高性能金屬零件激光增材制造技術(shù)研究進(jìn)展*

（西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054）

增材制造（Additive Manufacturing,AM）是依據(jù)三維模型數(shù)據(jù)將材料連接制作成物體的過程，相對(duì)于減法制造，它通常是逐層累加的過程[1]，是通過添加材料直接從三維數(shù)學(xué)模型獲得三維物理模型的所有制造技術(shù)的總稱，集機(jī)械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、電子束、激光等技術(shù)于一身，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段。學(xué)術(shù)界稱之為“增材制造”，大眾和傳媒界稱之為“3D打印”。

20世紀(jì)80年代末，增材制造技術(shù)逐步發(fā)展，而且是在全世界多個(gè)研究機(jī)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立地發(fā)展起來，因此被不同機(jī)構(gòu)賦予了不同名稱：英國(guó)利物浦大學(xué)和美國(guó)密西根大學(xué) Direct Metal Deposition（DMD）[2-3]；加拿大國(guó)家研究委員會(huì)集成制造技術(shù)研究所 Laser Consolidation（LC）[4]；瑞士洛桑理工學(xué)院 Laser Metal Forming（LMF）[5]；美國(guó) Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Laser Engineered Net Shaping(LENS）[6]；美國(guó) Los-Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 Directed Light Fabrication（DLF）[7]；美國(guó)Aeromet公司 Laser Forming（LF）或者Laser Additive Manufacturing （LAM）[8]；美國(guó)賓州大學(xué) Laser Free-Form Fabrication（LFFF）；英國(guó)伯明翰大學(xué) Direct Laser Fabrication（DLF）[9]。名稱雖然不同，但基本的技術(shù)原理卻是完全相同的，即都是基于同步送粉(送絲)的數(shù)字化增材制造技術(shù)。

AM技術(shù)主要具有以下幾個(gè)突出的特點(diǎn)：（1）直接。從原材料的粉材、絲材直接成形出來，形狀可以是任意復(fù)雜的三維零件，直接跨越了傳統(tǒng)的鑄造、鍛造、焊接等工藝，還跨越了粗加工的過程，直接到精加工，這是AM技術(shù)最主要的特點(diǎn)；（2）快速。物流環(huán)節(jié)少，制造工序少，制造周期加快；（3）綠色。跟“直接”密切相關(guān)，中間的過程少了，基礎(chǔ)零件不再被反復(fù)地加熱、冷卻，所以能耗就低了；（4）柔性。AM技術(shù)可以充分發(fā)揮設(shè)計(jì)師的想象力，設(shè)計(jì)師的自由度大，可以設(shè)計(jì)出任意結(jié)構(gòu)的零件；（5）數(shù)字化、智能化為制造業(yè)的變革帶來了可能，因?yàn)锳M技術(shù)發(fā)展使傳統(tǒng)的流水線、大工廠生產(chǎn)模式有網(wǎng)絡(luò)化的可能性。故把這種新技術(shù)說成是具有直接、快速、綠色、柔性、數(shù)字化、智能化特點(diǎn)的AM技術(shù)。

兩種典型LAM技術(shù)的成形原理及其特點(diǎn)

LAM技術(shù)按其成形原理可分為兩類：（1）以同步送粉為技術(shù)特征的激光熔覆沉積（Laser Cladding Deposition，LCD）技術(shù)；（2）以粉床鋪粉為技術(shù)特征的選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)。下面著重概述這兩種典型LAM技術(shù)的成形原理及其特點(diǎn)。

1 LCD技術(shù)成形原理及特點(diǎn)

LCD技術(shù)是快速成形技術(shù)的“疊層累加”原理和激光熔覆技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，以金屬粉末為成形原材料，以高能束的激光作為熱源，根據(jù)成形零件CAD模型分層切片信息的加工路徑，將同步送給的金屬粉末進(jìn)行逐層熔化、快速凝固、逐層沉積，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)金屬零件的直接制造。LCD系統(tǒng)主要包括：激光器、冷水機(jī)、CNC數(shù)控工作臺(tái)、同軸送粉噴嘴、送粉器及其他輔助裝置。

