選擇性激光熔化技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

楊 佳，郭洪鋼，譚建波

選擇性激光熔化技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

楊 佳1,2，郭洪鋼3，譚建波1,2

(1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050018；3.長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北保定 071000)

選擇性激光熔化技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)制備的零件致密度高、精度高、表面質(zhì)量好、力學(xué)性能和化學(xué)性能優(yōu)良。介紹了選擇性激光熔化技術(shù)的原理和特點(diǎn)，概述了選擇性激光熔化技術(shù)在生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)兩方面的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。提出了選擇性激光熔化設(shè)備的主要研究方向：激光器種類、聚焦面光斑尺寸大小、鋪粉方式以及活塞缸鋪粉厚度等。指出了改善金屬粉末球化現(xiàn)象和裂紋孔隙的方法：通過改變激光發(fā)射器的功率和掃速率或?qū)饘俜勰┻M(jìn)行預(yù)熱處理的方法改善粉末球化現(xiàn)象；通過改變環(huán)境含氧量，掃描速率和鋪粉厚度等可提高零件的致密度。針對(duì)設(shè)備生產(chǎn)速度慢、粉末綜合性能存在缺陷和生產(chǎn)工業(yè)鏈不完善等方面的問題提出了對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展建議。

鑄造工藝與設(shè)備；選擇性激光熔化；成型原理；技術(shù)特點(diǎn)；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

快速成型技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型的制造技術(shù)，該技術(shù)是將零件三維模型切片處理，逐層堆積，最終疊加成三維實(shí)體零件的過程?？焖俪尚图夹g(shù)突破了常規(guī)的變形成型和去除成型的思路，實(shí)現(xiàn)了“凈成形”的理念?？焖俪尚椭饕?類：選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(selective lsintering, SLS)、激光熔覆制造技術(shù)(laser engineered net shaping, LENS)、選擇性激光熔化技術(shù)(selective laser melting, SLM)[1]。其中選擇性激光熔化技術(shù)制備的零件致密度高、精度高、性能好、加工過程穩(wěn)定性好，備受國(guó)內(nèi)外關(guān)注。目前，SLM技術(shù)研究主要集中在歐洲，如德國(guó)、比利時(shí)、英國(guó)等國(guó)家。這些國(guó)家在SLM設(shè)備研究上已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化階段。亞洲主要集中在新加坡、日本等國(guó)家。中國(guó)最早在SLM技術(shù)上投入研究的單位有華中科技大學(xué)和華南理工大學(xué)，目前西北工業(yè)大學(xué)和北京航空制造工程研究所等單位也開始對(duì)SLM技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了一定進(jìn)展。

1 選擇性激光熔化技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

選擇性激光熔化技術(shù)是一種先進(jìn)的激光增材制造技術(shù)，具體過程為[2-5]先在計(jì)算機(jī)上利用Pro/E，UG，CATIA等三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的三維實(shí)體模型，然后通過切片軟件對(duì)該三維模型進(jìn)行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，設(shè)備將按照這些填充掃描線，控制激光束選區(qū)熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。激光束開始掃描前，鋪粉裝置先把金屬粉末平推到成型缸的基板上，激光束再按當(dāng)前層的填充輪廓線選區(qū)熔化基板上的粉末，加工出當(dāng)前層，然后成型缸下降一個(gè)層厚的距離，粉料缸上升一定厚度的距離，鋪粉裝置再在已加工好的當(dāng)前層上鋪好金屬粉末。設(shè)備調(diào)入下一層輪廓的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，如此層層加工，直到整個(gè)零件加工完畢。整個(gè)加工過程在通有惰性氣體保護(hù)的加工室中進(jìn)行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應(yīng)。圖1為選擇性激光熔化成型流程圖[6]。

