L-SS:大功率金屬激光熔覆-熔化-燒結(jié)成形制造平臺(tái)

江蘇永年激光技術(shù)有限公司 顏永年 張定軍 陳振東 荊 紅 黃曉峰

清華大學(xué)老科協(xié)先進(jìn)制造技術(shù)項(xiàng)目部 張人佶 汪復(fù)興 盧清萍 程萌芊

在激光三維增材成形技術(shù)領(lǐng)域中，激光熔覆沉積成形——LCD*LCD即激光工程凈成形——LENS(Laser Engineering Net Shaping)，該技術(shù)在1999年被評(píng)為世界最有活力的25項(xiàng)高新技術(shù)之一。(Laser Cladding Deposition)和選擇性激光熔化成形——SLM(Selective Laser Melting)是最為重要的無偏析和高柔性金屬成形技術(shù)。LCD可將金屬熔滴沉積在任意界面，可完成尺寸大、重量重、高性能、高可靠性的金屬結(jié)構(gòu)件，因而受到航空等高端制造界的青睞。SLM是三維打印家族中，在成形件的復(fù)雜程度方面，名列第一，可完成嵌套性、蜂窩性和三維曲線腔管性結(jié)構(gòu)的成形。

LCD、SLM兩種成形工藝，根據(jù)CIMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))的原理，在一個(gè)主控計(jì)算機(jī)管理和控制系統(tǒng)的管控下，可以采用同一種激光器系統(tǒng) (同一個(gè)激光器件、冷水機(jī)、電源、控制器)以及同一套真空系統(tǒng)、惰性氣氛系統(tǒng)等，通過光纖和光閘“全功率分時(shí)”或“分功率同時(shí)”，傳輸給LCD的熔覆頭和SLM的振鏡，分時(shí)或同時(shí)完成激光熔覆和激光熔化工藝。根據(jù)微粒融化與微滴沉積的先后關(guān)系，可分為:“之前熔化”、“同時(shí)熔化”和“之后熔化”三類。

“之前熔化”:合金粉末微粒從離開噴嘴孔至熔池的沉降路徑上已被激光完全熔化 (也有部分熔化)，熔化的微滴進(jìn)入熔池組裝成形，粉末先熔化后沉積組裝，屬LCD范疇，常見于同軸送粉LCD。

“同時(shí)熔化”:粉末微粒到達(dá)熔池的瞬間才即刻融化，也就是邊熔化成液態(tài)微滴邊沉積組裝，常見偏軸送粉LCD等。

“之后熔化”:激光根據(jù)掃描路徑對(duì)當(dāng)前層粉末微?！雅m在粉床上并被壓實(shí)的粉末微粒(已先沉積)進(jìn)行聚焦熔化 (之后熔化)，功率足夠的激光束，完全熔化被聚焦的粉末微粒及已成形的上一層金屬實(shí)體的表層，使其熔為一體，冶金結(jié)合而成形，即SLM?！爸笕刍钡牧硪环N情況，被稱為選擇性激光燒結(jié)，即降低激光的功率，其僅能熔化被聚焦的金屬粉末微粒的表層，并與已成形金屬實(shí)體表層相冶金結(jié)合，類似粉末冶金燒結(jié)過程，從而得名選擇性激光燒結(jié)，即SLS——Selective Laser Sintering。

由于SLS與SLM具有相同的成形機(jī)理，僅激光功率大小不同。采用SLS與SLM一樣，可完成復(fù)雜的，其他工藝難以完成的嵌套性、蜂窩性、三維曲線腔管性結(jié)構(gòu)，SLS適用于非金屬，SLM適用于金屬。本平臺(tái)將SLS也納入集成平臺(tái)系統(tǒng)，使其功能更強(qiáng)大，用途更廣泛。集成LCD、SLS、SLM形成一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)，簡稱L-SS平臺(tái)，屬于國際首創(chuàng) (見圖1)。

