激光增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)*

楊 強(qiáng)，魯中良,2，黃福享，李滌塵

（1.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 710049；2.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100191）

增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)是基于分層制造原理，采用材料逐層累加的方法，直接將數(shù)字化模型制造為實(shí)體零件的一種新型制造技術(shù)。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）F42國(guó)際委員會(huì)給出了增材制造的定義：增材制造是依據(jù)三維模型數(shù)據(jù)將材料連接制作成物體的過(guò)程，相對(duì)于減法制造，它通常是逐層累加的過(guò)程[1]。增材制造技術(shù)集成了數(shù)字化技術(shù)、制造技術(shù)、激光技術(shù)以及新材料技術(shù)等多個(gè)學(xué)科技術(shù)，可以直接將CAD數(shù)字模型快速而精密地制造成三維實(shí)體零件，實(shí)現(xiàn)真正的“自由制造”。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)具有柔性高、無(wú)模具、周期短、不受零件結(jié)構(gòu)和材料限制等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航天航空、汽車(chē)、電子、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-5]。增材制造技術(shù)已成為制造業(yè)的研究熱點(diǎn)，許多國(guó)家包括中國(guó)都對(duì)其展開(kāi)了大量深入的研究，歐美更有專(zhuān)家認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)代表著制造業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，被譽(yù)為有望成為“第三次工業(yè)革命”的代表性技術(shù)[6-8]。

激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）技術(shù)是一種以激光為能量源的增材制造技術(shù)，激光具有能量密度高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)難加工金屬的制造，比如航空航天領(lǐng)域采用的鈦合金、高溫合金等，同時(shí)激光增材制造技術(shù)還具有不受零件結(jié)構(gòu)限制的優(yōu)點(diǎn)，可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難加工以及薄壁零件的加工制造。目前，激光增材制造技術(shù)所應(yīng)用的材料已涵蓋鈦合金、高溫合金、鐵基合金、鋁合金、難熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等[9]，在航空航天領(lǐng)域中高性能復(fù)雜構(gòu)件和生物制造領(lǐng)域中多孔復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造具有顯著優(yōu)勢(shì)[10]。

激光增材制造技術(shù)按照其成形原理進(jìn)行分類(lèi)，最具代表性的為以粉床鋪粉為技術(shù)特征的激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting， SLM）和以同步送粉為技術(shù)特征的激光金屬直接成形（Laser Metal Direct Forming，LMDF）技術(shù)。本文在闡述了這兩種典型的激光增材制造技術(shù)原理與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，著重歸納了這兩種技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，并探討了目前激光增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

激光選區(qū)熔化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1 SLM技術(shù)的原理和特點(diǎn)

激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting， SLM）技術(shù)是利用高能量的激光束，按照預(yù)定的掃描路徑，掃描預(yù)先鋪覆好的金屬粉末將其完全熔化，再經(jīng)冷卻凝固后成形的一種技術(shù)。其技術(shù)原理如圖1所示。

SLM技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）成形原料一般為一種金屬粉末，主要包括不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦合金、鈷-鉻合金、高強(qiáng)鋁合金以及貴重金屬等。（2）采用細(xì)微聚焦光斑的激光束成形金屬零件，成形的零件精度較高，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）成形零件的力學(xué)性能良好，一般拉伸性能可超鑄件，達(dá)到鍛件水平。（4）進(jìn)給速度較慢，導(dǎo)致成形效率較低，零件尺寸會(huì)受到鋪粉工作箱的限制，不適合制造大型的整體零件。

2 SLM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

SLM技術(shù)實(shí)際上是在選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種激光增材制造技術(shù)。SLS技術(shù)最早由德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校（University of Texas at Austin）的Deckard教授[11]提出，但是在SLS成形過(guò)程中存在粉末連接強(qiáng)度較低的問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，1995年德國(guó)弗勞恩霍夫（Fraunhofer）激光技術(shù)研究所的Meiners[12]提出了基于金屬粉末熔凝的選區(qū)激光熔化技術(shù)構(gòu)思，并且在1999年與德國(guó)的Fockle和Schwarze一起研發(fā)了第一臺(tái)基于不銹鋼粉末的SLM成形設(shè)備，隨后許多國(guó)家的研究人員都對(duì)SLM技術(shù)展開(kāi)了大量的研究。

