金屬材料增材制造技術應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

文/ 孫子文

0 前言

增材制造技術（又稱“3D打印”）被譽為引領產業(yè)變革的顛覆性技術之一。區(qū)別于傳統(tǒng)對原材料切削組裝的減材加工過程，增材制造技術通過數(shù)字模型文件將金屬粉末、塑料等可結合材料熔融、擠壓、燒結、光固化等逐點、逐線、逐面堆積，制造出實際物體。增材制造根據(jù)數(shù)字模型制造出復雜結構，節(jié)省材料、可靈活設計和個性化定制。隨著新型材料的不斷應用和增材制造技術的發(fā)展，增材制造技術大量應用在航空航天、生物醫(yī)療、交通、智能穿戴等領域。

近年來，增材制造技術越來越受到重視，美國、英國、德國等都提出了增材制造技術研究、產業(yè)計劃，投入大量人力物力進行產業(yè)競爭。我國也對增材制造技術加以支持，《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》重點提及增材制造；《增材制造標準領航行動計劃（2020－2022年）》提出推動2～3項我國優(yōu)勢增材制造技術和標準制定為國際標準，增材制造國際標準轉化率達到90%，增材制造標準國際競爭力不斷提升。北京、廣東、陜西等地也根據(jù)實際情況不斷推動增材制造產業(yè)發(fā)展，2020年廣東省3D打印設備產量增長超過100%。

金屬材料廣泛應用于工業(yè)生產和日常生活的各個領域，金屬材料增材制造工藝作為門檻最高、前景最好的技術之一，也應用在多個領域。本文介紹金屬材料增材制造的工藝、應用，討論金屬材料增材制造的面臨挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢，展望金屬增材制造技術的前景。

1 金屬材料增材制造工藝

根據(jù)熱源來分，金屬材料增材制造技術可分為激光、電子束、電弧增材制造。激光增材制造主要應用于復雜小件的精密快速成形；電子束增材制造能量密度和能量利用率都較高，使得沉積效率和速率也很高；電弧增材制造主要適用于大尺寸、低精度復雜形狀工件的快速成形制造，但由于精度低，成形后通常需要后續(xù)處理。

金屬粉末的增材制造主要有選區(qū)激光燒結、選區(qū)激光融化、電子束選區(qū)融化等，通過數(shù)字模型用高能束進行燒結融化，單層成形后，成形平臺下降一個單層的高度，鋪粉系統(tǒng)制備一層新的粉末材料，然后高能束照射形成新的單層，循環(huán)往復，形成三維實體樣品。電弧增材制造主要以電弧為熱源，工作時輸送金屬絲，在熱源的加熱下形成金屬熔液，在規(guī)劃路線上層層堆積，形成三維實體樣品。金屬疊層增材制造主要采用薄帶為成形材料，根據(jù)數(shù)字模型將樣品的每一層截面數(shù)據(jù)進行切割，切割后將新的單層材料疊加上去，利用熱壓、超聲等手段使切割后的單層材料粘合在一起，然后重復切割粘合的過程，最終形成三維樣品，具有成形速度快、抗壓性能好的優(yōu)點。

2 金屬材料增材制造的應用

2.1 航空航天領域

航空航天是較早開展金屬增材制造的領域，早期應用在鈦合金支架上。鈦合金粉末激光增材制造技術制成飛機中央翼緣條構件，可提高材料冶金質量，已在國產飛機上實際應用。鈦絲在進行電子束增材制造時，制造過程中熔池前部存在劇烈的合金流體運動，熱毛細力是流體運動的主要驅動力，熔滴撞擊效應會周期性地影響熔池的傳熱和流體運動，電子束的高頻橢圓掃描可降低熔池的溫度梯度和流體流動的幅度。該增材制造技術可用于外太空簡單結構及低成本零件的快速制造。電弧增材制造形成的鈦合金凝固，不同部位晶體結構不同，在堆積區(qū)和熔合區(qū)之間有很好的冶金結合。增材制造的鈦合金與鑄造鈦合金相比，抗拉強度提高了3.7%,延伸率提高了37%，拉伸斷口為韌窩狀的韌性斷裂,與鑄態(tài)合金斷口形貌差異明顯。鈦合金電弧增材制造在提高工件質量的同時，也提高了可加工工件的尺寸和加工速度。

鎳合金是一種高溫合金。Inconel 718合金增材制造形成的工件抗拉強度和硬度通常介于鑄造和鍛造Inconel 718的抗拉強度和硬度之間，強度取決于所用的增材制造技術、工藝參數(shù)、熱處理條件、結構幾何形狀、加載方向等。Inconel 718合金增材制造的工件表面質量會變差，經后續(xù)熱處理后缺陷減少，疲勞強度會高于合金本身。Inconel 718合金增材制造的工件使用溫度可達700℃，在飛機、渦輪增壓器轉子等方面有著廣泛應用。