大功率金屬激光熔覆-熔化-燒結(jié)成形制造平臺(tái)由“計(jì)算機(jī)集成管理-控制系統(tǒng)” (控制系統(tǒng))、“成形-修復(fù)子平臺(tái)”(簡稱子平臺(tái))和“部件”所組成?？刂葡到y(tǒng)由總控計(jì)算機(jī) (總控PC)、激光PLC、SLM/SLS PLC(即熔化-燒結(jié)PLC)、熔覆-機(jī)器人PLC、機(jī)床PLC(包括三軸數(shù)控機(jī)床、臥式花盤車床、立式花盤臺(tái)架的PLC)、氣體凈化PLC(包括真空系統(tǒng)PLC)和LCD PLC(即激光熔覆沉積成形PLC)共七個(gè)控制子系統(tǒng)組成 (見圖2)。

圖1 LCD、SLM/SLS示意圖

圖2 計(jì)算機(jī)集成管理-控制系統(tǒng)框圖

子平臺(tái)有軸桿類子平臺(tái)、盤類子平臺(tái)、LCD子平臺(tái)、SLM子平臺(tái)和SLS子平臺(tái)，LCD和SLM子平臺(tái)共用一個(gè)惰性氣氛成形室以及相應(yīng)的支持子系統(tǒng)。部件有激光器部件熔覆-機(jī)器人部件和氣體凈化 (包括真空系統(tǒng))部件。

本平臺(tái)采用先進(jìn)碟片式激光器，保證了高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化、穩(wěn)定的激光束，恒定不變的發(fā)散角，采用光纖傳導(dǎo)外光路傳導(dǎo)系統(tǒng)、管路LCD送粉系統(tǒng)和SLM/SLS舖粉系統(tǒng)，為激光融覆-燒覆-燒結(jié)過程提供金屬粉末。LCD子平臺(tái)和SLM子平臺(tái)均安裝在密封的惰性氣氛加工室內(nèi)，分別執(zhí)行LCD和SLM工藝，通過充入氬氣和氮?dú)馀懦芊饧庸な覂?nèi)的空氣，利用凈化系統(tǒng)去除加工室內(nèi)的氧和水，使整個(gè)激光融覆-熔化過程處于惰性氣氛工作環(huán)境，減少氧化，保證質(zhì)量。執(zhí)行SLM和LCD工藝時(shí)，激光束通過光導(dǎo)纖維分別傳輸給掃描振鏡系統(tǒng)和LCD熔覆頭，激光聚焦在粉床的粉面上熔化粉末，或聚焦已熔覆成形的界面上，而逐層堆積成形。通過CCD云臺(tái)攝像監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視觀察加工過程。

目前，我公司正在研發(fā)、設(shè)計(jì)制造一臺(tái)4000W和一臺(tái)10000W的L-SS平臺(tái)，其中4000W L-SS平臺(tái)為永年公司自己使用;另一臺(tái)10000W LSS平臺(tái)為某單位定制設(shè)備，已簽署訂購合同。預(yù)計(jì)兩臺(tái)設(shè)備于2014年8月份運(yùn)行 (見圖3)。本平臺(tái)的可達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為:

圖3 大功率激光金屬熔覆-熔化-燒結(jié)3D打印平臺(tái)系統(tǒng)三維示意圖

(1)LCD:①沉積速率16至320立方厘米/小時(shí);②沉積速度:500到2400毫米/分鐘;③光束直徑 (光斑大小):0.5毫米到6毫米直徑;④層厚度:0.1毫米到1.6毫米;⑤硬度:完全硬化“淬火”;⑥粉末效率:40% ～80%(取決于產(chǎn)品);⑦激光功率:1000～4000W;⑧材料:不銹鋼、高強(qiáng)鋼、高溫合金、鈦合金、鋁合金、高碳鋼、結(jié)構(gòu)鋼等。

(2)SLM/SLM:①成形空間:400mm×400mm×450mm(或根據(jù)用戶要求確定);②光束直徑 (光斑大小):0.5毫米到2毫米直徑;③成形精度:±0.1～0.2mm/100mm;④成形層厚:0.1mm～0.2mm;⑤激光功率:100～4000W;⑥材料:金屬材料——不銹鋼、高強(qiáng)鋼、高溫合金、鈦合金、鋁合金、高碳鋼、結(jié)構(gòu)鋼等，非金屬材料——陶瓷、覆膜砂、生物材料等。

