淺析激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀及存在的若干問題

戴煜 李禮

作為一項集“材料—光電—機械與控制”等多學科于一體的新型高端數(shù)字化制造技術(shù)，相對于減材制造、等材制造、粉末冶金等傳統(tǒng)制造技術(shù)而言，增材制造技術(shù)的發(fā)展只有短短不到30年的時間，但是卻在全世界范圍內(nèi)獲得了極高的關(guān)注度，甚至被譽為人類歷史上“第3次工業(yè)技術(shù)革命”?！八胨娂此谩笔菍υ擁椉夹g(shù)優(yōu)勢的最好詮釋。其中，激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)（SLM）因其具有較高的成形精度、良好的表面質(zhì)量，已經(jīng)成為近期金屬3D打印領(lǐng)域研究的熱點方向。SLM技術(shù)的最大特點是在理論上可以實現(xiàn)復雜異構(gòu)件的整體精密制造（包括內(nèi)部復雜結(jié)構(gòu)）。但是，SLM技術(shù)對原料粉末要求高、最大加工尺寸有限、SLM及后續(xù)熱處理機理復雜等問題，限制了SLM增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。筆者從原料粉體、SLM工藝及裝備、后續(xù)熱處理、工程應用等方面介紹了國內(nèi)外SLM增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展現(xiàn)狀，并對產(chǎn)業(yè)鏈中存在的若干問題進行了探討。

一、激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)專用粉體

激光選區(qū)熔化增材制造對粉體材料有何要求？世界3D打印行業(yè)專家根據(jù)SLM工藝給出了通用定義，即尺寸在15～60μm的金屬顆粒群，并盡可能同時滿足純度高、少無空心，衛(wèi)星粉少（實心最佳）、粒度分布窄、球形度高、氧含量低、流動性好和松裝密度高等要求。理想的激光選區(qū)熔化增材制造專用粉體如圖1所示。

國外在19世紀末就實現(xiàn)了超細粉末的規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。通過近30年的發(fā)展，國外成功采用真空感應氣霧化法（VIGA法）、無坩堝電極感應熔化氣體霧化法（EIGA法）、等離子旋轉(zhuǎn)霧化法（PREP法）以及等離子火炬法（PA法）等方式制備SLM增材制造專用粉體材料，已經(jīng)具備成熟穩(wěn)定的批量供貨能力，并壟斷了全球大部分SLM增材制造專用粉體材料市場。

國內(nèi)制備高性能SLM增材制造專用粉體材料的方法主要有2種，一種是高速等離子旋轉(zhuǎn)電極法，另一種是氣體霧化法?，F(xiàn)階段，國內(nèi)基本具備2種工藝制備球形金屬粉體材料的硬件能力，但是材料種類偏少、產(chǎn)能較低、批次穩(wěn)定性差。國內(nèi)權(quán)威機構(gòu)對國產(chǎn)金屬粉末與國外進口粉末進行了初步比較，在粉末形貌、衛(wèi)星球、空心粉等部分指標上基本相當，但是細粉（-325目）出粉率不高（EIGA氣霧化細粉出粉率在28%左右，等離子旋轉(zhuǎn)霧化細粉出粉率在10%～15%左右），經(jīng)試用后反饋氧含量控制不穩(wěn)定，成形試樣力學性能不理想。

目前，國內(nèi)軍用鈦合金、鋁合金等增材制造專用球形粉末全部來自進口，其中鋁合金粉末只有常規(guī)的AlSi7Mg、AlSi12、AlSi10Mg，2系鋁合金（2A12、2A14）、7系鋁合金（7A04）粉末等軍工常用材料只能定制生產(chǎn)。以美國為首的西方國家察覺我國將這些粉末用于軍工領(lǐng)域的研制后，美國商務部要求美國及歐洲相關(guān)公司禁止向我國出口高質(zhì)量激光增材制造成形用粉末。國內(nèi)只能暫時假以民用的名義采購，采購途徑不穩(wěn)定、一次采購量受到限制且材料品種單一，未來采購具有極大的不確定性，嚴重影響我國國防軍工重要型號的研制和生產(chǎn)。據(jù)報道，國內(nèi)某航空配套企業(yè)為XX型飛機配套操作桿系統(tǒng)，由于進口粉末受阻導致型號開發(fā)延誤，開發(fā)國產(chǎn)自制的球形金屬粉末尤為迫切。