目前，對(duì)SLM技術(shù)的研究主要集中在德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家，主要是針對(duì)SLM設(shè)備的制造和成形工藝兩方面展開(kāi)。國(guó)外有許多專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)SLM設(shè)備的公司，如美國(guó)的PHENIX、3D SYSTEM公司；德國(guó)的EOS、CONCEPT、SLM SOULITION 公司；日本的 MATSUUR、SODICK公司等，均生產(chǎn)有性能優(yōu)越的SLM設(shè)備，目前德國(guó)EOS公司生產(chǎn)的EOS M400型SLM設(shè)備最大加工體積可達(dá)400mm×400mm×400mm。在中國(guó)對(duì)SLM設(shè)備的研究主要集中在高校，華中科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和華南理工大學(xué)等高校在SLM設(shè)備生產(chǎn)研發(fā)方面做了大量的研究工作，并且成功應(yīng)用，其中華中科技大學(xué)史玉升團(tuán)隊(duì)以大尺寸激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備研究與應(yīng)用獲得 2011年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。但是國(guó)內(nèi)成熟的商業(yè)化設(shè)備依舊存在空白，目前國(guó)內(nèi)使用的SLM設(shè)備主要還是以國(guó)外的產(chǎn)品為主，這將是今后中國(guó)SLM技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向。

圖1 激光選區(qū)熔化技術(shù)原理圖Fig.1 Schematic diagram of SLM

在SLM成形工藝方面，大量的研究機(jī)構(gòu)都對(duì)此進(jìn)行了深入研究。白俄羅斯科學(xué)院的Tolcochko[13]研究了在選區(qū)激光熔化時(shí)金屬粉末球化形成的具體過(guò)程，指出金屬粉末的球化主要會(huì)形成碟形、杯形、球形3種典型的形狀，并分析了各自形成的機(jī)理。德國(guó)魯爾大學(xué)的Meier[14]研究了不銹鋼粉末在激光選區(qū)熔化成形的相對(duì)密度與工藝參數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)高的激光功率有利于成形出高密度的金屬零件，低的掃描速度有利于掃描線的連續(xù)，促進(jìn)致密化。英國(guó)利茲大學(xué)Badrossamay等[15]對(duì)不銹鋼和工具鋼合金粉末進(jìn)行了SLM研究，分析了掃描速率、激光功率和掃描間隔對(duì)成形件質(zhì)量的影響。華中科技大學(xué)Shi等[16]對(duì)SLM成形過(guò)程中熔池邊界對(duì)成形件性能的影響進(jìn)行了深入的研究，研究表明熔池邊界對(duì)成形件的力學(xué)性能尤其是延展性與韌性有很大的影響。華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)等[17]對(duì)SLM成形金屬零件上表面的粗糙度影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)成形件上的表面粗糙度主要受熔道寬度、掃描間距和鋪粉層厚3個(gè)因素的共同影響，并提出利用電化學(xué)處理提高表面精度的方法。

近年來(lái)SLM技術(shù)發(fā)展受到了許多國(guó)家的大力扶持，2012年美國(guó)國(guó)防部成立了國(guó)家選區(qū)熔化成形創(chuàng)新聯(lián)盟（NAMII），國(guó)防部、能源部、商務(wù)部、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）以及國(guó)防航空航天局（NASA）共同承諾向激光選區(qū)熔化成形試點(diǎn)聯(lián)盟投資4500萬(wàn)美元，創(chuàng)新聯(lián)盟共包括40家企業(yè)、9個(gè)研究型大學(xué)、5個(gè)社區(qū)學(xué)院以及11個(gè)非營(yíng)利機(jī)構(gòu)[18]。眾所周知的美國(guó)Boeing公司、Lockheed Martin公司、GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司、Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和 Los Alomos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室均參與其中。此外，意大利AVIO公司、加拿大國(guó)家研究院、澳大利亞國(guó)家科學(xué)研究中心等大型公司、國(guó)家研究機(jī)構(gòu)以及我國(guó)的華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校也都對(duì)SLM技術(shù)開(kāi)展了大量研究工作。