本平臺(tái)的應(yīng)用范圍很廣，其中子平臺(tái)SLS/SLM屬“之后熔化”范疇，金屬微滴受到未熔化金屬微粒的支撐，從成形的角度分析，相當(dāng)于熔化的金屬受到砂型的支撐——鑄造，這是復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形的前提;更為重要的是，這是一種微滴沉積過程中的實(shí)時(shí)的支撐，完全不需要預(yù)先制造砂型 (芯)，因而具有最大的制造柔性，可完成非常復(fù)雜的、精細(xì)的、表面粗糙度很低的 (如12.5級(jí))各種合金材料結(jié)構(gòu)，可用于各高端制造領(lǐng)域;SLM/SLS中間結(jié)構(gòu)制造優(yōu)點(diǎn)是隨型冷卻流道發(fā)模具和發(fā)動(dòng)機(jī)成形制造的利器。LCD屬本平臺(tái)將制造功能與修復(fù)功能統(tǒng)一起來，即通過金屬微滴在支撐結(jié)構(gòu)或磨損的零件上沉積組裝，而完成成形制造和修復(fù)制造，適用的領(lǐng)域也很廣，如航空、核電、石油、軍工裝備、模具以及礦山和鋼鐵企業(yè)。

目前中國模具產(chǎn)量逐年上升，已達(dá)世界第一(見圖4)，全球超過40%的模具產(chǎn)品都是在中國制造。但模具平均壽命卻只有歐美產(chǎn)品的1/3，甚至更少。中國模具行業(yè)每年存在10億元左右的貿(mào)易逆差，如圖5所示，而且出口產(chǎn)品多為短壽命、低檔次模具，高質(zhì)量模具嚴(yán)重依賴進(jìn)口。3D打印技術(shù)是提高模具水平的核心和關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)外合金鋼模具壽命對(duì)比圖見圖6。硬質(zhì)合金模具壽命對(duì)比圖見圖7。性能差距見表1。該表說明國外采用3D打印技術(shù)提升模具全面質(zhì)量的情況。

從上述中國模具行業(yè)一般情況可看出，我國急需金屬3D打印技術(shù)和裝備，以提升模具水平。

圖4 中國模具產(chǎn)量逐年上升圖

圖5 中國模具行業(yè)貿(mào)易逆差圖

圖6 國內(nèi)外合金鋼模具壽命對(duì)比圖

圖7 國內(nèi)外硬質(zhì)合金模具壽命對(duì)比

表1 采用3D打印技術(shù)提升模具質(zhì)量對(duì)比表

L-SS平臺(tái)的LCD技術(shù)在航空航天制造領(lǐng)域同樣具有巨大的應(yīng)用意義，航空航天高溫合金渦輪盤和葉片是航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零部件，高溫合金渦輪盤、葉片屬高端結(jié)構(gòu)件，采用LCD技術(shù)修復(fù)可獲得再制造的極佳效果。LCD修復(fù)和直接制造技術(shù)，修復(fù)制造高溫合金渦輪盤和葉片，具有最高的材料特性，最完整的修復(fù)性，最小的熱影響區(qū)，最高的性能質(zhì)量，最小的原件損傷和最小的材料消耗。圖8是美國Optomec公司采用LENS(即LCD)技術(shù)修復(fù)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金壓氣機(jī)渦輪盤。圖9為高溫合金渦輪盤。圖10為鈦合金整體渦輪盤的直接制造。圖11為該公司公布的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。

圖8 鈦合金盤

圖9 高溫合金盤

圖10 鈦合金整體盤

圖11 葉片

采用LENS技術(shù)，完成航空合金結(jié)構(gòu)件制造，可大量節(jié)省貴重合金材料，材料消耗減少90%左右，此外開發(fā)時(shí)間大幅縮短，特別是減少第一件制造時(shí)間，具有重大意義。LCD(LENS)技術(shù)經(jīng)14年的發(fā)展，不但精度大大提高，達(dá)到直接制造的水平，而且鈦合金件的尺寸已可達(dá)到3米水平。北京航空航天大學(xué)采用LCD技術(shù)完成C919大飛機(jī)翼肋，獲國家一等獎(jiǎng)，見圖12;美國DM3D公司 (原名POM公司)采用LENS技術(shù)完成飛機(jī)翼肋，高度超過2米，見圖13;西北工業(yè)大學(xué)采用相同的LCD技術(shù)完成航天飛行器舵的一體化制造，圖14為熔復(fù)過程的照片。