圖1 選擇性激光熔化成型流程圖Fig.1 Process flow chart of selective laser melting

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

選擇性激光熔化技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，具有十分顯著的優(yōu)勢(shì)。在工藝方面，選擇性激光熔化技術(shù)利用零件的三維數(shù)據(jù)模型，直接加工成型，無需特殊的夾具或模具，操作簡(jiǎn)便，十分適合生產(chǎn)具有復(fù)雜型腔、難加工的鈦合金或高溫合金材料。此外，選擇性激光熔化技術(shù)生產(chǎn)出來的零件，表面質(zhì)量好、零件精度高，具有更多的非加工面。因此，通過選擇性激光熔化技術(shù)生產(chǎn)出來的零件只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的噴砂或拋光便可直接投入使用。

在成本和生產(chǎn)周期方面，選擇性激光熔化技術(shù)采用增材制造而非傳統(tǒng)的去除成型或變形成型，節(jié)約原材料，并且后期處理簡(jiǎn)單，也大大降低了成本，與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造成本降低了20%～40%，生產(chǎn)周期縮短了80%[6]。

在性能方面，由于選擇性激光熔化技術(shù)是通過高能激光作用使粉末快速熔化、快速成型，零件幾乎可以達(dá)到完全致密的狀態(tài)。因此，零件組織均勻，不存在傳統(tǒng)加工方式產(chǎn)生的宏觀組織缺陷，具有優(yōu)良的化學(xué)性能和力學(xué)性能。如零件的強(qiáng)度、塑性和抗腐蝕性能均得到了很大提高。表1為選擇性激光熔化技術(shù)、激光直接沉積成型、鍛造、鑄造TC4鈦合金的力學(xué)性能比較[5]。

表1 激光增材制造鈦合金與鍛造、鑄造鈦合金的力學(xué)性能比較

選擇性激光熔化技術(shù)在具有以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也具有一定的不足:由于加工速度僅為 20 mm3/s，因此成型效率比較低;由于零件尺寸受到鋪粉工作箱的限制，目前尚不能制造大型零件，通常零件制造體積為250 mm×250 mm×215 mm。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)外設(shè)備研究現(xiàn)狀

圖2 西安鉑力特公司的SLM 成型件Fig.2 Xi’an Platinum Special Company’s SLM molding

近年來選擇性激光熔化技術(shù)備受關(guān)注，中國(guó)許多高校及研究機(jī)構(gòu)都開始對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究和推廣。中國(guó)最早進(jìn)行選擇性激光熔化技術(shù)研究的單位是華中科技大學(xué)和華南理工大學(xué)，西北工業(yè)大學(xué)、鉑力特公司等單位作為后起之秀也取得了巨大的成就[6-15]。華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先后推出了2套SLM設(shè)備：HRPM-Ⅰ和HRPM-Ⅱ，利用上述設(shè)備，該中心成功制造了形狀復(fù)雜的薄壁網(wǎng)格件和葉片，但成型零件致密性差，最大只能達(dá)到 80%[2,8-18]。2016年華中科技大學(xué)曾曉雁教授帶領(lǐng)自己的團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一臺(tái)大型SLM設(shè)備，該設(shè)備能夠制造出500 mm×500 mm×530 mm的零件，是全球最大尺寸的零件。該設(shè)備有4臺(tái)500 W的光纖激光器同時(shí)掃描，成型效率處于全球領(lǐng)先地位。華南理工大學(xué)與北京隆源自動(dòng)化成型設(shè)備有限公司等單位合作，開發(fā)了一臺(tái)選擇性激光熔化成型設(shè)備，通過在局部或整體通入惰性氣體，對(duì)零件成型過程形成保護(hù)，最終可使零件的尺寸精度達(dá)到±0.01 mm，表面粗糙度達(dá)到30～50 μm，相對(duì)密度幾乎為100%[2,17-22]。圖2為西安鉑力特公司的SLM 成型件[23]。鉑力特公司以西北工業(yè)大學(xué)為依托，引進(jìn)美國(guó)SCIAKY公司的EBF2技術(shù)，于2012年開始發(fā)展SLM技術(shù)和設(shè)備，迅速應(yīng)用到了航空航天領(lǐng)域，并于2014年推出了首款SLM設(shè)備。目前，SLM技術(shù)的研究主要集中在歐美國(guó)家，如德國(guó)、比利時(shí)、英國(guó)、美國(guó)等。如德國(guó)的MCP公司[24-25]、德國(guó)的TRUMPF公司[26]和美國(guó)的PHENIX公司[27-28]等。亞洲主要集中在新加坡、日本等國(guó)家，如日本的MATSUURA 公司和日本Osakada實(shí)驗(yàn)室。目前，對(duì)選擇性激光熔化設(shè)備的研究主要集中在激光器種類、聚焦面光斑尺寸大小、鋪粉方式以及活塞缸鋪粉厚度等方面[29]。表2為國(guó)外某些公司SLM設(shè)備研究現(xiàn)狀。