美國(guó)的GE公司于2012年收購(gòu)了Morris Technologies公司，并且利用Morris 的SLM設(shè)備與工藝技術(shù)制造出了噴氣式飛機(jī)專(zhuān)用的發(fā)動(dòng)機(jī)組件，如圖 2（a）、（b）所示，GE 公司明確地將激光增材制造技術(shù)認(rèn)定為推動(dòng)未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)SLM技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用，西班牙的Salamanca大學(xué)利用澳大利亞科學(xué)協(xié)會(huì)研制的Arcam型 SLM設(shè)備成功制造出了鈦合金胸骨與肋骨，如圖2（c）所示，并成功植入了罹患胸廓癌的患者體內(nèi)。西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)和華南理工大學(xué)是我國(guó)從事SLM技術(shù)研究較早較深入的科研單位，在SLM技術(shù)的研究中取得了許多可喜的成果，他們分別應(yīng)用SLM技術(shù)制造出了大量的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零件，如圖 2（d）～（f）所示。

圖2 SLM技術(shù)應(yīng)用實(shí)例Fig.2 Application of SLM

激光金屬直接成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1 LMDF技術(shù)的原理與特點(diǎn)

激光金屬直接成形（Laser Metal Direct Forming， LMDF）技術(shù)是利用快速原型制造的基本原理，以金屬粉末為原材料，采用高能量的激光作為能量源，按照預(yù)定的加工路徑，將同步送給的金屬粉末進(jìn)行逐層熔化，快速凝固和逐層沉積，從而實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接制造。通常情況下，激光金屬直接成形系統(tǒng)平臺(tái)包括：激光器、CNC數(shù)控工作臺(tái)、同軸送粉噴嘴、高精度可調(diào)送粉器及其他輔助裝置。其原理如圖3所示[19]。

激光金屬直接成形技術(shù)集成了激光熔覆技術(shù)和快速成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有以下特點(diǎn)：（1）無(wú)需模具，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，但懸臂結(jié)構(gòu)需要添加相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)。（2）成形尺寸不受限制，可實(shí)現(xiàn)大尺寸零件的制造。（3）可實(shí)現(xiàn)不同材料的混合加工與制造梯度材料。（4）可對(duì)損傷零件實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)。（5）成形組織均勻，具有良好的力學(xué)性能，可實(shí)現(xiàn)定向組織的制造。

2 LMDF技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

LMDF技術(shù)是在快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合同步送粉和激光熔覆技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)激光增材制造技術(shù)。LMDF技術(shù)起源于美國(guó)Sandai國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的激光近凈成形技術(shù)（Laser Engineered Net Shaping，LENS）[20]，隨后在多個(gè)國(guó)際研究機(jī)構(gòu)快速發(fā)展起來(lái)，并且被賦予了很多不同的名稱(chēng)，如美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的直接激光制造（Direct Laser Fabrication， DLF）[21]，斯坦福大學(xué)的形狀沉積制造（Shape Deposition Manufacturing，SDM）[22]，密西根大學(xué)的直接金屬沉積（Direct Metal Deposition， DMD）[23]，德國(guó)弗勞恩霍夫（Fraunhofer）激光技術(shù)研究所的激光金屬沉積（Laser Metal Deposition，LMD）[24]，中國(guó)西北工業(yè)大學(xué)的激光立體成形技術(shù)（Laser Solid Forming，LSF）[25]等，雖然名稱(chēng)各不相同，但是技術(shù)原理卻幾乎是一致的，都是基于同步送粉和激光熔覆技術(shù)。