LCD技術(shù)集成了快速成形技術(shù)和激光熔覆技術(shù)的特點(diǎn)，具有以下優(yōu)點(diǎn)[10]：（1）無需模具，可生產(chǎn)用傳統(tǒng)方法難以生產(chǎn)甚至不能生產(chǎn)的復(fù)雜形狀的零件；（2）宏觀結(jié)構(gòu)與微觀組織同步制造，力學(xué)性能達(dá)到鍛件水平；（3）成形尺寸不受限制，可實(shí)現(xiàn)大尺寸零件的制造；（4）既可定制化制造生物假體，又可制造功能梯度零件；（5）可對(duì)失效和受損零件實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)，并可實(shí)現(xiàn)定向組織的修復(fù)與制造。主要缺點(diǎn)：（1）制造成本高；（2）制造效率低；（3）制造精度較差，懸臂結(jié)構(gòu)需要添加相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)。

2 SLM技術(shù)成形原理和特點(diǎn)

SLM技術(shù)是以快速原型制造技術(shù)為基本原理發(fā)展起來的先進(jìn)激光增材制造技術(shù)。通過專用軟件對(duì)零件三維數(shù)模進(jìn)行切片分層，獲得各截面的輪廓數(shù)據(jù)后，利用高能激光束根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)逐層選擇性地熔化金屬粉末，通過逐層鋪粉，逐層熔化凝固堆積的方式，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體金屬零件制造。選區(qū)激光熔化系統(tǒng)主要由激光器及輔助設(shè)備、氣體凈化系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)4部分組成。

SLM技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）成形原料一般為金屬粉末，主要包括不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦合金、鈷-鉻合金、高強(qiáng)鋁合金以及難熔金屬等；（2）成形零件精度高，表面稍經(jīng)打磨、噴砂等簡(jiǎn)單后處理即可達(dá)到使用精度要求；（3）適用于打印小件；（4）成形零件的力學(xué)性能良好，一般力學(xué)性能優(yōu)于鑄件，不如鍛件。主要缺點(diǎn)：（1）層厚和光斑直徑很小，導(dǎo)致成形效率很低；（2）零件大小會(huì)受到鋪粉工作箱大小的限制，不適合制造大型的整體零件；（3）無法制造梯度功能材料，也無法成形定向晶組織，不適合對(duì)失效零件的修復(fù)。

國(guó)內(nèi)外激光增材制造技術(shù)的最新研究進(jìn)展

1 國(guó)內(nèi)外LCD技術(shù)最新研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)外對(duì)于LCD技術(shù)的工藝研究主要集中在如何改善組織和提高性能。美國(guó)OPTOMEC公司和Los Alomos實(shí)驗(yàn)室、歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)EADS等研究機(jī)構(gòu)針對(duì)不同的材料（如鈦合金、鎳基高溫合金和鐵基合金等）進(jìn)行了工藝優(yōu)化研究，使成形件缺陷大大減少，致密度增加，性能接近甚至超過同種材料鍛造水平。例如，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室Kobryn等[11]對(duì)Ti6Al4V激光熔覆沉積成形工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并研究了熱處理和熱等靜壓對(duì)成形件微觀組織和性能的影響，大大降低了組織內(nèi)應(yīng)力，消除了層間氣孔等缺陷，使成形件沿沉積方向的韌性和高周疲勞性能達(dá)到了鍛件水平。德國(guó)漢諾威激光研究中心Rottwinkel等[12-13]利用感應(yīng)加熱對(duì)基體提前預(yù)熱的方法解決了高溫合金成形過程熔覆層開裂的問題，并應(yīng)用于高溫合金葉片的成形和修復(fù)。在國(guó)內(nèi)，北京航空航天大學(xué)陳博等[14]主要研究了鈦合金零件的LCD工藝，并通過熱處理制度的優(yōu)化，使鈦合金成形件組織得到細(xì)化，性能明顯提高，成功應(yīng)用于飛機(jī)大型承力結(jié)構(gòu)件的制造，西安交通大學(xué)葛江波、張安峰和李滌塵等[15]則通過單道-多道-實(shí)體遞進(jìn)成形試驗(yàn)，研究了工藝參數(shù)對(duì)鐵基合金和鎳基合金材料成形件的尺寸精度、微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)成形零件的精確成形和高性能成性一體化“控形控性”制造。

