金屬材料增材制造研究與應(yīng)用

樂方賓，葉 寒，劉 勇

(江西省輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料重點實驗室/南昌大學(xué)，330031，南昌)

0 引言

根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會(American Society for Testing and Materials, ASTM)對增材制造(Additive Manufacturing, AM)的定義，增材制造是一種通過零件的三維模型數(shù)據(jù)一層一層的結(jié)合材料成形，與傳統(tǒng)減材制造完全相反的一種制造方法[1]。增材制造技術(shù)通過計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)(Computer Aided Design, CAD)將零件的三維模型進(jìn)行切片分層，離散為一層一層的二維模型數(shù)據(jù)，采用高能熱源(如激光、電子束、電弧等)將材料逐層熔融堆積成形，實現(xiàn)快速制造出具有復(fù)雜幾何形狀的零件。這項技術(shù)打破了傳統(tǒng)制造技術(shù)的局限性，可在短期內(nèi)制造出傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實現(xiàn)的零件，也為設(shè)計人員提供了全新的零件設(shè)計思路。

早期的增材制造技術(shù)主要應(yīng)用于快速原型制造領(lǐng)域，材料主要是樹脂和塑料。金屬增材制造(Metal Additive Manufacturing, MAM)技術(shù)在近年來得到快速發(fā)展，已經(jīng)成為增材制造中最具代表性的技術(shù)，德國、美國、中國等許多國家都對其展開了大量的研究[2]。目前該技術(shù)在醫(yī)療，航空航天領(lǐng)域等都表現(xiàn)出巨大的潛能，在特定應(yīng)用領(lǐng)域該技術(shù)已顛覆了傳統(tǒng)加工工藝[3-6]。金屬增材制造技術(shù)按工藝方法可以分為粉末床熔融(Power Bed Fusion, PBF)和直接能量沉積(Directed Energy Deposition, DED)兩大類。粉末床熔融工藝以選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)和電子束熔化成形(Electron Beam Melting, EBM)為代表，應(yīng)用最為廣泛。直接能量沉積則包括激光金屬沉積(Laser Metal Deposition, LMD)和電弧增材制造(Wire+Arc Additive Manufacturing, WAAM)。本文主要根據(jù)工藝方法的不同介紹了金屬增材制造技術(shù)的種類和實際應(yīng)用情況，并對該技術(shù)存在的問題以及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了探討。

1 金屬增材制造技術(shù)種類及應(yīng)用

1.1 粉末床熔融工藝(PBF)

PBF工藝簡而言之就是將金屬粉末平鋪到基板上進(jìn)行熔融成形[7]，使用的金屬粉末尺寸在20～100 μm之間。PBF工藝主要包括SLM和EBM。PBF工藝的特點是具有較高的成形精度，并且成形所需要的時間與零件復(fù)雜程度無關(guān)，與零件體積成正比。以下幾項是構(gòu)成PBF工藝的重要元素[8]。

能量源(熱源)：激光束或者電子束，提供能量將粉末顆粒熔融。

掃描裝置：控制熱源在粉末床以設(shè)定好的路徑精確移動。

送粉裝置和刮刀：用于添加粉末，將粉末鋪平。

成型缸：在每一層掃描完成后，控制床體下降，方便下一層粉末鋪平。

封閉的成型腔：保證成形過程中的氣體氛圍，防止粉末熔化過程中與氣體發(fā)生反應(yīng)。

1.1.1 選區(qū)激光熔化(SLM) SLM是一種典型的PBF增材制造技術(shù)，其利用高能激光束，按預(yù)定的掃描路徑，掃描速度，將鋪好的金屬粉末層快速熔化再快速冷卻凝固成形[9]。其成形過程主要分為3步，首先電機(jī)控制成形缸下降，粉料缸上升，而后刮刀將粉末均勻的鋪在成形缸上，最后激光根據(jù)CAD設(shè)計好的路徑進(jìn)行選擇性掃描熔化粉末凝固成形。每一層都重復(fù)該過程，直到成形完成，圖1是SLM成形過程示意圖[10]。