與氣體霧化法相比，高速等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的粉末粒度分布更集中，能有效減少陶瓷夾雜及粉末氧增量，同時杜絕空心粉、衛(wèi)星粉現(xiàn)象。但是該項技術(shù)無法有效解決高轉(zhuǎn)速下（≥30 000rpm）的動密封問題，導致粉末增氧高、-325目細粉收得率較低，成為目前制約該項技術(shù)推廣最主要的技術(shù)瓶頸。湖南頂立科技有限公司（簡稱“頂立科技”）通過技術(shù)攻關(guān)，先后攻克了高速旋轉(zhuǎn)動態(tài)密封及微量氧控制技術(shù)、智能化旋轉(zhuǎn)進給控制技術(shù)、參數(shù)自適應柔性調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)，大幅提升等離子霧化制粉及裝備技術(shù)水平，電極棒轉(zhuǎn)速超過60 000rpm-300目細粉收得率超過40%，超高轉(zhuǎn)速等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉設備結(jié)構(gòu)圖見圖2所示。

二、激光選區(qū)熔化增材制造工藝及裝備

近幾年，美國、德國等發(fā)達國家先后開發(fā)出新型激光選區(qū)熔化增材制造成形設備，大幅提高激光掃描的速度，減少成形時間，成形零件性能與鍛件相當。目前激光選區(qū)熔化成形商業(yè)化設備最大加工體積可達到630mm×406mm×500mm。在成形工藝研究方面，美、歐等國先后成立國家級激光增材制造成形創(chuàng)新聯(lián)盟，尤其是美國國防部、能源部、商務部、國家科學基金會以及國家航空航天局共同向激光增材制造成形試點聯(lián)盟投資4 500萬美金。包括40家企業(yè)、9個研究型大學、5個社區(qū)學院以及11個非營利機構(gòu)。波音、洛-馬、諾-格、通用動力、GE、霍尼韋爾、派克-漢尼汾等單位已利用此技術(shù)開發(fā)出商業(yè)化的金屬零部件。

由于激光選區(qū)熔化增材制造成形技術(shù)屬于新興技術(shù)，國內(nèi)在激光增材制造成形硬件系統(tǒng)、工藝特性和成形件質(zhì)量等方面部分達到或接近國際先進水平，形成了與國外齊頭并進的局面（打印尺寸達到500mm×500mm×500mm），但在設計理念、材料基礎工藝研究、表面光潔度、支撐設計、成形效率等方面仍處于起步階段，與美、歐發(fā)達國家有較大差距。

據(jù)報道，國外已將拓撲優(yōu)化設計與輕量化技術(shù)應用于SLM增材制造，實現(xiàn)了由“制造引導設計、制造性優(yōu)先設計、經(jīng)驗設計”的傳統(tǒng)設計理念向“設計引導制造、功能性優(yōu)先設計、拓撲優(yōu)化設計”的3D打印設計理念轉(zhuǎn)變，而國內(nèi)這項工作還未規(guī)模開展。以頂立科技為代表的軍品配套企業(yè)，通過基于拓撲優(yōu)化和輕量化設計，成功實現(xiàn)全尺寸XX雷達支架整體3D打印快速制造，減重42%（圖3）；德國某3D打印設備商開發(fā)一種新粉末工藝（可用粒度為20～60μm的粉末），往往需要6～8個月的工藝摸索，涉及的參數(shù)多達70余項，而國內(nèi)仍采取“短、平、快”的試錯方式，僅7～10天就認定一種新粉末工藝參數(shù)，涉及參數(shù)僅僅是激光功率、路徑規(guī)劃、掃描速度、掃描間距、粉末床溫度等寥寥數(shù)10種，材料基礎工藝研究不扎實；國外已開發(fā)出增減材一體化設備，有效解決部件內(nèi)部復雜結(jié)構(gòu)的光潔度問題；支撐設計方面，國外已經(jīng)應用無需線切割即能分離打印件與基板的特殊支撐設計技術(shù)，大大縮短了取件周期；相較國產(chǎn)設備單激光頭、單向鋪粉、人工添粉、低掃描速度（6m/s），國外設備采用多激光頭、雙向鋪粉、自動送粉、高掃描速度（16m/s），其成形效率，特別是鋁合金構(gòu)件的成形效率是國內(nèi)同類產(chǎn)品的5～10倍。

