激光快速成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

王靜 蔡清華 任維 趙萍

摘 要：激光快速成形技術(shù)成為目前以鈦合金為代表的金屬零件制造的重要手段，文章系統(tǒng)地介紹國(guó)內(nèi)外該技術(shù)的研究縣長(zhǎng)，指出了該技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用中存在的問題，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)給出了科學(xué)預(yù)測(cè)和對(duì)策。

關(guān)鍵詞：激光；快速成形；鈦合金

引言

激光快速成形技術(shù)產(chǎn)生于上個(gè)世紀(jì)八十年代，與傳統(tǒng)減式成形相比，由于其獨(dú)特的成形思路，靈活快捷的制造方法，能達(dá)到所想即所得。到九十年代，激光快速成形技術(shù)風(fēng)行全世界。近幾年，以新型飛機(jī)機(jī)體、新一代大推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制為背景，由于激光快速成形技術(shù)在不需要大型加工設(shè)備和工裝的情況下，快速高效地制造出致密度較高的金屬零件，使得該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。以鈦合金為代表的高溫合金在航空航天領(lǐng)域的諸多重要應(yīng)用，使得鈦合金激光快速成形為新的研究熱點(diǎn)，這些重大技術(shù)需求有力地推動(dòng)了金屬材料激光快速成形技術(shù)在航空航天重大工程中的應(yīng)用[1-3]。同時(shí)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，一些對(duì)于金屬材料增量制造的技術(shù)難點(diǎn)，看起來也不是不可克服，這為以金屬材料為主的激光快速成形技術(shù)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。

我國(guó)在激光快速成形技術(shù)方面取得了不少成果。但是，與世界先進(jìn)水平相比還有較大的差距。因此，研究其國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)我國(guó)激光快速成形水平的提高具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

文章論述了激光快速成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀，指出了激光快速成形技術(shù)領(lǐng)域存在的問題，對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了科學(xué)預(yù)測(cè)。

1 激光快速成形技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于激光快速成形技術(shù)的研究最早開始于1979年，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司利用高能束沉積多層金屬來獲得大體積金屬零件，可以看作是金屬零件激光增量制造技術(shù)的雛形。1982年他們把該項(xiàng)技術(shù)命名為“LAYERGLAZE”。九十年代中期，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司與美國(guó)桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)了使用Nd：YAG固體激光器和同步粉末輸送系統(tǒng)的全新理念的激光工程化凈成形技術(shù)，成功的把同步送粉激光熔覆技術(shù)和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)融合成先進(jìn)的激光快速成形技術(shù)，使激光快速成形技術(shù)進(jìn)入了嶄新發(fā)展階段[4]。

美國(guó)MTS公司創(chuàng)建的開發(fā)性子公司AeroMet公司的研究開發(fā)工作帶有更濃的商業(yè)色彩，主要研究方向?yàn)檐娛潞蜕虡I(yè)領(lǐng)域內(nèi)航空鈦合金構(gòu)件的激光快速成形技術(shù)，開發(fā)了如圖1所示的激光快速成形制造系統(tǒng)用于鈦合金構(gòu)件的制造。成形的鈦合金構(gòu)件主要是用于實(shí)際飛機(jī)上，構(gòu)件達(dá)到近終形，公司的制造效率有了明顯的提高，其單層堆積厚度達(dá)到4 mm，單道堆積寬度達(dá)到13 mm，堆積速率達(dá)到10立方英寸/小時(shí)。2001年起開始為波音公司生產(chǎn)F/A-18E/F艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機(jī)供應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙推力拉梁。

美國(guó)洛斯·阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了不銹鋼、工具鋼、高溫合金、銅合金、鈦合金、難熔金屬、金屬間化合物等材料的直接成形研究，零件性能與常規(guī)方法制件的性能相當(dāng)[5]。

加拿大渥太華大學(xué)的 Ehsan Toyserkani 等人建立一套帶有熔覆層厚度檢測(cè)系統(tǒng)的激光快速成形系統(tǒng)（如圖3所示），此系統(tǒng)集成了激光器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度的激光快速制造和修復(fù)金屬零部件[6]。

圖3 渥太華大學(xué)研發(fā)的快速成形系統(tǒng)

英國(guó)的 Stork-gears 公司是最早也是國(guó)際上最知名的齒輪箱激光再制造企業(yè)，Stork 公司的研究工作者，開發(fā)了基于光纖激光器的激光快速成形系統(tǒng)（如圖3所示），此系統(tǒng)集成了了光纖激光器、同軸送粉系統(tǒng)、同軸 CCD 熔池檢測(cè)系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)或者數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖4 Stork-gears 公司研發(fā)的快速成形系統(tǒng)