SLM鋪粉層厚在10～100 μm，為獲得更好的表面質(zhì)量和成形精度一般選擇30 μm[9]。SLM并不會將成形缸內(nèi)所用粉末全部熔化，剩余粉末經(jīng)篩除大顆粒燒結(jié)雜質(zhì)可重新使用。激光熔化材料使其膨脹，激光頭移動后材料快速冷卻凝固收縮，在零件內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，過大的殘余應(yīng)力會使零件開裂失效[11]。為減少殘余應(yīng)力，對基板進(jìn)行預(yù)熱，成形完成后對零件進(jìn)行熱處理消除殘余應(yīng)力也是必要的。

圖1 SLM成形過程示意圖

SLM成形件性能良好，拉伸性能可超過鑄件，達(dá)到鍛件水平，成形精度高，適合汽車、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來國內(nèi)外對SLM技術(shù)的研究及應(yīng)用不斷拓展與深入。美國航天公司SpaceX開發(fā)載人航天飛船Super Draco過程中使用SLM技術(shù)制造了載人航天飛船引擎，如圖2(a)[12]，很好地解決了引擎冷卻道、噴射頭、節(jié)流閥等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造問題。圖2(b)是美國GE航空公司使用SLM技術(shù)制造的燃油噴嘴，重量減輕25%，強(qiáng)度提高了約5倍[13]。比利時航空航天公司ASCO使用SLM技術(shù)制造大型鵝頸支架，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計在保證承載載荷滿足條件整體重量減小31%[14]。利用SLM技術(shù)制造汽車金屬零件，在降低成本、縮短周期、提高工作效率、生產(chǎn)復(fù)雜零件等方面優(yōu)勢明顯。SLM技術(shù)還適用于制造個性化定制的人體植入物，如牙齒，骨植入體等，如圖2(c)[12]。

(a)載人飛船Super Draco引擎；(b)燃油噴嘴；(c)牙齒和人體植入物

1.1.2 電子束熔化成形(EBM) EBM的原理與SLM類似，主要區(qū)別在于熱源不同：EBM采用電子束代替激光作為熱源熔化金屬粉末。激光容易被金屬反射，而電子束的能量更容易被金屬吸收，粉末熔化時形成的熔池溫度也高，因此EBM適用于高熔點材料，如高熔點陶瓷[15]。與SLM相比EBM掃描速度更快[16]，但也導(dǎo)致EBM成形件表面質(zhì)量不如SLM。EBM制造過程中為避免氣體對電子束的干擾，需在真空條件下進(jìn)行。成形過程中存在高壓放電，會產(chǎn)生較強(qiáng)的X射線，EBM在成形過程中也會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。這些條件阻礙了EBM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，導(dǎo)致EBM技術(shù)遠(yuǎn)沒有SLM技術(shù)應(yīng)用廣泛。

1.2 直接能量沉積(DED)

DED是將熱源(激光或者電弧)直接聚焦在基材和金屬材料(金屬絲或粉末)上熔化，熔化的金屬材料沉積到基材上與基材融合后冷卻凝固。DED主要包括LMD和WAAM。DED不依賴成形缸，且與粉末床熔融工藝相比，具有更高的沉積速率，成形尺寸不受成型倉尺寸限制，能夠進(jìn)行大型金屬件制造。DED不僅能夠進(jìn)行零件的制造，還能對損壞零件進(jìn)行修復(fù)[17]。

1.2.1 激光金屬沉積(LMD) LMD技術(shù)以激光為熱源，以金屬粉末或者金屬絲為加工原材料。LMD使用的金屬粉末粒徑較大，約150 μm。其工作原理如圖3，粉末材料從噴嘴中被保護(hù)氣噴出，在激光焦點處受熱熔化形成熔池，保護(hù)氣包圍著熔池，在激光向前移動，熔池冷卻凝固與基材結(jié)合[18]。零件成形后不需進(jìn)行后續(xù)的加工或者僅需少量處理就能滿足使用要求。這是一項依托于新的制造技術(shù)，模擬分析和機(jī)械自動化等科技成果上發(fā)展而來的。相比SLM技術(shù)，LMD技術(shù)成形過程接近近凈成型，材料利用率達(dá) 90%以上[19]。LMD成形過程中激光頭可靈活移動，從而為增加設(shè)計自由度和生產(chǎn)大型金屬結(jié)構(gòu)件打開了大門。LMD沉積單層層厚可達(dá) 1 mm，沉積速率可達(dá)0.5 kg/h，且具有非常大的活動范圍，但成形精度較低，表面質(zhì)量較差[20]。

