铝合金和钛合金。当前关于增材造作低温资料的钻研较不足。成志超等[61]钻研了电弧增材造作高锰奥氏体低温钢的拉伸机能，发现试样存在显著的各向异性，但分歧方向的拉伸强度均超过600 MPa，伸长率均大于35%。王东波等[62]钻研了电弧增材造作N50钢的组织与低温机能，发现Mn元素对N50钢的低温韧脆性影响显著，Mn含量升高会造成-196℃下N50钢的伸长率从28%降落到24%，冲击韧性从11.0J降落至3.6J。铝合金液氢储罐被国内表宽泛用于火箭发射领域，其中我国还将2219铝合金作为新一代运载火箭邮箱的结构资料[63]。7050铝合金则被用作航天器资料，航天器在绕近地轨路飞行过程中，安阳区和阴影区表表温差达250℃，对资料的不变性要求较高。刘佳斌[64]分析了增材造作7050铝合金凹凸温循环过程中的组织和机能，发现纳米  η相经过5次循环后数量增长，10次循环后析出了尺寸更幼的  η ′相，固溶时效处置试样在10次循环后抗拉强度达477.9MPa。

钛合金的屈服强度是不锈钢的3倍以上，在一样载荷下能够更好地抵抗变形和粉碎，因而钛合金在低温环境下出现出更高的资料机能。吴自越[65]钻研了增材造作钛合金的低温委顿行为，在低应力区，试样在20K和77K前提下构件的委顿寿命相差不大，在高应力区，20K前提下构件的委顿寿命显著低于77K前提下的委顿寿命。汪斌[66]钻研了选区激光溶解成形TC4钛合金在超低温下的拉伸机能，发现室温下其抗拉强度和屈服强度别离为1255MPa和1214MPa，而在低温(77K)下资料的抗拉强度和屈服强度大幅提升，增长到1705MPa和1607MPa。

基于以上文件可知，航空航天领域对极端环境资料的需要推动了增材造作技术在超高温/低温资料构件造备中的利用。在超高温领域，镍基高温合金重要面对急剧加热和冷却导致的扰爪力和裂纹，以及使用温度靠近极限的难题，通过预热基板、优化工艺参数和成分改性等伎俩显著提升了资料的机能。陶瓷基复合伙料通过陆续纤维加强和界面优化展示出优异的耐高温机能。在超低温领域，资料的重要问题是低温脆性和各向异性，能够通过新资料研发或仿生结构设计提升资料的低温抗裂机能。

2.3航空航天典型构件的增材造作

航空领域，中科祥龙选取SLM工艺造作了K438镍基高温合金大尺寸飞机发起机热端部件，带冷却耐温中央支持。该部件在发起机中掌管受力、降噪与吸振，对于部件机能要求极高。中航迈特开发的MT-IN939G镍基高温合金粉末突破了传统增材造作参数窗口窄、易开裂的难题，合用于850℃以上高温环境。该资料已用于航空发起机点火室、导向叶片等热端部件。选取光固化急剧成形技术造备的SiC陶瓷基复合伙料空心涡轮叶片能够耐1300℃高温，为航空工业热端部件的造作提供了新的技术伎俩[59]
？占浞瓷渚翟诤娇找８幼⑻煳墓鄄獾攘煊蛴涤泄丶饔，现有的空间反射镜资料如玻璃、金属铍等光学反射率、高温热不变性不及，借助增材造作技术造备的SiC陶瓷基复合伙料反射镜热学机能优异，同时大幅降低了沉量和成本

