综述：增材制造技术在海洋装备中的应用综述

《Metals》：Application of Additive Manufacturing Technology in Marine Equipment: A Review

　　

增材制造（Additive Manufacturing, AM），也称为三维（3D）打印，已发展成为一项革命性的数字近净成形制造技术，为复杂高性能结构和装备的设计与制造提供了创新解决方案。研究人员综述了金属增材制造（metal AM）技术在海洋领域的最新进展与应用。首先，介绍了该领域最广泛采用的三种金属增材制造工艺的原理与特点：激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）、定向能量沉积（Directed Energy Deposition, DED）和电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）。随后，总结了金属增材制造在四个关键海洋领域中的应用现状：推进系统、水下航行器壳体与结构、船体结构与船载设备和组件，以及海洋装备维修与应急保障。在此基础上，进一步讨论了金属增材制造在海洋环境应用中面临的主要挑战，包括大型构件制造、材料与工艺标准化、智能制造与数字技术集成，以及可持续性与循环制造。最后，展望了未来向更高效率、智能化和环境可持续性发展的趋势。研究人员指出，金属增材制造将从根本上重塑海洋装备的制造模式，并支撑其高性能、低成本、智能化和快速响应的发展。

**1. 引言（Introduction）**
海洋装备（如载人/无人水下航行器、水面舰船、潜艇等）常在腐蚀、高压和交变载荷的严苛环境下运行，对制造工艺、材料性能和可靠性提出高要求。传统铸造、锻造和机加工方法在制造整体成形壳体、复杂内流道及轻量化点阵结构时面临技术挑战，且生产周期长、成本高、材料利用率低。金属增材制造（metal additive manufacturing, metal AM）基于“离散-堆积”原理，通过逐层选择性熔化粉末或丝材直接制造三维实体部件，具有设计自由度高、材料浪费少、响应快速等优势。近年来，随着装备、材料和工艺的成熟，海洋领域的应用已从概念验证推进到实际制造和服役验证。此外，船载液压系统中的关键部件（如泵、阀）在高压、交变载荷和海洋腐蚀的耦合作用下，一旦发生故障，传统备件管理面临库存不全、成本高、交付不及时的困境。金属增材制造凭借数字直接制造能力，实现了“数字备件、本地制造”的新保障模式。

**文献综述方法（Review Methodology）**
为确保综述的透明性和可重复性，研究建立了系统的检索与分析框架。检索关键词组合了金属增材制造或3D打印与海洋装备相关术语，使用布尔运算符构建检索式。数据库覆盖Web of Science、Scopus、Google Scholar、IEEE Xplore、Aminer，以及行业网站和公司新闻稿。筛选过程包括初筛（阅读标题和摘要）和全文筛选，通过去重后最终纳入104篇文献。

**2. 海洋应用常用金属增材制造技术分类**
针对海洋装备的多样化需求，选择性总结了三种最主流的工艺体系：激光粉末床熔融（L-PBF）、定向能量沉积（DED）和电弧增材制造（WAAM）。

**2.1 激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）**
L-PBF具有最高成形精度，通过高能束（激光或电子束）选择性熔化粉末床上的金属粉末，逐层冶金结合形成实体。分为选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）和电子束熔化（Electron Beam Melting, EBM）。SLM在惰性气体保护下利用光纤激光熔化粉末，光斑直径达数十微米，成形精度可达0.1 mm，相对密度99.5%~99.9%，冷却速率10³~10⁸ °C/s，有利于晶粒细化。适用于Ti-6Al-4V、不锈钢、镍基高温合金、AlSi10Mg等。EBM在真空环境下利用电子束熔化粉末，高温预热有效降低残余应力，真空环境防止氧化，特别适用于钛合金等易氧化材料的制造。

**2.2 定向能量沉积（Directed Energy Deposition, DED）**
DED通过喷嘴同步送粉或送丝，利用高能束在基板上形成熔池直接沉积材料，突破L-PBF的尺寸限制，成形效率高、材料适应性广，可用于大型构件制造和原位修复。分为激光金属沉积（Laser Metal Deposition, LMD）和电子束沉积（Electron Beam Deposition, EBD）。LMD以高功率激光为热源，材料利用率高于90%，热影响区可控，但成形精度和表面质量较低，需后续机加工。EBD在真空环境下利用电子束熔化粉末或丝材，能量密度高且调节范围宽，可有效熔化钨、钼等难熔金属，但受真空室尺寸限制，设备成本较高。