圖3 激光金屬沉積示意圖

基于這一技術(shù)的諸多優(yōu)點，國外發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)70年代就開始了該技術(shù)的研究和應(yīng)用，如今在很多方面已經(jīng)取得了巨大成就。歐洲Airbus公司A300機(jī)型和A350XWB機(jī)型使用LMD技術(shù)制造的一些支架類零件可以減重30%～50%，節(jié)省了大量的材料[21]。英國Rolls Royce公司使用LMD技術(shù)，生產(chǎn)Trent XWB-97渦輪風(fēng)扇系列發(fā)動機(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1.5 m，長度為0.5 m，如圖4(a)[22]。國內(nèi)LMD技術(shù)雖起步較晚，但我國LMD技術(shù)具有巨大的潛力。西安鉑力特增材制造技術(shù)公司使用LMD技術(shù)，為國產(chǎn)大飛機(jī)C919制造了一根長達(dá)3 m的大型鈦合金中央翼緣條，如圖4(b)[23]。北京航空航天大學(xué)的王華明團(tuán)隊也利用LMD技術(shù)制造了大型飛機(jī)鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框，如圖4(c)[22]，并獲得國家技術(shù)發(fā)明一等獎。

(a)Rolls-Royce Trent XWB-97前軸承座及機(jī)翼葉；(b)C919中央翼緣條；(c)鈦合金承力構(gòu)件框

1.2.2 電弧增材制造(WAAM) WAAM原理與LMD類似，使用電弧作為熱源。通過機(jī)械臂或機(jī)床結(jié)構(gòu)控制能量頭的移動，具有極大的靈活性，且允許多個機(jī)器臂同時工作，進(jìn)一步加大工作范圍。此外WAAM的沉積速率高達(dá)10 kg/h，為大型零件的制造提供了可能[24]。然而高的沉積速率帶來的影響是成形件精度較低，無法制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件。WAAM成形完成后往往還需要進(jìn)一步的機(jī)械加工才能夠滿足使用條件。由于電弧產(chǎn)生的高熱量，成形過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力往往使得零件變形扭曲，加工過程中需要對殘余應(yīng)力進(jìn)行控制。WAAM能減少制造大型零件的時間和成本，并且保證機(jī)械性能的穩(wěn)定。歐洲Glenalmond Technologies公司使用WAAM技術(shù)成功生產(chǎn)出全尺寸鈦合金壓力容器原型，該容器高1 m，重8.5 kg，如圖5[25]。相比傳統(tǒng)制造方法，每個容器節(jié)約了200 kg的鈦合金。

圖5 WAAM制造鈦合金壓力容器

2 面臨的挑戰(zhàn)

盡管金屬增材制造具有很多優(yōu)點，如零件設(shè)計自由，快速響應(yīng)，可制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等。但仍存在一些不足之處，阻礙了金屬增材制造技術(shù)的推廣應(yīng)用。目前金屬增材制造大規(guī)模應(yīng)用所面臨的主要挑戰(zhàn)有原材料成本太高，材料的限制，成形件組織不均勻，存在缺陷，機(jī)械性能的各向異性。

金屬增材制造使用的金屬粉末會直接影響成形件的性能，目前國內(nèi)使用的金屬粉末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發(fā)的，基本都是使用霧化工藝制造[26]。這種工藝生產(chǎn)出來的粉末價格高昂，而且在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生空心顆粒。這些空心顆粒用于金屬增材制造會使成形件出現(xiàn)裂紋，孔洞等缺陷，嚴(yán)重影響力學(xué)性能。因此研發(fā)價格低廉，高性能的金屬粉末將會是金屬增材制造研究的一個重點。目前已開發(fā)的可用于增材制造的金屬材料仍是有限的，這些材料包括鋁合金,鈦合金，鎳基合金，鋼等[27]，其它金屬材料正在開發(fā)當(dāng)中。材料的有限限制了該技術(shù)在某些領(lǐng)域的應(yīng)用，故開發(fā)新的材料是有必要的。