航天领域，欧洲航天局(ESA)委托欧洲航空航天公司与法国赛峰集团结合成立Ariane Group打造Ariane6号火箭，研发沉点在于火箭助推器，其推动
？樾柙诩斯た鱿虏薮蟮耐屏，以保险火箭的发射效力[67]。喷嘴头是助推器的主题组件之一，传统工艺是选取铸造、铜焊、焊接与钻孔等工序后装配而成，在极端负荷下风险极大，ArianeGroup选取选区激光溶解技术选用耐高温耐侵蚀的In718高温合金来造作Ariane6号火箭喷射头，将248个单独部件整合为一个部件，与传统造作步骤相比，不仅削减了装配操作，还降低了因衔接件带来的额表沉量，如图3所示。推力室是液体火箭发起机的主题，在极端温度、压力、振动和氧化环境下运行，是液体火箭发起机中最复杂、造作难度最大、造作周期最长的部件。首都航空机械有限公司选取激光选区溶解(SLM)技术，成功造作直径600mm、高度850mm的铬锆铜合金推力室内壁试件，是国内首个整体增材造作的大尺寸铜合金火箭发起机部件。出产周期从传统6个月缩短至15~20天，机能提升50%以上，成本显著降低。美国国度航空航天局马歇尔航天飞行中心(MSFC)选取直接能量沉积技术造作了一种直径为1.52m、高度为1.78m的RS-25发起机整体通路喷管，并进行了屡次高温测试，拥有较高的使用寿命[67]。北京航空航天大学王华明院士团队选取激光定向能量沉积(DED)技术造作铜合金(CuCrZr)内壁+镍基高温合金(GH4169)表壁的火箭点火室，解决5000℃高温燃气冲击下的导扰纂结构强度问题。通过热喷涂预处置优化界面冶金结合，预防传统电镀工艺的缺点[68]。

澳大利亚金属增材造作公司SPEE3D的XSPEE3D系统在亚零度环境下成功打印铝、不锈钢等金属部件。该系统选取冷喷涂技术(CSAM)，无需激光或惰性气体，适合偏远地域急剧造作。它能够造作直径达0.9m、高度达0.7m、最大沉量为40kg的部件，可在-30℃环境下运行，打印速度达100g/min，支持战地按需造作[44]。中国石油工程资料钻研院选取电弧增材造作技术自主设计实现了油气管路用TE555低温大口径厚壁三通构件，该零件直径1219mm，质量达4970kg，产品合用于-60℃和-45℃两种低温环境，提升低温环境下的结构齐全性和安全性。

3、面向太空环境的在轨增材造作

随着人类太空索求活动的不休深刻，空间站建设、深空探测、在轨服务等工作对太空造作技术提出了火急需要。传统航天器的结构件和职能部件重要依赖地面造作后发射入轨，但这种方式面对发射成本高、运载能力受限、维批更换难题等问题。出格是在深空探测和持久驻留工作中，若关键部件失效，地面补给周期长、成本高昂，严沉造约工作的靠得住性和可持续性。太空在轨增材造作是指在微沉力、高真空、极端温度交变等特殊空间环境下，利用增材造作技术直接在轨路上造作或建复航天器构件。因而，太空在轨增材造作成为实现航天器自主守护、结构急剧沉构甚至太空资源原位利用的关键技术。

3.1塑料资料在轨增材造作钻研进展

20世纪60年代，美国率先起头索求在太空环境中进行资料加工和零部件造作的可行性。进入21世纪后，太空造作技术逐步从尝试室阶段转向空间飞行验证，并使资料的研发也从初始的单一结构资料发展为多职能复合伙料。受太空极端环境和资源匮乏的影响，面向太空造作的资料要求可能接受运行轨路上的热交变、紫表线、辐照和原子氧等极端环境，同时还要拥有较好的可造作工艺性。早期，NASA在多种高机能聚合物资料当选择了ABS塑料作为国际空间站在轨增材造作的初次验证资料[69-70]。NASA还利用国际空间站发展了大量非金属资料的空间搭载验证工作，形成了空间利用高分子资料选用手册[71]。

碳纤维加强热塑性复合伙料由于拥有较好的导热性、耐委顿和热膨胀个性，是一种可实此刻轨造作的优异资料。Zhong等[72]将玻璃短纤维与ABS树脂混合造成三种分歧纤维含量的复合伙料丝材，而后用于熔融沉积急剧成型工艺，发现参与短纤维可能显著提高复合伙料的拉伸强度，但柔性和加工性有所降落。Tekinalp等[73]将短碳纤维(长度0.2~0.4mm)与ABS树脂在220℃前提下混合均匀，造成质量分数在10%~40%不等的四种复合伙料，发现FDM成形复合伙料样品与传统的注塑复合伙料相比，拉伸强杜纂拉伸模型别离提高了115%和700%。以上短纤维复合伙料增材造作的钻研步骤相近，均是将短纤维通过肯定的方式与树脂混合，复合伙料造作步骤单一，但整体机能较基体资料提高有限，通常30%以内。