目前，制約激光選區(qū)熔化增材制造成形技術(shù)大規(guī)模應用最大的瓶頸仍然是未建立多品種材料基礎工藝的數(shù)據(jù)庫。通過研究構(gòu)件成形工藝參數(shù)的優(yōu)化，完成構(gòu)件激光選區(qū)熔化制備的工藝技術(shù)研發(fā)，建立激光成形構(gòu)件的工藝規(guī)程；研究高能束功率密度、掃描間距、掃描速度、基底/粉末溫度等參數(shù)對吹粉、球化的影響；研究熔池快速移動冷卻凝固及多重熱循環(huán)條件下構(gòu)件熔凝及連續(xù)冷卻組織演變規(guī)律，通過成形路徑規(guī)劃、工藝優(yōu)化，實現(xiàn)構(gòu)件的組織性能綜合調(diào)控。

三、后續(xù)熱處理

要從根本上解決長期制約關(guān)鍵金屬部件增材制造技術(shù)發(fā)展和應用的內(nèi)部缺陷問題，單單靠材料基礎問題與增材制造過程中的內(nèi)部缺陷機理研究是不夠的。通過大量試驗研究表明，增材制造的部件必須經(jīng)過后續(xù)熱等靜壓、退火/回火制度和固溶時效制度三重熱過程，才能從根本上減少或消除增材制造關(guān)鍵部件存在的“內(nèi)部質(zhì)量”（冶金缺陷、晶粒及顯微組織等）問題。

2002年美國汽車工程師協(xié)會發(fā)布了第1個增材制造技術(shù)標準《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產(chǎn)品》，至今已陸續(xù)頒布了19項標準。這些標準涵蓋了產(chǎn)品的退火和熱等靜壓工藝制度、增材制造過程中制件的消除應力退火制度及要求以及退火或熱等靜壓后的時效制度，反映了國外已經(jīng)在控制內(nèi)部缺陷、消除殘余應力，減少變形方向等方面開展了大量的研究工作。

我國增材制造后續(xù)熱處理技術(shù)標準的發(fā)展落后于國外，沒能充分反映國內(nèi)技術(shù)發(fā)展的水平。由于缺少對增材制造工藝過程的表征、控制和認證的標準，技術(shù)的大范圍推廣使用受到制約，已有的技術(shù)優(yōu)勢并沒有能夠迅速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品優(yōu)勢和市場優(yōu)勢，因此迫切需要開展增材制造技術(shù)的標準化工作，特別是關(guān)乎組織性能調(diào)控的熱處理制度及設備標準化建設工作。

四、工程應用

歐洲宇航防務集團于2012年展示了用激光增材制造的鈦合金零件替代空客A320發(fā)動機艙的鑄鋼鉸鏈支架，可以優(yōu)化的在有載荷的位置布置金屬，削減了75%的原材料，節(jié)省10kg/套件的質(zhì)量，減少了生產(chǎn)、運作和最終回收過程中的能耗和排放；美國航天局采用激光增材制造技術(shù)制造了6.15英寸的火箭發(fā)動機微型噴射器，此前測試的同類噴射器由115個零件組成，而該噴射器僅由2個零件組成，成本降低了70%以上，并且極大縮短了開發(fā)時間；GE公司在其Leap發(fā)動機中使用激光增材制造技術(shù)制造了燃油噴嘴，以取代傳統(tǒng)的由20個單獨部分通過焊接或組裝而成的燃油噴嘴，新零件的質(zhì)量減輕了25%，GE公司在2015-2016年已將激光增材制造技術(shù)應用于Leap發(fā)動機的全部噴嘴生產(chǎn)中，到2020年預計能夠具備每年生產(chǎn)40 000個噴嘴的能力；美國海軍陸戰(zhàn)隊第1維修營和第15作戰(zhàn)后勤團將激光增材制造技術(shù)用于彈藥設計與制造，并證實通過激光增材制造技術(shù)的升級，彈藥系統(tǒng)和殺傷力可以進一步提升。同時，該技術(shù)能使海軍陸戰(zhàn)隊的武器更安全，效果也更加精準；美國核安全管理局利用激光增材制造技術(shù)已完成2.5萬件3D打印零部件，成本節(jié)省超過4 500萬美元，開發(fā)流程從3個月減少到只要25天；德國西門子股份公司采用激光增材制造技術(shù)成功制造出了燃氣輪機上最復雜的部件透平靜葉（噴嘴），并將它用于H級燃氣輪機技術(shù)研發(fā)中，并成功通過搭車試驗；美國安妮斯頓陸軍基地已經(jīng)成功將增材制造技術(shù)應用于復雜曲面金屬零部件以及薄壁結(jié)構(gòu)件；位于紅石兵工廠的美國陸軍航空與導彈研究開發(fā)與工程中心（AMRDEC）正在進行大規(guī)模的增材制造工藝及設備研究。