金屬增材制造成形過程中包含著復(fù)雜的物理、化學(xué)變化以及物理冶金過程，還伴隨著復(fù)雜的形變過程，容易產(chǎn)生球化、孔隙和裂紋等缺陷，如圖6(a)和圖6(b)[27]。在一層一層融合過程中，熱源會對前一層重新加熱，形成獨(dú)特溫度場導(dǎo)致微觀組織不均勻，結(jié)構(gòu)存在各向異性，如圖6(c)[28]。如何優(yōu)化工藝，對成形過程形成的微觀組織進(jìn)行有效調(diào)控，從而得到理想的性能，仍是金屬增材制造研究的重點。

(a)孔洞；(b)微裂紋；(c)組織不均勻

近年來，后處理工藝如熱處理和表面技術(shù)不斷被用于改善增材制造金屬成形件的顯微組織和力學(xué)性能。改進(jìn)傳統(tǒng)熱處理工藝應(yīng)用到增材制造成形件，可以一定程度上改善增材制造成形件的殘余應(yīng)力與缺陷等[29]，但熱處理過程中往往伴隨著晶粒粗化，將削弱增材制造本身細(xì)小晶粒對材料的強(qiáng)化作用。此外，增材制造成形件熱處理溫度高，耗時長，效率低，針對增材制造成形件的熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)目前尚未建立，傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)并不完全適用于增材制造成形件，選擇不當(dāng)將降低材料的力學(xué)性能[30]。增材制造表面后處理工藝，近年來不斷得到應(yīng)用與改進(jìn)。美國最早開發(fā)了軋制微鍛造技術(shù)，華中科技大學(xué)采用滾壓微鍛造技術(shù)對增材制造成形件施加高壓力，產(chǎn)生塑性變形改善組織與性能[31]。南華大學(xué)等[32]采用高頻沖擊改善金屬成形件組織和性能。但是軋制微鍛造、滾壓微鍛造、高頻沖擊技術(shù)等加入的滾壓頭或沖擊頭只能對成形件表層定向施加壓力，可針對規(guī)則形狀結(jié)構(gòu)相對簡單的成形件，而難以處理結(jié)構(gòu)復(fù)雜的成形件，無法滿足增材制造金屬成形件的后處理工藝需求。改善增材制造金屬成形件微觀組織和力學(xué)性能的后處理工藝和專用裝備研發(fā)，也是制造高性能增材制造金屬制件未來的發(fā)展方向之一。

3 結(jié)束語

現(xiàn)今，工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展競爭激烈，金屬增材制造技術(shù)可以縮短交貨時間，降低成本，正受到業(yè)界內(nèi)外的廣泛關(guān)注。金屬增材制造工藝不同，所適用的零件不同。例如SLM成本高，適合生產(chǎn)精度高且復(fù)雜的零件。LMD和WAAM成本低，生產(chǎn)速率高，可用于大型零件的制造，雖然精度低需要二次加工。增材制造要正式投入工業(yè)應(yīng)用中，需要保證其生產(chǎn)的零件具有可靠的性能，已有大量的研究進(jìn)行了相關(guān)的實驗測試，證明滿足拉伸，疲勞，韌性等性能要求。

隨著增材制造技術(shù)的逐漸完善，這一新型加工制造技術(shù)正在以一個較快的發(fā)展速度向前發(fā)展，客觀的來說這一加工技術(shù)的成熟度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于傳統(tǒng)的鑄、焊、鍛、粉末冶金等制造技術(shù)，不論是在最終功能零件的組織與性能控制，還是最終的成形精度和可用的成形專用合金體系和后處理工藝等方面均存在較大差距。但隨著更多人力物力的大量投入，這一差距會逐漸減小。尤其是近些年，全球均在這一技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上投入了大量的資金，加上飛速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，增材制造技術(shù)在生產(chǎn)速度、原材料利用率等方面已取得了較大的進(jìn)步。隨著金屬增材制造標(biāo)準(zhǔn)的建立與完善，更多的專門應(yīng)用于增材制造的合金粉末的開發(fā)和針對增材制造成形件后處理工藝及專用裝備的研發(fā)，增材制造技術(shù)的應(yīng)用將會變得更加廣泛，在不久的將來會實現(xiàn)從傳統(tǒng)制造方法到增材制造的快速轉(zhuǎn)變。