多多学者钻研发现，使用陆续纤维作为加强相，复合伙料的力学机能能够获得显著提升Masaki等[76]提出一种基于FDM成形的陆续纤维加强热塑成形步骤，省去了模压工艺流程，大幅提高了出产效能。他还以黄麻纤维和碳纤维作为加强相，PLA树脂为基体，选取FDM技术造作了无纤维增长的PLA树脂、黄麻纤维复合伙料和碳纤维复合伙料，发现黄麻纤维复合伙料的拉伸强度和模量别离比纯PLA树脂样品提高了157%和134%，而碳纤维加强的复合伙料样品的拉伸强度和模量最高[77]。西安交通大学田幼永教授等钻研了工艺参数对复合伙料弯曲强度的影响，分析了碳纤维与PLA界面个性的影响成分[78]。由于FDM成形过程中，相邻丝与丝之间的黏结个性会影响复合伙料的力学机能，使得样品的力学机能存在各向异性[79]。陆续纤维加强复合伙料固然力学机能显著提高，但样品力学机能存在各向异性，西安交通大学田幼永教授团队提出选取多尺度并行设计步骤，通过优化纤维取向与宏观拓扑结构改善其机能[80]。此表，复合伙料还面对加强相与基体的界面结合弱的问题，大气常温等离子体实时处置或实时施加激光预热提高层间结合点的温度等纤维表表改性步骤对于界面优化拥有显著成效[81]。

3.2金属资料在轨增材造作钻研进展

太空在轨增材造作钻研的资料重要是传统的合金资料。NASA针对传统合金资料发展了电子束熔丝增材造作钻研，分析了太空环境对铝合金增材造作工艺及参数的影响，铝合金样品的机能达到了锻件的尺度[82-83]。2017年，NASA开发了金属沉积造作系统，该系统使用金属资料和黏结剂造作零件，并开发了相应的TC4钛合金丝材[84]。

然而，金属增材造作的热源(激光、电子束、电弧等)的能量密度极高，分歧元素在分歧温度的蒸气压存在差距，使得其蒸发速度有显著差距，而真空环境会加剧这一景象[85-86]。同时，在真空环境下，增材造作过程中的热量无法通过空气对流消散，热累积较地面增材造作更严沉，并导致温度梯度和冷却速度有所降落，从而对零件的组织和机能产生影响。Zhan等[87]钻研发现，电子束焊接铝合金时导致焊缝中产生了不均匀的元素散布，镁元素烧损严沉的区域拉伸强度均降落。由于太空特殊环境的限度，金属粉末拥有的可浮性和发作性难以在零沉力环境下利用、存储和堆积等方面的技术瓶颈[88-89]。在微沉力环境下，增材造作过程中丝材的熔滴过渡无法依赖沉力，导致液态金属的润湿性及熔池内部的对流与地面增材造作同样存在差距，会严沉影响成形件的质量和机能[90]。定向凝固Al-Bi-Sn合金在微沉力环境下重要由等轴晶组成，而在常沉力环境下样品出现相分离结构[91]。在微沉力环境下，增材造作或焊接过程中熔池中的金属蒸气无法依附浮力上浮溢出熔池，所以失沉环境下造作的Sn-Ag-Cu合金样品中孔隙率较高，达到了14%，而常沉力环境下造作的样品孔隙率低于1%