鋁合金強度高、耐蝕性好，是航空航天領域常用的輕量化材料。鋁合金增材制造技術有選擇性激光融化和電弧增材制造，研究主要側重于工藝參數(shù)對工件性能的影響。通過激光融化增材制造技術制造的鋁合金天線支撐結構被裝在韓國通訊衛(wèi)星Koreasat-7上，該結構尺寸大、重量輕，大大節(jié)約了成本。

2.2 生物醫(yī)藥

由于生物材料結構復雜、病人需求各異、無需大批量生產等因素，增材制造技術非常適合制造生物材料。鋅金屬具有良好的生物相容性，鋅-釹合金激光增材制造中的稀土釹既提高了鋅合金的致密度，致密化率達98.71%，成形質量優(yōu)良，又提高了鋅合金的力學性能；此外，釹合金化抑制了促炎因子的釋放，從而使鋅-釹合金具有良好的抗炎活性，增材制造的鋅-釹合金可作為承重骨植入體內，是一種很有前景的骨修復材料。增材制造孔隙結構鈦合金結構可植入人體充當關節(jié)，當植入體和人體骨骼間缺少體液，會發(fā)生干滑動摩擦，從而出現(xiàn)發(fā)炎、腫脹等現(xiàn)象。通過研究三角形、正方形和無序3種孔隙結構的摩擦性能，發(fā)現(xiàn)三角形孔隙結構位移矢量小于無序孔隙結構，但其旋轉矢量和造成的簡諧振動頻率過高，摩擦力大于無序孔隙結構；正方形孔隙結構因結構穩(wěn)定性最差，導致磨損量最大；在3種孔隙結構中，無序孔隙結構產生的摩擦熱量最少，雖在摩擦力、散熱等方面強于三角形，但其磨損量大于三角孔隙結構。

金屬增材制造技術在口腔修復體制作中的應用主要集中在金屬基底冠、可摘局部義齒的金屬支架和種植體。激光增材制造制作的鈷鉻合金底冠金瓷結合力接近甚至超過傳統(tǒng)制作；由于激光增材制造冷卻速度快、結構致密無缺陷，激光增材制造制作的鈷鉻合金強度高于傳統(tǒng)鑄造；經過恰當?shù)挠嬎銠C輔助設計、參數(shù)設定，激光增材制造的鈷鉻合金能達到良好的基牙密合性。激光增材制造的鈷鉻合金可摘局部義齒金屬支架在合適度和功能上接近傳統(tǒng)支架，但微觀結構上更加優(yōu)良。激光增材制造技術制作的鈦合金種植體支架由于快速冷卻及晶相組成等因素，擁有更高的致密度和硬度，結構輕巧、生物相容性好。

2.3 交通行業(yè)

金屬增材制造在軌道交通領域的應用主要在零部件制作和損傷零部件增材修復。金屬增材制造在高密度熱源下快速熔化、凝固，制造零件微觀晶粒細小均勻、溶質偏析較小，能獲得超過鍛造件力學性能并接近鍛造件疲勞性能的金屬零部件。國外機車公司在列車后續(xù)維護中已使用金屬增材制造成形結構復雜的列車軸承，提高軸承抗振動性能和耐磨性能，使用不銹鋼增材制造軌道列車轉向架抗側滾扭桿安裝座，在拓撲優(yōu)化設計的基礎上打印出具有仿生結構的安裝座，在保證原有性能的情況下減重70%。中車株洲電力機車有限公司通過激光增材制造316L不銹鋼機車高壓接地開關傳動件，制成的零件尺寸精度達±0.1 mm，成形過程中熔池冷卻速率超過105 K/s，晶粒得到細化，制成的零件抗拉強度和顯微硬度超過鍛件，克服了原連接件結合部位強度低、易脫落的缺點。金屬增材制造可用于軌道交通復雜異形件、連接件的整體成形制造。

金屬增材制造修復軌道交通受損的零部件，提高零件使用壽命，降低企業(yè)成本。用不銹鋼粉激光增材修復有缺陷的棒狀車軸，疲勞試驗表明增材修復后的車軸耐疲勞性能優(yōu)于原始車軸零件。隨著金屬增材修復機車車軸研究的增多，越來越多的金屬粉末投入使用，工藝參數(shù)也得到優(yōu)化，力學性能更加優(yōu)異。激光熔覆增材制造技術在車軸鋼表面熔覆鎳基粉末，制造出結合牢固的覆蓋層，顯著提高了涂層硬度，熔覆層的平均硬度是基體硬度的3倍以上。