LCD技術(shù)在零件修復(fù)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和空軍研究實(shí)驗(yàn)室、英國(guó)Rolls-Royce公司、法國(guó)Alstom公司以及德國(guó)Fraunhofer研究所等均對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和燃?xì)廨啓C(jī)葉片的激光熔覆修復(fù)工藝進(jìn)行了研究并成功實(shí)現(xiàn)了定向晶葉片的修復(fù)，如圖1（a）所示。此外，美國(guó)國(guó)防部研發(fā)的“移動(dòng)零件醫(yī)院”，如圖 1（b），將 LCD技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，可以對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)破損零件（如坦克鏈輪、傳動(dòng)齒輪和軸類零件等）進(jìn)行實(shí)時(shí)修復(fù)，大大提高了戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的機(jī)動(dòng)性。

同時(shí)，利用LCD技術(shù)，通過混合粉末或控制噴嘴同時(shí)輸送不同的粉末，可以成形金屬-金屬和金屬-陶瓷等功能梯度材料。美國(guó)里海大學(xué)的Fredrick等[16]研究了利用LCD技術(shù)制造Cu與AISI 1013工具鋼梯度功能材料的可行性，通過工藝優(yōu)化以及利用Ni作為中間過渡層材料，解決了梯度材料成形過程中兩相不相容和熔覆層開裂的問題。美國(guó)南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)的MultiFab實(shí)驗(yàn)室利用LCD技術(shù)成功制造了同時(shí)具有縱向和橫向梯度的金屬-陶瓷復(fù)合材料零件，如圖2（a）所示。斯洛文尼亞馬里堡大學(xué)也對(duì)Cu/H13梯度材料的LCD工藝進(jìn)行了研究，得到了無裂紋的Cu/H13梯度材料，且試樣拉伸強(qiáng)度高于普通鑄造銅，如圖2（b）所示。此外，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和密蘇里科技大學(xué)等[17]研究機(jī)構(gòu)也分別研究了Ti/TiC、Ti6Al4V/In 625和In 718/Al2O3等不同材料的功能梯度零件LCD成形工藝。國(guó)內(nèi)方面，西北工業(yè)大學(xué)楊海鷗、黃衛(wèi)東等[18]研究了316L/Rene 88DT梯度材料的LCD成形工藝，并總結(jié)了熔覆層微觀組織和硬度隨著梯度材料不同成分含量變化而變化的規(guī)律。西安交通大學(xué)解航、張安峰等進(jìn)行了Ti6Al4V/CoCrMo功能梯度材料的LCD研究[19]。此外，北京有色金屬研究院席明哲等[20]研究了316L/鎳基合金/Ti6Al4V的成形工藝，沈陽理工大學(xué)田鳳杰等[21]則研究了梯度材料LCD成形同軸送粉噴嘴的設(shè)計(jì)。

圖1 LCD修復(fù)技術(shù)實(shí)例Fig.1 Examples of laser cladding deposition repair technology

LCD設(shè)備的升級(jí)和改進(jìn)也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。美國(guó)密蘇里科技大學(xué)Tarak等[22]開發(fā)了LAMP加工系統(tǒng)，將LCD技術(shù)和CNC切削技術(shù)結(jié)合，在機(jī)床主軸上安裝激光頭，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熔覆成形后的零件實(shí)時(shí)加工，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)保證了零件精度。同樣來自美國(guó)南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)MultiFab實(shí)驗(yàn)室的研究人員將五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于LCD，通過工作臺(tái)擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)整，從而克服懸臂件加工支撐的問題，可以成形各類復(fù)雜懸臂零件。德國(guó)DMG MORI公司開發(fā)的LaserTec 65同樣將五軸聯(lián)動(dòng)切削加工與LCD結(jié)合起來，用于復(fù)雜形狀模具、航空異形冷卻流道等零件的加工制造。國(guó)內(nèi)對(duì)于LCD設(shè)備的研究較少，目前西安交通大學(xué)正在研制一臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)激光增材-減材一體化成形機(jī)。