在國內(nèi)，激光增材制造技術(shù)已在殲-20飛機、殲-10系列飛機、梟龍飛機、無人機、超高音速飛行器等上得到初步應用，覆蓋鈦合金、鋁合金、鐵基合金、鎢基合金等材料，涉及格柵、復雜薄壁、中空微單元點陣等零件；直升機采用的多維度連接管接頭結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)十分復雜，采用傳統(tǒng)機械加工很難制造，而采用激光增材制造成形技術(shù)直接制造整體零件，在保證零件質(zhì)量的同時還可減重30%以上；無人機進氣道唇口，若采用傳統(tǒng)加工方法，因變形導致零件難以裝備，易損傷進氣道，成為影響型號研制節(jié)點的重要因素。改用激光增材制造成形技術(shù)之后，材料利用率由6%提升至86%以上，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少達到53%；在陸軍裝備戰(zhàn)斗部方面，中國兵器工業(yè)增材制造技術(shù)研究應用中心已經(jīng)開始著手增材制造在陸軍裝備的應用研究工作；頂立科技采用增材制造技術(shù)實現(xiàn)XX戰(zhàn)斗部異性彈體的整體快速精密制造（見圖4），材料利用率提高10倍，性能大幅提升，該產(chǎn)品已列入陸軍裝備部預研項目。

但是在重要結(jié)構(gòu)件的應用方面，由于型號進度緊急，絕大多數(shù)并未開展系統(tǒng)的地面考核。另外，激光選區(qū)熔化增材制造成形技術(shù)若實現(xiàn)推廣應用，工程化標準規(guī)范是關(guān)鍵，是質(zhì)量穩(wěn)定性的保證。目前，我國還未形成較為完善的、系統(tǒng)的涵蓋激光選區(qū)熔化增材制造成形技術(shù)用粉末、制造工藝、后續(xù)熱處理工藝、無損檢測、尺寸檢測等技術(shù)標準體系。

五、結(jié)語

原料粉體仍然是制約激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展最大的技術(shù)瓶頸，國產(chǎn)粉末材料種類偏少、產(chǎn)能較低、批次穩(wěn)定性差等問題亟待解決。激光選區(qū)熔化增材制造設備已不再是阻礙產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的最主要問題，如何行之有效的建立多品種材料基礎工藝數(shù)據(jù)庫、融入適用于增材制造的拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計理念、增減材制造一體化以及使機器適配更高粒度范圍的粉體（20～60μm甚至30～60μm）才是關(guān)鍵。重視增材制造后續(xù)熱處理，建立系統(tǒng)的增材制造熱處理制度，實現(xiàn)激光選區(qū)熔化構(gòu)件綜合性能的合理匹配，解決目前增材制造構(gòu)件疲勞性能不足的難題。增材制造技術(shù)在核心構(gòu)件上有應用，但絕大多數(shù)并未開展系統(tǒng)的地面考核。形成較為完善的、系統(tǒng)的涵蓋激光選區(qū)熔化增材制造成形技術(shù)用粉末、制造工藝、后續(xù)熱處理工藝、無損檢測、尺寸檢測等技術(shù)標準體系，有助于推動整個產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈必將朝著集原料粉末、制造工藝、后續(xù)熱處理、工程應用等高度集成化的公共服務平臺方向發(fā)展。