此表，太空舱内所处真空、微沉力等特殊环境，在舱表空间造作还要面对极端温度、高能粒子辐射等的影响，这种极端环境对金属资料太空增材造作带来了严格的挑战
？占湔久娑蕴粽丈涞姆较蛭露雀叽121℃，背阴面温度降至-157℃。这种极大的温差领域和热循环作用可能会使零件在服役过程中产生应力和委顿裂纹，影响其安全性。Li等[90]钻研了奥氏体不锈钢的低温拉伸机能，发现当温度降至一140℃时伸长率降落了27%，塑性变形机造由变形孪晶转变为应力诱导马氏体相变。在近地轨路空间的原子氧密度能够达到1013~1016atom/(cm2s)，与高速飞行器碰撞产生的相对动能较高，可能会使金属在太空产生侵蚀景象。Morrissey等[92]钻研了原子氧对Ag和Al的影响，发现金属基体中缺点的数量随着碰撞能量与次数的增长而增多，一样前提下Al的空位缺点更多且侵蚀深度相迸宗Ag更深。

3.3仿照月壤增材造作钻研进展

月球基地作为深空索求的“中转站”，对于人类实现宇宙索求拥有沉要意思。月壤作为月球上最丰硕的资源，利用月壤进行造作成立月球基地对于宇宙索求意思沉大。月壤重要由岩石碎屑、矿物颗粒、玻璃纸颗粒等组成，其成分和资料个性与地球泥土差距较大。2010年，Cesaretti等[93]选取D-Shape工艺对仿照月壤资料进行增材造作，将黏结剂喷在粉体表表，通过产生化学反映固化黏结，造作了蜂窝状和鸟巢状月壤结构件。2017年，Jakus等[94]将仿照月壤与仿照火星泥土进行球磨，而后再将二者别离于聚乳酸-羟基乙酸共聚物、表表活性剂、稀释剂等混合造成“墨水”，选取直接墨水读写(DIW)增材造作工艺造备了结构件，仿照月壤结构件的拉伸应变高达250%，如图4所示。DIW技术对资料流动性和浆料拥有优良的兼容性，但在有机黏结剂的存储以及微沉力挤压方面存在问题。目前钻研批注已有多种增材造作技术能够实现仿照月壤造作，但在月球微沉力环境下存在月壤粉末容易漂浮难题，造备出的月壤结构件大多存在孔隙缺点[95-96]。中国科学院钻研人员选取数字光处置技术(DLP)在失沉前提下对打印的浆液进行调控，解决了微沉力环境下粉末漂浮的难题[97]。Dou等[98]在微沉力环境下选取DLP技术打印了陶瓷浆料，测试了分歧空气下仿照月壤机构件的力学机能，钻研发此刻1150°C空气空气下烧结的试样力学机能最佳。

目前利用于仿照月壤的增材造作技术有高能束选区烧结、黏结剂喷射、光固化急剧成型、选区激光溶解等，部门增材造作技术用的原资料好比黏结剂必要在地面通过空间站运输到月球，其运输和贮存成本对列国人员是一大难题。此表，在低落力月球环境中，液体原料极易挥发，原料损耗巨大。因而在月球上进行原位增材造作钻研拥有沉大意思，因而对月球中的原资料进行提取至关沉要[99]。月壤中的金属/非金属矿物重要以氧化物的大局存在于月壤中，国表的NASA、洛克希马丁公司和国内的中国科学院等单元对月壤中的原资料进行了提取分析，选取还原法和分化法获得了单质资料，但造作效能相对较低  [99?101]。

太空在轨增材造作是支持深空探测和空间工作的关键技术，在增材造作塑料资料方面，已成功验证了ABS塑性的太空造作可行性，碳纤维加强热塑性复合伙料显著提升了资料的机能，但是陆续纤维加强复合伙料仍存在各向异性和界面结合较弱的问题，可通过多尺度设计和表表改性进行改善。金属资料在轨造作熔池扰动大和极端温度交变(一157~121℃)引发残存应力，进而影响零件成形精度。月壤原位造作必要解决资源原位提取难题，未来可萦绕太空专用资料开发、微沉力工艺适应性、月壤提炼/回收等方面进行钻研，从而构建太空造作系统。

3.4太空在轨增材造作典型利用

美国太空造作公司于2014年在国际空间站上实现首台太空增材造作设备验证后，于2016年至2018年部署了三代增材造作设备。选取熔融沉积急剧成形工艺为国际空间站造作了在地面难以造作出的多种非金属物品，实现了太空中的初次增材造作[102]。TUI公司提出了“蜘蛛造作”太空造作技术构思，利用“蜘蛛机械人”实此刻轨集成大型空间结构[103]。NASA则提出通过“太空构筑师”项目在空间站表装置选取增材造作技术的空间机械人，用于在轨造作大型空间结构，如图5所示[102]。