2 國(guó)內(nèi)外SLM技術(shù)最新研究進(jìn)展

在SLM成形工藝方面，國(guó)內(nèi)外研究者在缺陷控制、應(yīng)力控制、成形微觀組織演變和提高成形件力學(xué)性能等方面開展了大量研究工作。德國(guó)弗朗霍弗研究所（Fraunhofer, ILT）研究人員[23]在SLM成形不同臂厚的AlSi10Mg雙懸臂梁時(shí)，對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱，發(fā)現(xiàn)當(dāng)預(yù)熱溫度為250℃時(shí)，有效地降低了因溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力，將成形件與基板分離后，不同臂厚的雙懸臂梁均未發(fā)生變形和開裂。利茲大學(xué)的Olakanmi等[24]總結(jié)了近年來世界范圍內(nèi)針對(duì)鋁合金SLM成形的工藝、微觀組織和力學(xué)性能的研究成果。曼徹斯特大學(xué)的Majumdar等[25]研究了316L不銹鋼粉末SLM成形過程中微觀組織的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)試件上表面由于熱量沿各個(gè)方向散熱為等軸晶顯微組織，試件下部由于熱積累效應(yīng)生長(zhǎng)為粗大柱狀組織，且能量密度越大，晶粒越大。拉夫堡大學(xué)的Mumtaz等[26]在SLM成形Inconel625薄壁件時(shí)，采用脈沖整形技術(shù)改變脈沖周期內(nèi)的能量分布，有效減少了成形過程中的粉末飛濺，改善了成形件的表面質(zhì)量。國(guó)內(nèi)華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)和蘇州大學(xué)等在SLM成形工藝方面也做了大量研究。例如，蘇州大學(xué)的錢德宇等[27]對(duì)SLM成形多孔鋁合金進(jìn)行了研究，分析了多孔鋁合金的表面形貌、孔隙率、顯微組織、相組成及微觀力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)激光功率為130W時(shí)，孔隙率最大且多孔鋁合金晶粒尺度達(dá)到納米級(jí)別；激光功率變化對(duì)多孔鋁合金的納米硬度影響較大。華南理工大學(xué)的劉洋等[28]采用SLM成形了間隙尺寸為0.2mm的一系列傾斜角度的間隙特征，研究了成形厚度、傾斜角度和能量輸入等工藝參數(shù)對(duì)間隙大小的影響，并成形了免組裝的折疊算盤，如圖3所示。

圖2 功能梯度材料零件Fig.2 Parts of functionally gradient materials

同時(shí)，國(guó)內(nèi)外增材制造相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)也一直在致力于SLM設(shè)備的研發(fā)。自德國(guó)Fockele &Schwarze （F&S）與德國(guó)弗朗霍弗研究所（Fraunhofer, ILT）聯(lián)合研制出第一臺(tái)SLM設(shè)備以來，SLM技術(shù)及設(shè)備研發(fā)得到迅速發(fā)展。國(guó)外對(duì)SLM設(shè)備的研發(fā)主要集中在德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家，目前這些國(guó)家均有專業(yè)生產(chǎn)SLM設(shè)備的公司，如德國(guó)的EOS、SLM Solutions、Concept Laser公司；美國(guó)的3D Systems公司和日本的Matsuura公司等。德國(guó)EOS公司推出了EOS M100/M290/M400、EOSINT M280、PRECIOUS M080型SLM設(shè)備，其中EOS M400型SLM設(shè)備最大成形尺寸為400mm×400mm×400mm。SLM Solutions公司研發(fā)的SLM 500HL型SLM設(shè)備最大成形尺寸 為 500mm×280mm×365mm。2015年，德國(guó)弗朗霍夫研究所（Fraunhofer, ILT）和Concept Laser公司聯(lián)合研發(fā)出Xline2000R型SLM設(shè)備，其最大成形尺寸達(dá)到800×400mm×500mm。目前，日本Matsuura公司研制出了金屬光造型復(fù)合加工設(shè)備LUMEX Avance-25，該設(shè)備將金屬激光成形和切削加工結(jié)合在一起，激光熔化一定層數(shù)粉末后，高速銑削一次，反復(fù)進(jìn)行這樣的工序，直至整個(gè)零件加工完成，從而提高了成形件的表面質(zhì)量和尺寸精度，與單純的金屬粉末激光選區(qū)熔化技術(shù)相比，其加工尺寸精度小于±5μm，圖4為金屬光造型復(fù)合加工原理示意圖，圖5為SLM技術(shù)與SLM+銑削加工復(fù)合技術(shù)成形結(jié)果對(duì)比。國(guó)內(nèi)方面，華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和西安交通大學(xué)等高校在SLM設(shè)備的研發(fā)方面做了大量的研究工作。其中，華南理工大學(xué)激光加工實(shí)驗(yàn)室與北京隆源公司合作研制了最新一款DiMetal-100型SLM設(shè)備，成形致密度近乎100%的金屬零件，表面粗糙度Ra小于15μm，尺寸精度達(dá)0.1mm/100mm。2016年，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的激光先進(jìn)制造研究團(tuán)隊(duì)率先在國(guó)際上研制出成形尺寸為500mm×500mm×530mm的4光束大尺寸SLM設(shè)備，首次在SLM設(shè)備中引入雙向鋪粉技術(shù)，成形效率高出同類設(shè)備20%～40%。