**2.3 电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）**
WAAM以电弧为热源、金属丝材为原料，基于弧焊技术（如熔化极气体保护焊、钨极气体保护焊、等离子弧焊）逐层沉积成形。沉积速率是DED的5~10倍，丝材利用率接近100%，设备成本低，适用于米级及以上大型构件制造，如船舶大型结构件中的肋板、横梁等。但电弧能量分散导致热输入高、残余应力和变形风险大，成形精度和表面质量较低，需后续加工。

**3. 金属增材制造在海洋装备中的应用**
金属增材制造在海洋领域展现出独特优势：减少焊缝、降低贵金属消耗、解决高硬度/薄壁件加工难题、实现复杂内流道结构制造、解放数字设计自由度，以及解决难寻备件和应急更换问题。

**3.1 推进系统**
传统螺旋桨采用钛合金铸造，工艺复杂、成本高、材料利用率低（20%~30%）。2017年，RAMLAB等机构利用WAAM制造出世界首个三叶螺旋桨“WAAMpeller”（直径1.35 m，重400 kg）。2021年，同一团队制造了直径2.5 m、由五个叶片组装的螺旋桨，获得法国船级社（BV）认证，并安装于猎雷舰。2025年，Curtiss-Wright等为美国海军制造了首个经过认证的金属增材制造潜艇叶轮。在性能方面，VELO3D采用优化设计制造CuNi30合金螺旋桨，内部多孔蜂窝结构有效减振降噪。研究人员还系统研究了WAAM制造铜合金螺旋桨的工艺路线，以及利用材料挤出（Material Extrusion, MEX）制造热塑性复合材料螺旋桨的性能。人工智能（AI）也被用于优化316L不锈钢螺旋桨的打印过程，实现晶粒尺寸主动控制。

**3.2 水下航行器壳体与结构**
传统壳体采用“锻造+分段焊接”工艺，焊缝多、易产生缺陷和变形。金属增材制造可实现整体成形。张等人通过L-PBF制造316L不锈钢和Corrax（CX）不锈钢薄壁圆柱壳，研究了微观结构对稳定性的影响。工程应用方面，Riptide Autonomous Solutions利用金属增材制造生产微型无人水下潜航器（UUV）壳体（直径7.5英寸，设计深度1500 m）。Anduril Industries在2025年交付了采用3D打印壳体的Dive-LD自主水下航行器（AUV），作业深度达6000 m。对于半球壳体，罗斯托克大学通过3D打印制造了直径70 mm的钛合金和陶瓷半球，并在压力罐中测试。加拿大ISE公司利用电子束增材制造（EBAM）技术生产钛合金可变压载舱，生产时间缩短50%。水下精密传感器壳体方面，夏等人提出基于周期位移放大结构的低频换能器壳体，共振频率2400 Hz，发射电压响应达122 dB。王等人利用选择性激光熔化（SLM）制造AlSi10Mg换能器，阻尼系数接近甚至优于传统7075铝合金。

**3.3 船体结构与船载设备及组件**
金属增材制造在船舶轻量化中发挥重要作用。MX3D与KM Yachtbuilders合作，利用WAAM集成成形长4 m、重180 kg的铝合金龙骨，减少了焊缝数量并提升了结构完整性。船载设备方面，Hunt Valve与Lincoln Electric首次在潜艇上安装增材制造阀组，制造周期缩短至传统工艺的三分之二。Marotta Controls利用激光粉末床熔融（L-PBF）打印Inconel 625冷热水阀，交付周期缩短70%，并通过冲击和振动测试。Aidro制造了316L不锈钢方向控制阀和平衡阀，通过优化内流道实现减重和性能提升。液压组件方面，研究人员通过拓扑优化和流道再设计，将液压阀体重量减轻60%，并开发了集成定向能量沉积（DED）与减材制造的混合工艺。RENISHAW对液压集成块进行再设计，体积减少79%，重量减少36%，流动效率提升60%。浙江大学团队开发了多目标优化布局方法，使集成块重量、体积和压力损失分别减少84%、44%和40%。此外，还探索了仿生设计与制造。