在美國(guó)SCIAKY公司先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上，鉑力特公司在零件的成型工藝、設(shè)備、組織及性能控制方面做了深入研究，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈦合金、不銹鋼、高溫合金等多種難加工材料和具有復(fù)雜形狀零件的制造。

表2 國(guó)外某些公司SLM設(shè)備研究現(xiàn)狀

2.2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.2.1 粉末球化現(xiàn)象

粉末球化現(xiàn)象是SLM技術(shù)中普遍存在的一個(gè)現(xiàn)象，它是指金屬粉末加熱熔化后不能均勻鋪展，形成一條平滑的掃描線，而是形成金屬球[30]。粉末球化現(xiàn)象影響零件的成型質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部孔隙，甚至阻礙鋪粉過程，導(dǎo)致零件成型失敗。中國(guó)目前在這方面的研究比較少，國(guó)外對(duì)此現(xiàn)象有一定的研究。劉海濤等[31]研究認(rèn)為造成該現(xiàn)象的原因是金屬粉末熔體形成小液體表面張力過大，可通過改變功率和掃描速率解決，并且從實(shí)驗(yàn)中得出，當(dāng)功率與掃描速率的比值為0.1時(shí)，可消除球化現(xiàn)象，得到連續(xù)的掃描線。CORMIER等[32]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)金屬粉預(yù)熱處理，可有效降低球化程度。GU等[33]認(rèn)為粉末球化分為大球和小球。張曉博[34]認(rèn)為大球產(chǎn)生的原因是金屬液與固態(tài)表面潤(rùn)濕性不好導(dǎo)致的，少部分的小尺寸金屬球是由于液體飛濺或激光束沖擊熔池所致，可通過降低環(huán)境含氧量或粉末自身含氧量、改變制備工藝參數(shù)抑制粉末球化現(xiàn)象。GUSAROV等[35]認(rèn)為球化現(xiàn)象與熔池形狀有關(guān)，熔池長(zhǎng)度與寬度之比超過2.1時(shí)，金屬粉末容易產(chǎn)生球化現(xiàn)象。K?RNER等[36]認(rèn)為金屬粉末球化受粉體密度、金屬液表面張力和毛細(xì)力多重因素的影響。

2.2.2 裂紋孔隙

選擇性激光熔化過程成型時(shí)容易產(chǎn)生裂紋和孔隙，影響零件的致密性，使零件的力學(xué)性能降低。中國(guó)對(duì)孔隙率的研究主要集中在工藝上，張曉博[34]認(rèn)為金屬球化是產(chǎn)生裂紋的一個(gè)重要原因，此外，應(yīng)力應(yīng)變使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，形成孔隙，熔道搭接不完全或未搭接熔道將會(huì)產(chǎn)生空洞，并指出通過改變環(huán)境中含氧量、掃描速率和鋪粉厚度可以降低孔隙量，提高致密度。李學(xué)偉等[37]通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光能量密度為 0.21 J/mm、掃描間距為0.07 mm 時(shí)，成型試樣的硬度最大達(dá)到 4.59 GPa，致密度達(dá)到 98.3%，性能最優(yōu)。伊朗SIMCHI[38]通過研究得出：零件的相對(duì)密度與體能量有關(guān)，體能量越高，零件致密度越高，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定值時(shí)，隨著體能量的增加，零件致密度將趨于穩(wěn)定。德國(guó)魯爾大學(xué)MEIER等[39]應(yīng)用MCP Realizer250 SLM設(shè)備研究得出，如果熔化道搭建良好，則致密度提高，并且高激光功率、低掃描速率和高能密度都能提高制件的相對(duì)密度。