圖3 SLM直接成形折疊算盤Fig.3 Collapsible abacus directly manufactured by SLM

圖4 金屬光造型復(fù)合加工原理示意Fig.4 Schematic of metal laser sintering hybrid manufacturing

圖5 SLM技術(shù)與SLM+銑削加工復(fù)合技術(shù)成形結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of SLM and SLM+Milling technology

高性能金屬零件激光增材制造技術(shù)的最新研究進(jìn)展

1 超聲振動(dòng)輔助LCD對(duì)IN718沉積態(tài)組織與性能的影響

LCD是最為重要的增材制造技術(shù)之一，然而高溫合金和高強(qiáng)度鋼等材料的LCD零件內(nèi)部容易產(chǎn)生應(yīng)力、微氣孔和微裂紋等缺陷，這些問題嚴(yán)重制約了其在航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用步伐。借鑒超聲振動(dòng)在鑄造、焊接領(lǐng)域中的除氣、細(xì)化晶粒、均勻組織成分、減小殘余應(yīng)力的作用，超聲振動(dòng)被引入到LCD系統(tǒng)中，以獲得高性能的金屬成形件。圖6為超聲振動(dòng)輔助LCD系統(tǒng)示意圖。

超聲振動(dòng)輔助LCD IN718的試驗(yàn)結(jié)果表明：施加超聲振動(dòng)后，成形件的表面粗糙度和殘余應(yīng)力得到顯著改善，微觀組織得到細(xì)化，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度得到提高；與未施加超聲振動(dòng)相比，當(dāng)超聲頻率為17kHz、超聲功率為44W時(shí)，在x和y兩個(gè)方向上殘余應(yīng)力分別降低了47.8%和61.6%，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略有提高，延伸率和斷面收縮率分別達(dá)到29.2%和45.0%，即延伸率和斷面收縮率分別是鍛件標(biāo)準(zhǔn)的2.4倍和3倍。這些結(jié)果表明超聲振動(dòng)輔助LCD為獲得高質(zhì)量和高性能的LCD件提供了一種有效途徑。

2 感應(yīng)輔助LCD DD4定向晶修復(fù)DZ125L葉片的研究

LCD高溫合金時(shí)，高溫合金具有很高的裂紋敏感性，裂紋一般表現(xiàn)為沿晶界開裂，并順著沉積方向擴(kuò)展，嚴(yán)重影響高溫合金的力學(xué)性能。而利用感應(yīng)加熱來輔助LCD能夠很好地解決這些問題。通過感應(yīng)加熱可有效減小基體與熔覆層之間的溫度梯度，一方面可以消除微觀缺陷（微氣孔和夾渣等）；另一方面可以有效消除高溫合金裂紋的形成。故感應(yīng)輔助LCD技術(shù)可有效提高高溫合金定向凝固組織的性能（見圖7）。