此外，美國(guó)的利哈伊大學(xué)、克萊姆森大學(xué)、密蘇里-羅拉大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，英國(guó)的伯明翰大學(xué)和利物浦大學(xué)，加拿大國(guó)家科學(xué)院集成制造技術(shù)研究所等國(guó)際上眾多的大學(xué)和研究所，也紛紛進(jìn)行了激光快速成形技術(shù)研究，并都取得了一定的研究成果。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)激光快速成形技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，雖然起步較晚，但是隨著激光加工技術(shù)的普及和人們對(duì)激光修復(fù)熱處理技術(shù)的了解，越來越多的大學(xué)、研究所和企業(yè)單位正逐漸意識(shí)到該項(xiàng)技術(shù)的巨大發(fā)展前景，紛紛開展了一些有意義的研究工作。

西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃衛(wèi)東教授首先于1995年在快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了激光立體成形技術(shù)的研究思路，由此展開了金屬零件激光增量制造系統(tǒng)研究[3]。1997年，西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與北京航空工藝研究所聯(lián)合獲得航空基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助，開展了激光快速成形技術(shù)研究。在建立激光立體成形系統(tǒng)的同時(shí)，對(duì)不同工藝參數(shù)對(duì)成形特性的影響進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，獲得了形狀較為復(fù)雜的激光立體成形金屬零件，成形件外形規(guī)整，表面質(zhì)量良好、無缺陷。

圖5 西北工業(yè)大學(xué)激光快速成形系統(tǒng)及產(chǎn)品

北京航空航天大學(xué)2005年以來激光快速成形TA15、TC4等多種鈦合金結(jié)構(gòu)件，已實(shí)現(xiàn)在飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用，零件材料利用率提高了5倍、制造周期縮短了2/3，制造成本降低了1/2以上[7]。

華中科技大學(xué)激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從 1984 年開始進(jìn)行激光熔覆技術(shù)的研究與開發(fā)，在熔覆合金粉末設(shè)計(jì)、激光熔覆工藝和關(guān)鍵輔助設(shè)備等方面進(jìn)行了大量的研究工作，在激光熔覆工藝與材料方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[6]。

沈陽(yáng)大陸激光技術(shù)有限公司自 1998年創(chuàng)辦以來，就致力于激光熔覆技術(shù)和激光再制造產(chǎn)品的開發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用， 逐步形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系和質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。目前，已先后對(duì)石化、電力、冶金等十幾個(gè)行業(yè)的幾十種產(chǎn)品進(jìn)行了激光再制造，得到了二百多家企業(yè)的認(rèn)可和信賴。

圖6 沈陽(yáng)大陸激光的一些快速成形產(chǎn)品

清華大學(xué)激光加工研究中心在開展基于直接金屬沉積原理的激光快速柔性制造技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，自行研制的 THPF21 型自動(dòng)送粉器和 THCN23 型同軸送粉噴嘴，并用一臺(tái) Marathon-MR1S 雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫探頭來監(jiān)測(cè)制造過程中的熔池溫度， 用具有瞄準(zhǔn)功能的紅外探測(cè)頭來檢測(cè)并反饋控制零件熔覆高度的凹凸點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)率先進(jìn)行了激光制造過程的實(shí)時(shí)檢測(cè)與閉環(huán)控制研究，提高了激光增量制造制造零件的精度，保證了制造過程的穩(wěn)定性[3]。

2 激光快速成形技術(shù)存在的問題

在作為國(guó)家戰(zhàn)略的航空航天領(lǐng)域中，飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、飛船、衛(wèi)星等先進(jìn)國(guó)防裝備中大量采用大型復(fù)雜整體鈦合金、高溫合金結(jié)構(gòu)件（如航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤/葉片、飛機(jī)整體鈦合金隔框等）?，F(xiàn)有的大型復(fù)雜整體鈦合金、高溫合金結(jié)構(gòu)件均采用傳統(tǒng)鍛造與機(jī)械加工相結(jié)合的方法制造的，而我國(guó)尚不具備的大型與超大型工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施（如：4～10萬(wàn)噸級(jí)水壓機(jī)、100噸米以上的超大自由鍛造設(shè)備等），且制造過程產(chǎn)生大量的切削廢料，造成材料的浪費(fèi)，同時(shí)，加工制造周期長(zhǎng)，成本居高不下。采用金屬零件激光快速成形技術(shù)可在無需重型或超重型鍛鑄工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等的條件下，直接實(shí)現(xiàn)鈦合金、高溫合金等高性能“近終形”復(fù)雜零部件的無?？焖俪尚沃圃?。如采用激光快速成形技術(shù)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片可縮短葉片制造周期2/3以上，降低制造成本1/2以上。在快速模具制造領(lǐng)域，激光快速成形技術(shù)可以采用客戶所希望的材料來制造零件，大幅度減少零件的交貨時(shí)間，降低新產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。