3 選擇性激光熔化技術(shù)發(fā)展方向

選擇性激光熔化技術(shù)作為增材制造的一個(gè)重要分支，是增材制造未來的發(fā)展方向。針對(duì)選擇性激光熔化技術(shù)的不足，該技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)為以下幾個(gè)方面[40]。

1)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)給速度較小、工作不穩(wěn)定、加工尺寸受限，因此，設(shè)備方面應(yīng)提高設(shè)備加工時(shí)的穩(wěn)定性，增加進(jìn)給速度和加工尺寸，提高工作效率，制造出組織均勻、性能良好的零件。

2)提高粉末的綜合性能，如粉末粒度、激光熔化機(jī)理、熱物理性能等，并且找到合適的生產(chǎn)工藝，解決加工零件的球化效應(yīng)、翹曲變形及裂紋等缺陷。

3)以工程應(yīng)用為目的，形成完整的工業(yè)鏈。突破傳統(tǒng)制造工藝的束縛，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，如設(shè)計(jì)方式、生產(chǎn)方式、檢測(cè)手段、加工裝配等，從而適應(yīng)不斷發(fā)展的新型制造技術(shù)需求。

由于選擇性激光熔化技術(shù)可以加工形狀復(fù)雜、表面粗糙度好、尺寸精度高的致密性零件，因此可用于加工鈦合金、高溫合金等零件，并且加工工藝簡(jiǎn)單，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供了更加快捷的途徑。SLM技術(shù)也可應(yīng)用于快速概念制造原型、制造模具、功能零件等[41-42]。因此，選擇性激光熔化技術(shù)是增材制造技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前，中國(guó)在SLM技術(shù)上需要繼續(xù)努力，改進(jìn)設(shè)備，提高粉末綜合性能，形成完整的工業(yè)鏈，以適應(yīng)不斷發(fā)展的新型制造技術(shù)的需求。

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Status and development trend of selective laser melting forming technology

YANG Jia1,2, GUO Honggang3, TAN Jianbo1,2

(1.Materials Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 2.Key Laboratory of Near-net Forming Technology of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 3. Great Wall Motor Company Limited, Baoding, Hebei 071000, China)

Selective laser melting is a new technology developed in 1980s. The parts made by this technology have high density, high accuracy, good mechanical properties and chemical properties. The principle and characteristics of the selective laser melting technology is introduced, and the development status of the technology in production equipment and production technology at home and abroad is summarized. The main research directions of selective laser melting equipment are as follows: the laser type, the size of focusing spot, the way of laying powder, powder thickness and so on. The methods of improving the spheroidization of metal powder and crack pore are put forward: changing the power and sweep rate of the laser emitter or preheating the metal powder can improve the powder spheroidization; changing the environmental oxygen content, scanning rate and powder thickness can increase the density of parts. On the this basis of which, some constructive suggestions about slow production rate of equipment, and defects in powder performance and imperfect production chain are put forward.

casting process and equipment; selective laser melting; forming principle; technical characteristics; development status; development trend

1008-1534(2017)04-0300-06

2017-03-06;

2017-03-31；責(zé)任編輯：陳書欣

楊 佳(1992—)，女，河北行唐人，碩士研究生，主要從事精確成型及凝固控制技術(shù)方面的研究。

譚建波教授。E-mail:tanjian1998@163.com

TG665

A

10.7535/hbgykj.2017yx04012

楊 佳，郭洪鋼，譚建波.選擇性激光熔化技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].河北工業(yè)科技,2017,34(4):300-305. YANG Jia, GUO Honggang, TAN Jianbo.Status and development trend of selective laser melting forming technology[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(4):300-305.