2018年，阿列维公司与太空造作公司合作，开发了能够在微沉力环境下挤诞生物资料和细胞，逐层构建组织的增材造作设备“ZeroG”。此表，该公司还打算在未来使用生物资料增材造作技术来支持宇航员的太空医疗。NASA与SMRC公司合作，将蛋白质、淀粉蹬转养素以干粉的大局直接送入增材造作设备，在打印喷头中与油或水混合，从而为在轨飞行的航天员提供个性化的养吩旆。国内涵非金属资料在轨增材造作技术方面也发展了大量钻研。2016年，中国航天员训练中心主导的“太空180”试验中也建设了增材造作食品设备。我国在2020年通过新一代载人飞船尝试舱实现了全球初次陆续碳纤维复合伙料的太空增材造作，其设备可实现全自动无人操作  [104]。北京卫星造作厂发展了太空环境下熔融沉积成形工艺钻研，沉点探索了空间环境下复合伙料界面行为对成形质量的影响，并造备出陆续纤维加强复合伙料[99]。中国科学院钻研团队在抛物线失沉飞机中实现了国际初次微沉力环境下的陶瓷资料立体光刻成形技术试验。本次试验使用的新型类固态陶瓷膏体资料可在微沉力环境中约束精密粉末，能够适应微沉力前提。

月球是距离地球最近得星球，因而月球探测成为了21世纪世界航天活动的沉点方向。成立月球基地，逐步发展深空索求是全球航天届聚焦的技术路线。因而，钻研月壤增材造作技术进而用于月球原位造作至关沉要。2014年Barmatz等在选区激光溶解系统中增长了微波加热
？，能够将仿照月壤粉体直接烧结成为结构件，缩境中约束精密粉末，能够适应微沉力前提。月球是距离地球最近得星球，因而月球探测成为了21世纪世界航天活动的沉点方向。成立月球基地，逐步索求3D打印在深空探测方面的利用，重要蕴含利用月壤进行建设打印和太空食品打印等，从而为远程飞行的航天员提供栖身地和食品[106]；锌萍即笱Ф×以仆哦酉低匙暄辛薍UST-1仿照月壤的烧结前提，经分歧空气烧结发现，真空有助于提高样品致密杜纂力学强度[107-108]。北京卫星造作厂结合清华大学发展了基于CUG-1A仿照月壤的月面基础设施构建技术钻研，研造了低损耗、高效能成形样机，造备出高致密度C30强度月壤砖块结构[109-110]。

金属零件的造作是太空在轨增材造作的难点和挑战
？罩锌统倒居肫浜献魍樵贓SA的支持下开发了金属3D打印机，并于2024年1月随货运飞船运抵国际空间站。打印机被装置在哥伦布尝试舱内，并置于一个密封的盒子中，盒子内通过氮气取代氧气，以解除火警风险，同时预防高温打印过程中金属的氧化。2024年8月，国际空间站成功实现了汗青上初次在太空微沉力环境下的金属增材造作，造备出S形平面不锈钢试样，这一突破标志取在轨造作领域的巨大飞跃[103]。美国在太空环境下成功实现金属玻璃3D打印，开发了由块状金属玻璃(BMG)造成的齿轮箱，展示出这类资料的利用潜力[111]。

以上文件能够看出，从非金属和食品造作到表星基地建设，太空在轨造作技术发展迅速，正逐步从尝试阶段迈向规；，成为推动深空探测、空间基础设施建设和贸易航天经济的关键驱动力。

4、水下增材造作钻研进展及利用

随着陆地资源的亏损逐步加剧，海洋资源的沉要性不言而喻，合理开发海洋资源是推动我国经济可持续发展的必要前提。海洋资源的开发离不开海洋工程设备，海底空间站、海上油气平台等工程和新型核电站的建设对造作技术提出了更高的要求。水下增材造作步骤蕴含水下湿法和水下干法增材造作，水下干法增材造作步骤蕴含部门干法水下增材造作和高压干法水下增材造作两种。目前，钻研较多的是部门干法水下增材造作。