目前，對(duì)于LMDF技術(shù)的研究主要是針對(duì)成形工藝以及成形組織性能兩方面展開(kāi)，美國(guó)的Sandai國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Los Alomos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室針對(duì)鎳基高溫合金、不銹鋼、鈦合金等金屬材料進(jìn)行了大量的激光金屬直接成形研究，所制造的金屬零件不僅形狀復(fù)雜，且其力學(xué)性能接近甚至超過(guò)傳統(tǒng)鍛造技術(shù)制造的零件[26]。瑞士洛桑理工學(xué)院的Kurz等[27]深入研究了激光快速成形工藝參數(shù)對(duì)成形過(guò)程穩(wěn)定性，成形零件的精度控制，材料的顯微組織以及性能的影響，并將該技術(shù)應(yīng)用于單晶葉片的修復(fù)。清華大學(xué)的鐘敏霖和寧國(guó)慶等[28]在激光快速成形同軸送粉系統(tǒng)的研制及熔覆高度檢測(cè)及控制方面取得了研究進(jìn)展；西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東等[29]通過(guò)對(duì)單層涂覆厚度、單道涂覆寬度、搭接率等主要參數(shù)進(jìn)行精確控制，獲得件內(nèi)部致密，表面質(zhì)量良好的成形件；西安交通大學(xué)的張安峰、李滌塵等[19]研究了激光金屬直接成形DZ125L 高溫合金零件過(guò)程中不同工藝參數(shù)（如激光功率、掃描速度、送粉率、Z軸提升量等） 對(duì)單道熔覆層高度、寬度、寬高比和成形質(zhì)量的影響規(guī)律，并優(yōu)化了工藝參數(shù)。

近年來(lái)，LMDF技術(shù)同樣也受到了許多國(guó)家的重視和大力發(fā)展，2013年歐洲空間局（ESA）提出了“以實(shí)現(xiàn)高技術(shù)金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)與零浪費(fèi)為目標(biāo)的增材制造項(xiàng)目”（AMAZE）計(jì)劃，該計(jì)劃于2013年1月正式啟動(dòng)，匯集了法國(guó)Airbus公司、歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）的Astrium公司、英國(guó)Rolls·Royce公司以及英國(guó)的Cranfield University和University of Birmingham等28家機(jī)構(gòu)來(lái)共同從事激光金屬增材制造方面的研究，旨在將增材制造帶入金屬時(shí)代，其首要目標(biāo)是快速生產(chǎn)大型零缺陷增材制造金屬零件，幾乎實(shí)現(xiàn)零浪費(fèi)。與此同時(shí)，美國(guó)的Sandai國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Los Alomos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、GE公司以及美國(guó)國(guó)防航空航天局（NASA），德國(guó)的弗勞恩霍夫（Fraunhofer）激光技術(shù)研究所，我國(guó)的北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等也對(duì)LMDF展開(kāi)深入的研究。

美國(guó)國(guó)防航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出一種新的激光金屬直接成形技術(shù)，可在一個(gè)部件上混合打印多種金屬或合金，解決了長(zhǎng)期以來(lái)飛行器尤其是航天器零部件制造中所面臨的一大難題——在同一零件的不同部位具有不同性能，如圖4（a）所示。英國(guó)的羅·羅（Rolls·Royce）公司計(jì)劃利用激光金屬直接成形技術(shù)，來(lái)生產(chǎn)Trent XWB-97（羅·羅研發(fā)的渦輪風(fēng)扇系列發(fā)動(dòng)機(jī)）由鈦和鋁的合金構(gòu)成的前軸承座，其前軸承座包括48片機(jī)翼葉，直徑為1.5m，長(zhǎng)度為0.5m，如圖4（b）所示。北京航空航天大學(xué)的王華明團(tuán)隊(duì)也利用激光金屬直接成形技術(shù)制造出了大型飛機(jī)鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框，如圖4（c）所示，并獲得了國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。西安交通大學(xué)在國(guó)家“973項(xiàng)目”的資助下，展開(kāi)了利用激光金屬直接成形技術(shù)制造空心渦輪葉片方面的研究，并成功制備出了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片，如圖4（d）所示。