通過感應(yīng)加熱來控制DD4實(shí)體成形過程中的散熱方向和正溫度梯度，可以獲得完整均勻外延生長(zhǎng)的DD4柱狀定向晶。此外，在感應(yīng)加熱輔助LCD DD4實(shí)體成形過程中，柱狀晶一次枝晶間距的大小也發(fā)生了顯著的變化，如圖8所示，感應(yīng)加熱1200℃時(shí)，柱狀晶一次枝晶平均間距為15.2μm，無感應(yīng)加熱時(shí)經(jīng)歷的柱狀晶一次枝晶平均間距為2.5μm，柱狀晶一次枝晶間距增大了5倍，且柱狀晶一次枝晶之間的橫向晶界和裂紋完全消失，這對(duì)于提高DD4定向晶修復(fù)DZ125L葉片的高溫性能具有重要意義，因?yàn)閷?duì)于高溫合金DD4在1200℃高溫下，柱狀晶一次枝晶間距變大，晶界減少，對(duì)提高DD4高溫性能是非常有利的，為L(zhǎng)CD DD4柱狀晶修復(fù)DZ125L定向晶葉片奠定了基礎(chǔ)。

圖6 超聲振動(dòng)輔助LCD系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the ultrasonic vibration assisted laser cladding deposition system

3 CuW功能梯度復(fù)合材料的LCD工藝研究

用傳統(tǒng)熔滲法或混粉燒結(jié)法生產(chǎn)的銅鎢電觸頭，在使用過程中存在的一個(gè)主要問題是疲勞裂紋及掉渣現(xiàn)象（見圖9），即抗電弧侵蝕能力較差。從銅和鎢兩種材料的物理性質(zhì)而言，雖然銅的熔點(diǎn)僅為1083℃，沸點(diǎn)為2595℃，但銅對(duì)激光具有高反射高導(dǎo)熱的特點(diǎn)；而鎢的熔點(diǎn)則高達(dá)3422℃，沸點(diǎn)為5655℃。銅鎢兩者的熱物理特性相差太大，鎢的密度和沸點(diǎn)是銅的兩倍多，鎢的熔點(diǎn)是銅的3倍多，在鎢還未熔化時(shí)，銅已經(jīng)汽化了，需要足夠高的功率密度才能進(jìn)行銅和鎢的LCD試驗(yàn)。因此，采用感應(yīng)輔助LCD技術(shù)，可成形CuW功能梯度材料零件（見圖10），成形零件具有良好的綜合力學(xué)性能。本試驗(yàn)重點(diǎn)研究CuW復(fù)合材料感應(yīng)輔助LCD的成形工藝，解決Cu的高導(dǎo)熱、對(duì)激光的高反射率問題，研究CuW材料LCD的潤(rùn)濕機(jī)制、缺陷形成機(jī)制，使成形的CuW復(fù)合材料滿足使用的力學(xué)性能和電學(xué)性能要求。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在感應(yīng)加熱溫度為400℃的條件下，試樣的成形質(zhì)量最好。隨后在400℃預(yù)熱銅基板上成形W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別 為50%、60%、70% 和80%的CuW復(fù)合材料（見 圖 11），以及在CuW復(fù)合材料成形工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，成形了CuW功能梯度材料，并分析了CuW梯度復(fù)合材料的顯微組織和W顆粒分布的均勻性。掃描電鏡照片顯示在W的含量為70%和80%時(shí)，W顆粒分布比較均勻，但所有成形試樣中都存在極少量微氣孔，進(jìn)一步試驗(yàn)表明，激光表面重熔工藝可以有效減少成形試樣中的氣孔。

圖7 感應(yīng)輔助LCD技術(shù)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the inductionassisted laser cladding deposition technology

圖8 無感應(yīng)加熱和感應(yīng)加熱1200℃下DD4熔覆層定向晶顯微組織Fig.8 Directional crystal mictrostructures of the DD4 cladding layers with no induction heating and 1200℃ induction heating