20世纪，国内表钻研人员萦绕高压焊接/增材造作尝试舱仿照水深压力发展了大量钻研。1954年，美国初次提出水下高压干法焊接步骤，并于1966年用于出产，执行水深达到300m左右[112]。Cranfield大学开发了最大压力为2.5MPa的高压尝试舱，同样执行了高压干法水下焊接尝试[113]。哈尔滨工业大学、北京石油化工大学等也进行了类似钻研，最大工作压力达到了5.0MPa[114-115]。水下增材造作平台对增材造作构件的质量至关沉要，因而分歧单元开发了相应的水下增材造作/再造作装置，如图6所示。哈尔滨工程大学崔秀芳等[116]选取水下湿法激光增材造作装置实现了镍铝青铜熔覆层的造备；侠砉ご笱跽衩鞯萚117]发了然一种合用于水下部门干法建复的双层排水罩，能够在部门区域形成一层高压气幕，使排水成效加强。东南大学张胜标等[118]设计了一种栅格排水罩，经过栅格结构的过度作用分化复杂的水流，增长部门空腔的不变性。哈尔滨工业大学Fu等[119]则设计了双层气体；ぜす馀缱，能够实现60mm水下不锈钢的激光填丝建复。

水下压力环境对增材造作样品的成形质量影响显著。高压环境氛围对电弧状态影响较大，随着压力的增长，弧柱沿径向收缩，电弧亮度增长。此表，随着压力的增长，熔池的冷却速度会加快  [120]。Zhang等  [121]钻研发现，随着成形舱内压力的升高，选区激光溶解成形不锈钢过程中球化景象会有所抑造，使得样品的表表质量得到改善。真空环境能够有效预防选区激光溶解纯钛微氧化，同时提高了表表精度。低压环境下(100Pa)熔池的表表温度(2300K)要低于大气压力下(2800K)，较低的压力驱动力对流，表表粗糙度降落[122]。

此表，由于部门干法水下增材造作基板周身处于水环境中，因而，水冷环境对熔池凝固速度也有影响。Liu  [123]选取同步送粉水下激光增材造作技术造备了铁基涂层，发现水下环境对增材造作过程中的强冷成效使得试样的柱状晶维持较强的定向成长趋向。Fu  [124]钻研发现，水下激光熔丝增材造作TC4钛合金试样内部的针状马氏体含量较陆上高，且由于水冷影响使得板条或片层宽度减幼。东南大学孙桂芳教授团队成功实现了水下0.02~0.15 m环境中钛合金的增材造作，并在水下30m环境中实现了低合金高强度钢HSLA-100危险基板的原位建复，获得的增材/建复试样的力学机能与陆上试样相当，甚至更优  [125-128]。

当前，水下增材造作的利用案例较少。挪威机械人公司与 Equinor、Sintff、Gassco等公司合作开发了水下机械人系统Nautilus，既能够实现增材造作职能，也能够进行建复再造作，在挪威的特隆赫姆海湾实现炼合伙料维建的深水测试。

综上可知，国内表钻研团队在水下增材造作及再造作方面已获得显著功效，蕴含设备创新、工艺优化和资料机能调控，然而在深水高压环境下(>5MPa)的增材造作工艺适应性、持久耐侵蚀性和复杂
？龌肪诚碌纳璞覆槐湫苑矫婊剐柰黄，未来可萦绕智能水下造作系统开发、耐侵蚀专用资料开发和深海原位造作技术等方面进行钻研。

5、结语及瞻望

作为一种数字化造作技术，增材造作技术通过逐层累积的加工方式实现了复杂结构零件的无模具、急剧整体成形，在核工业、航空航天、太空以及水下领域展示出巨大的利用价值与潜力。核工业领域，增材造作技术能够提高核反映堆关键零件的机能与安全性。该技术还可实现航空航天陶瓷、镍基高温合金等复杂结构的一体化成形，结合结构优化设计还能显著提升极端温度环境下的零件靠得住性。太空领域借助增材造作技术实现了按需造作，削减了太空工作的物资携带量，提高了人类太空索求的矫捷性。水下增材造作则解决了水下设备的出产及急剧维建，保险了深海水下作业的陆续性。总体而言，增材造作技术为人类在极端环境下的索求与建设提供了有力支持。凭据目前的国内表钻研近况和利用趋向，为了进一步阐扬增材造作技术在极端环境的关键作用，未来必要在以下几方面实现突破。