但是激光快速成形技術(shù)在制造領(lǐng)域進(jìn)一步的推廣應(yīng)用仍然面臨一些技術(shù)瓶頸需要解決：即激光快速成形的結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、長(zhǎng)期使用可靠性和質(zhì)量一致性難以保證，結(jié)構(gòu)件內(nèi)部?jī)?nèi)應(yīng)力的大小和分布、氣孔和裂紋缺陷難以控制或消除，激光增量制造的結(jié)構(gòu)件缺乏檢測(cè)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制造效率、質(zhì)量和成本之間的關(guān)系較難協(xié)調(diào)等。此外，激光快速成形的結(jié)構(gòu)件的性能與材料和成分密切相關(guān)，對(duì)于一些韌性較低的高溫鈦合金、高溫合金，通過激光快速成形技術(shù)得到的該類材料結(jié)構(gòu)件的綜合力學(xué)性能等若達(dá)到使用要求還有不小的難度。由此可見，對(duì)于激光快速成形技術(shù)還缺乏對(duì)于材料問題以及材料與工藝的關(guān)系等基礎(chǔ)問題的研究，尚未找到材料、工藝和設(shè)備之間協(xié)調(diào)控制的方法，因此，亟需開展激光快速成形技術(shù)材料及其成形機(jī)理的研究，并開發(fā)適合相關(guān)工藝的成形裝備。

3 展望與對(duì)策

3.1 加快成形材料性能的研究。根據(jù)“Rapid Prototyping Report”對(duì)讀者的調(diào)查[8]，目前激光快速成形材料的性能大多不太理想，成形件的物理性能不能滿足功能性零件的要求，必須借助于轉(zhuǎn)換技術(shù)（即快速制模技術(shù)）才能生產(chǎn)出令人滿意的零件，這大大增加了過程的復(fù)雜程度，使成本、時(shí)間增加，而精度降低，因此開發(fā)和應(yīng)用能夠直接成形滿足功能零件性能要求的材料將激光快速成形技術(shù)發(fā)展又一個(gè)重要方向。

3.2 加快高功率激光器的研究。激光快速成形技術(shù)的核心之一就是包括光纖激光器，半導(dǎo)體激光器等在內(nèi)先進(jìn)的大功率激光器，但目前，我們研發(fā)的快速成形設(shè)備所用激光器都是進(jìn)口的，這樣，很容易被別人卡脖子，因此，加快高功率激光器的研究是我國(guó)激光快速成形技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

3.3 加快激光快速成形工藝的研究。激光快速成形工藝是激光快速成形技術(shù)能否得到應(yīng)用的重點(diǎn)，也是重要的技術(shù)難點(diǎn)。通過快速成形過程分層路徑規(guī)劃和工藝參數(shù)調(diào)整等措施，可以解決增量制造零件的應(yīng)力集中和變形問題。

4 結(jié)束語(yǔ)

激光快速成形技術(shù)作為一種新型制造技術(shù)，必將在幾十年來飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上，不斷開發(fā)出新的成形工藝，成形材料及成形設(shè)備，現(xiàn)有的工藝也必將朝著精密化、低成本、高效率、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，并將極大地提升飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車和船舶等重大國(guó)防和工業(yè)裝備的制造水平和研發(fā)生產(chǎn)能力，因此，意義重大。目前，金屬快速成形技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外被廣泛關(guān)注， 并被應(yīng)用于整體、大型、超長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，但我國(guó)對(duì)該技術(shù)的研究起步較晚，目前先進(jìn)國(guó)防裝備中大量采用大型復(fù)雜整體鈦合金、高溫合金結(jié)構(gòu)件仍然采用傳統(tǒng)的制造手段，因此，迫切需要我們加大在該領(lǐng)域的投入，加快加深該領(lǐng)域的核心技術(shù)問題的研究，解決目前存在的問題，使該技術(shù)盡快應(yīng)用于重大裝備制造領(lǐng)域。

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