**3.4 海洋装备维修与应急保障**
传统维修方法（如手工电弧焊、钨极惰性气体保护焊）依赖备件库存和基地级维护，维修周期长、成本高。金属增材制造，特别是定向能量沉积（DED），具备原位修复能力、精确材料沉积和低热输入优势。激光金属沉积（LMD）已成功用于修复螺旋桨叶片空蚀、大型艉轴磨损和海水泵阀体腐蚀，修复后性能可超过母材。Kongsberg Ferrotech开发了“水下增材制造延长寿命”技术，在Equinor设施完成超过30 km无缺陷焊接测试。孙桂芳团队开发了水下激光沉积技术，可一步制备氮间隙固溶高熵合金（HEA）修复层，显著提高耐腐蚀性能。在应急保障方面，美国海军在埃塞克斯号（USS Essex）上试验了WAAM系统，实现按需制造。2024年，CAMRE团队在萨默塞特号（USS Somerset）上安装混合金属3D打印设备，成功制造了反渗透泵关键部件，解决了淡水生产紧急故障。

**4. 金属增材制造在海洋装备中的挑战与趋势**

**4.1 大型构件制造**
大型构件制造面临设备尺寸与工艺稳定性、变形与残余应力、表面质量与后处理、成本效益与生产效率等挑战。海洋螺旋桨直径常超过2.5 m，压力壳体长达数米，现有金属增材制造系统构建舱尺寸有限，且长时间制造中参数波动易导致缺陷。残余应力累积导致变形和开裂，表面粗糙度影响疲劳和腐蚀性能，后处理成本高。经济性方面，设备投资、粉末消耗和长时间打印推高了成本。

**4.2 材料与工艺标准化**
材料层面，金属粉末的物理化学特性（粒度、分布、球形度、流动性等）缺乏统一标准，不同批次和供应商间性能差异大。新合金的开发及冶金行为理解仍需深入。工艺层面，参数空间庞大（激光功率、扫描速度、层厚等），缺乏标准化规程，难以保证复现性。后处理（如混合增减材制造）也需标准化。无损检测（NDT）技术和验收标准尚不完善。此外，缺乏船级社（如美国船级社ABS、挪威船级社DNV、法国船级社BV）广泛认可的认证标准，限制了负载部件的安全应用。

**4.3 智能制造与数字技术集成**
数字孪生（Digital Twin, DT）技术可实现物理实体与虚拟空间的实时交互，但面临数据源异构、建模精度和动态不确定性等挑战。混合学习数字孪生框架可集成人工智能（AI）与领域知识。AI与机器学习（ML）在多个关键环节发挥重要作用：设计优化、工艺参数优化、缺陷检测与实时监控。例如，基于时间序列基础模型的缺陷预测框架可提前预测缺陷；深度学习模型用于熔池跟踪和异常检测。大数据、机器学习与数字孪生的深度融合将推动金属增材制造从数字化向智能化演进。

**4.4 可持续性与循环制造**
金属增材制造通过逐层沉积显著减少材料浪费。例如，WAAM的材料利用率接近100%，而传统砂型铸造仅20%~30%。同时，轻量化设计和部件整合可进一步降低能耗和材料使用。循环制造模式通过“收集-回收-制造”闭环系统实现材料循环，但需解决金属合金的长期可用性和关键性评估问题。不同材料（碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金、镍铜合金）在耐久性、经济性和可持续性方面各有优劣，需根据应用场景审慎选择。

**5. 结论（Conclusions）**
金属增材制造正深刻改变海洋装备的研发与制造模式。综述总结了激光粉末床熔融（L-PBF）、定向能量沉积（DED）和电弧增材制造（WAAM）在推进系统、水下航行器壳体、船体结构与设备、维修保障等领域的研究进展。当前仍面临大型构件制造、标准化、智能制造集成和可持续性等挑战。未来随着关键技术突破和标准体系完善，应用前景将更加广阔。同时指出研究空白：长期腐蚀与疲劳数据缺乏、增材制造修复的认证标准缺失、大型电弧增材制造（WAAM）实时质量控制不足、激光粉末床熔融（L-PBF）中尺寸部件的成本效益问题，以及人工智能在海洋环境中的验证研究有限。