(1)高机能资料的开发。极端环境构件对资料的耐高温、抗辐射、抗侵蚀等机能提出了极高要求，这推动了增材造作专用资料的创新发展。极端环境资料的研发成为先进造作领域的沉要突破口，为了满足航空航天、深空深海探测、核能利用等极端服役前提下对资料机能的严苛要求，当前亟需开发耐高温、抗辐照、耐侵蚀、抗冲击等个性的新资料。如，中高熵合金拥有优异的低温韧性，在极低勘测和太空利用中拥有沉要价值，陶瓷资料和稀土高温合金拥有优良的高温机能，但这些新资料距离贸易化利用还有差距。此方面能够结合高通量增材造作技术，以极端环境构件利用为指标，针对强辐射、高真空、微沉力等特殊环境的资料适应性需要，进行新资料的急剧成分设计和迭代开发，为索求和利用极端环境提供坚实的资料基础。

(2)多资料复杂构件一体化增材造作。航空航天、核工业、太空等领域对结构职能性和轻量化的要求不休提升，尤其是极端服役环境下，资料和结构必要集多种机能和职能为一体，传统的均质资料已难以满足要求。通过多资料或异质资料精准布局和结构职能一体化设计，不仅能够获得职能梯度、异质集成的高机能多职能构件，还能够实现传统造作工艺难以企及的机能突破。然而，在极端环境下多资料整体构件面对更大的挑战，好比分歧资料的热膨胀系数差距较大，可能会导致构件在极端温度下出现应力集中，从而影响结构齐全性，因而资料的界面结合强度和耐久性必要进一步优化，以确保在极端环境下的不变性。通过机械进建分析数据库，构建多资料构件机能预测模型，获得最优的多资料配迸纂界面处置规划，同时实现成形工艺关环节造，最终实现复杂结构-职能一体化的造作范式。在极端环境下，构件的微观结构与通例环境差距较大，对构件进行从微观到宏观的多尺度结构设计与造作，精确节造资料的微观结构，对于优化构件的整体机能至关沉要。

(3)智能自适应增材造作设备研发。目前增材造作设备尤其是金属增材造作设备尺寸大，在极端前提下好比太空或深；肪，增材造作设备若何运输到现场进行原位造作也是极度大的挑战。增材造作设备未来必要具备紧凑的结构和自主运行能力，并可能接受极端温度、压力、辐射等的影响。此表，在无人或高；肪持，设备需具备自主决策能力，能够通过人为智能、实时监测技术，实现现场打印过程的动态参数调整，使零件可能满足极端前提。因而，极端前提下的增材造作设备亟需在智能节造、靠得住性方面获得突破。

(4)基于全流程工艺的增材造作，实现可持续性的太空在轨及深海原位造作。增材造作技术在太空在轨建造、深海设备等极端环境中的利用潜力巨大，太空与深海等极端环境构件的增材造作技术正迎来急剧发展期。在全流程工艺优化方面，必要致力于开发越发高效、精准的增材造作工艺。针对太空和深；肪车奶厥庑，亟需索求利用太空或深海中的原位资源进行增材造作，减幼对地球资源的依赖，同时开发资料再回收利用技术，构建“原位取材-资料再生-构件造作”三位一体的自主造作系统。结合数字孪生技术，在太空和深；肪持惺迪衷霾脑熳鞴痰氖凳钡骺睾驮辉熳。结合机械人自主装配与增材造作技术，实现增材造作过程的自主化和智能化。最终形成“地表资源当场利用、深海设备自维持造作”的可持续造作新模式，大幅降低太空索求及海洋开发的物资补给需要，推动人类向太空和深海持续迈进。

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（注，原文标题：从地球到深空：极端服役前提下的增材造作技术钻研进展）

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