圖12 C919大飛機(jī)翼肋 (中國)

圖13 DM3D大機(jī)肋(美國)

圖14 航天飛行器舵(中國)

由于LCD技術(shù)是基于金屬的“微粒熔化-微滴組裝”的直接制造原理，LCD技術(shù)具有極其光明的應(yīng)用前景，采用LCD技術(shù)還可完成材料梯度結(jié)構(gòu)成分的快速篩選 (Screening)，包括快速合金組分確定 (rapid alloy discovery)，MMC制造 (局部金屬或陶瓷制造。LCD技術(shù)與其他技術(shù)相比，是最節(jié)省合金材料的制造技術(shù)。

據(jù)調(diào)查，我國飛機(jī)制造企業(yè)，如沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī) (集團(tuán))有限責(zé)任公司、江西洪都航空工業(yè)和集團(tuán)有限責(zé)任公司、航宇救生裝備有限公司、陜西飛機(jī)工業(yè) (集團(tuán))有限公司、江西洪都航空工業(yè)股份有限公司、江西昌河航空工業(yè)有限公司、慶安集團(tuán)有限公司、貴州黎陽機(jī)械廠、深圳市中集天達(dá)空港設(shè)備有限公司、貴州新藝機(jī)械廠，均希望采用LCD技術(shù)。

同時(shí)，鋼鐵企業(yè)的煉鋼、熱軋、冷軋、鍍鋅等生產(chǎn)過程中使用著大量的高載荷、低轉(zhuǎn)速、高合金的承載設(shè)備，其零部件在生產(chǎn)工況環(huán)境下服役，產(chǎn)生腐蝕、磨損和疲勞損傷或失效報(bào)廢，為鋼鐵生產(chǎn)中形成了最大的備件消耗，占據(jù)著很大的生產(chǎn)成本。據(jù)初步估算，全國鋼鐵行業(yè)每年僅各種軋鋼生產(chǎn)線上的重要零部件消耗達(dá)100億元。傳統(tǒng)辦法主要是更換這些設(shè)備零部件，甚至因零部件無法使用報(bào)廢或者更換整機(jī)，必須儲(chǔ)備大量的備件，占用巨額的資金、倉儲(chǔ)資源。同時(shí)，損傷失效和報(bào)廢的零部件或者整機(jī)基本上作為廢品處理，如此連鎖損失，造成了更大的浪費(fèi)。本平臺(tái)之LCD技術(shù)是一種激光熔覆仿形修復(fù)技術(shù)，在鋼鐵行業(yè)用處極為廣泛。

采用LCD激光熔覆沉積技術(shù)，既能使失效或報(bào)廢設(shè)備及零部件重新使用，又可以使新品延長使用壽命，甚至可以多次修復(fù)。據(jù)調(diào)查，寶鋼、鞍鋼、本鋼、首鋼、武鋼、唐鋼、太鋼、攀鋼、包鋼，都對(duì)沉積技術(shù)非常感興趣，有的已從中受益。圖15、圖16和圖17分別為修復(fù)軋輥、表面硬化和輥件端部強(qiáng)化照片。從圖18可看出表面熔覆的細(xì)節(jié)。

圖15 修復(fù)軋輥

圖16 表面硬化

圖18 表面熔覆的細(xì)節(jié)

同樣本平臺(tái)也在應(yīng)用于醫(yī)療器械中，鈦合金(Titanium Alloy)是生物相容極性好的合金，其蜂窩結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)，被大量用于醫(yī)療器械:支架置入體、蜂窩置入體，修復(fù)損傷骨組織，疏松骨組織，組織工程支架等。本平臺(tái)具有優(yōu)良的各類鈦合金成形和修復(fù)能力。圖19鈦合金胯關(guān)節(jié)，圖20鈦合金蜂窩顱骨支架，圖21鈦合金蜂窩置入體，圖22鈦合金蜂窩支架。

圖19 鈦合金胯關(guān)節(jié)圖

圖20 鈦合金蜂窩顱骨支架

圖21 鈦合金蜂窩置入

圖22 鈦合金 (Titanium)蜂窩支架