4 送粉氣純度對(duì)激光熔覆Fe314修復(fù)40Cr組織與性能的影響

與惰性氣體相比，氮?dú)饪梢酝ㄟ^氮?dú)獍l(fā)生器從空氣中制取，更適用于野外、工礦、能源動(dòng)力等多變復(fù)雜環(huán)境下失效零件的快速應(yīng)急修復(fù)，使設(shè)備快速恢復(fù)正常使用，可以節(jié)約資源、降低經(jīng)濟(jì)損失，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。選用99.999%N2、99.5%N2、98%N23 種不同純度的氮?dú)馑头郏跓o保護(hù)的大氣環(huán)境中進(jìn)行激光熔覆Fe314修復(fù)40Cr試驗(yàn)，探討送粉氣的純度對(duì)修復(fù)零件組織與性能的影響，為熔覆修復(fù)系統(tǒng)選擇合適純度氮?dú)獍l(fā)生器確定科學(xué)依據(jù)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，隨著氮?dú)饧兌鹊慕档?，熔覆層組織殘留的夾渣物略有增加，但對(duì)修復(fù)后的力學(xué)性能影響很小，采用純度98%～99.5%的氮?dú)獍l(fā)生器完全滿足修復(fù)性能要求。3種不同純度氮?dú)馑头蹥鈼l件下Fe314修復(fù)40Cr試樣的抗拉強(qiáng)度均不低于1001MPa，延伸率不低于10%，硬度約HV0.2430，均超過基體的力學(xué)性能。圖12為采用Fe314激光熔覆修復(fù)40Cr中碳鋼齒輪零件的案例，熔覆層與基體為冶金結(jié)合，結(jié)合面處力學(xué)性能大于40Cr本體，可以實(shí)現(xiàn)野外及工況環(huán)境下齒類件零件的快速應(yīng)急修復(fù)。

圖9 CuW電觸頭表面龜裂失效形貌Fig.9 Surface crack morphology of CuW electrical contacts

圖10 CuW功能梯度材料電觸頭示意Fig.10 Schematic diagram of the CuW functionally gradient composites electrical contacts

圖11 LCD CuW梯度材料顯微組織形貌Fig.11 Microstructures of the CuW functionally gradient materials by laser cladding deposition

圖12 激光熔覆Fe314修復(fù)40Cr齒輪斷齒照片F(xiàn)ig.12 Broken teeth repair of 40Cr gear with Fe314 by laser cladding

結(jié)束語

高性能金屬零件LAM技術(shù)作為一種兼顧精確成形和高性能成性需求的一體化制造技術(shù)，已經(jīng)在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車高鐵、產(chǎn)品開發(fā)等領(lǐng)域顯示了廣闊和不可替代的應(yīng)用前景。但是，相比于傳統(tǒng)鑄鍛焊等熱加工技術(shù)和機(jī)械加工等冷加工技術(shù)，LAM技術(shù)的發(fā)展歷史畢竟才30年，還存在制造成本高、效率低、精度較差、工藝裝備研發(fā)尚不完善等問題，尚未進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，其技術(shù)成熟度相比傳統(tǒng)技術(shù)還有很大差距。特別是LAM專用合金開發(fā)的滯后、LAM構(gòu)件無損檢測(cè)方法的不完善以及相關(guān)LAM技術(shù)系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的不足，在很大程度上制約了LAM技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。除此之外，LAM合金的力學(xué)性能和成形幾何精度控制也遠(yuǎn)未達(dá)到理想狀態(tài)，這一方面來自于對(duì)這些合金在LAM和后續(xù)熱處理過程中的控形和控性機(jī)理的研究和認(rèn)識(shí)不夠系統(tǒng)深入，另一方面來自于對(duì)LAM過程的控制不夠精細(xì)。這也意味著，對(duì)于LAM技術(shù)，仍有大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究工作有待進(jìn)一步完善。增材制造以其制造原理的突出優(yōu)勢(shì)成為具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ南冗M(jìn)制造技術(shù)，隨著增材制造設(shè)備質(zhì)量的大幅度提高，應(yīng)用材料種類的擴(kuò)展和制造效率與精度的提高，LAM技術(shù)必將給制造技術(shù)帶來革命性的發(fā)展。

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