圖3 LMDF系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of LMDF

圖4 LMDF技術(shù)應(yīng)用實(shí)例Fig.4 Application of LMDF

激光增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1 設(shè)備方面

經(jīng)濟(jì)、高效的設(shè)備是激光增材制造技術(shù)廣泛推廣和發(fā)展的基礎(chǔ)[30]，隨著目前大功率激光器的使用以及送粉效率的不斷提高，激光增材制造的加工效率已經(jīng)有顯著的提高，但是對(duì)于大尺寸零件的制造效率依然偏低，而且激光增材制造設(shè)備的價(jià)格也偏高，因此進(jìn)一步提高設(shè)備的加工效率同時(shí)降低設(shè)備的成本有著重要的意義。此外，激光增材制造設(shè)備還可以與傳統(tǒng)加工復(fù)合，例如德國(guó)DMG MORI旗下的Lasertec系列，整合了激光增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)切削技術(shù)，不僅可以制造出傳統(tǒng)工藝難以加工的復(fù)雜形狀，還改善了激光金屬增材制造過(guò)程中存在的表面粗糙問(wèn)題，提高了零件的精度。

2 材料方面

對(duì)于金屬材料激光增材制造技術(shù)來(lái)說(shuō)，金屬粉末就是其原材料，金屬粉末的質(zhì)量會(huì)直接影響到成形零部件最終的質(zhì)量。然而，目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)為激光增材制造生產(chǎn)的金屬粉末，現(xiàn)在激光增材制造工藝所使用的金屬粉末都是之前為等離子噴涂、真空等離子噴涂和高速氧燃料火焰噴涂等熱噴涂工藝開(kāi)發(fā)的，基本都是使用霧化工藝制造[31]。這類(lèi)金屬粉末在生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)形成一些空心顆粒，將這些空心顆粒的金屬粉末用于激光增材制造時(shí)，會(huì)導(dǎo)致在零件中出現(xiàn)孔洞、裂紋等缺陷。在2015年3月美國(guó)奧蘭多舉辦的第七屆激光增材制造研討會(huì)上，激光增材制造用的金屬粉末成為本次會(huì)議的焦點(diǎn)議題，受到了與會(huì)專(zhuān)家、學(xué)者的高度重視[32]，因此激光增材制造使用的金屬粉末將成為今后的一個(gè)研究重點(diǎn)。

3 工藝方面

雖然目前對(duì)激光增材制造的工藝展開(kāi)了大量研究，但是在零件的成形過(guò)程中依然存在許多問(wèn)題。在SLM成形過(guò)程中伴隨著復(fù)雜的物理、化學(xué)、冶金等過(guò)程，容易產(chǎn)生球化、孔隙、裂紋等缺陷[33]，在LMDF成形過(guò)程中隨著高能激光束長(zhǎng)時(shí)間周期性劇烈加熱和冷卻、移動(dòng)熔池在池底強(qiáng)約束下的快速凝固收縮及其伴生的短時(shí)非平衡循環(huán)固態(tài)相變，會(huì)在零件內(nèi)部產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力，容易導(dǎo)致零件嚴(yán)重變形開(kāi)裂[34]。進(jìn)一步優(yōu)化激光增材制造技術(shù)的工藝，克服成形過(guò)程中的缺陷，加強(qiáng)對(duì)激光增材制造過(guò)程中零件內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律、變形開(kāi)裂行為及凝固組織形成規(guī)律以及內(nèi)部缺陷形成機(jī)理等關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題的研究[35]，依然是今后的研究重點(diǎn)。

結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的激光增材制造技術(shù)起步較早，已經(jīng)取得了不少研究成果，但是仍然與國(guó)外存在一定的差距，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加大投入力度，加快研究進(jìn)展。激光增材制造技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，在今后的發(fā)展中應(yīng)該更注重“產(chǎn)、學(xué)、研”一體化發(fā)展，以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，制定出一系列工藝規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，并逐步解決關(guān)鍵的工藝問(wèn)題，降低成本，使激光增材制造技術(shù)早日成為我國(guó)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的一個(gè)重要工具。

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