金屬增材制造技術在汽車行業(yè)主要應用在產品開發(fā)和生產2個階段。開發(fā)階段使用增材制造技術，可快速制造成形、迅速驗證和優(yōu)化零件設計；在生產階段涉及小批量復雜零部件時，金屬增材制造可較快實現(xiàn)零部件的近凈成形。利用金屬增材制造技術制造發(fā)動機缸蓋，形成的產品致密度高，不會出現(xiàn)鑄造時可能產生的裂紋和縮孔，性能接近鍛件，但省去了傳統(tǒng)制造中開模、澆注等系列工序，解決了小批量生產缸蓋耗時長問題。發(fā)動機缸體和變速箱殼體制造傳統(tǒng)上采用鑄造方式生產，結合金屬增材制造技術和鑄造，可在保證產品質量的同時降低成本、縮短工期。

2.4 首飾、服飾

隨著社會進步,人們的個性化需求越來越多，市場中心逐漸由企業(yè)轉移到消費者,設計師也需圍繞消費者進行首飾、服飾的設計。增材制造技術可以小批量快速定制，對首飾、服飾設計制造的影響越來越大。金屬首飾的增材制造技術主要分為間接法和直接法。間接法先通過增材制造技術制造出蠟模，然后用失蠟法鑄造出金屬首飾，本質上是高分子材料增材制造與傳統(tǒng)鑄造的結合；直接法是金屬材料在高能束作用下融化在二維平面內，冷卻、成形、增厚，一步成型形成金屬首飾。金屬首飾的一步增材制造主要采用激光選區(qū)熔融技術，該方法采用CO2激光器做熱源，鋪粉燒結后進行下一層的燒結，制作完成后去掉多余粉末，進行打磨拋光便得到所需首飾。該方法制成的首飾有較高的精確度和銜接性，可制造空心、多層鏤空、蕾絲狀等復雜首飾。貴金屬首飾制作可采用疊層增材制造技術，該方法在生產過程中金屬變形小，適于制造面積較大、曲面、管狀等造型的首飾。除普通首飾增材制造，有工作室還通過增材制造制作了動態(tài)機械結構的項鏈、手鏈，由獨特部件相互交錯組成，總體上是一個連續(xù)結構，但每個組件是剛性的，無需組裝即可使用。

形狀記憶合金在加熱到一定溫度后形狀會被記憶，在溫度降低后逐漸恢復原狀，當溫度再次變化后，形狀記憶合金的形狀也隨之改變。越來越多的穿戴品使用形狀記憶合金進行增材制造，在織物原材料中加入形狀記憶合金線，這些線直徑較小，加入記憶合金的服飾在外界刺激下而發(fā)生微妙變化，使服飾更具真實感和生命感。

美國國家航空航天局通過金屬增材制造出了類似古代鎖子甲的“太空盔甲”，通過增材制造將不銹鋼制成連續(xù)的可折疊編制材料，正反兩面性能不同，一面是反射光和熱的方塊，一面是互相嵌套的圓環(huán)來幫助吸收熱量，兩者有機結合在一起，減少宇航員和飛行器受到太空垃圾的危害。

3 金屬材料增材制造的挑戰(zhàn)與展望

盡管金屬材料增材制造可以快速、小批量制造復雜工件，但它仍面臨著一些問題和挑戰(zhàn)。金屬粉末床燒結增材制造時，形成的零件易粘結粉末顆粒，表面粗糙，需要進行打磨、拋光等后續(xù)處理；成形空間真空度較低，成形時熔融的材料易被氧化，需要惰性氣體保護；進行激光增材制造時對粉末質量要求高，設備運維成本較高。金屬絲材電弧增材制造時，工藝參數(shù)會影響熱的輸入和累積，熱輸入較大會對精度和性能產生影響。金屬絲材電子束增材制造時處于高溫、高真空、高輻射的環(huán)境，其熔池形態(tài)和溫度分布不均勻，易出現(xiàn)裂紋、變形、氣孔等問題，溫度過高時會燒穿鋼板和過度滲透，進而影響零件的精度和良品率。金屬疊層增材制造形成的零件抗壓性能好，但彈性差、抗拉強度低，由于各個方向上的力學性能不同，制成的零件表面通常有波紋，需進行打磨、拋光。金屬材料增材制造有金屬熔融、冷卻、形成新金屬層3個過程，由于熱梯度和散熱不均，增材制造形成的單層材料在層邊緣、中間等不同位置存在不同的晶相，會對強度、耐磨性等造成影響，在層交界處進行新金屬層沉積時，晶粒組織會發(fā)生變化。

近年來，我國在國家層面及廣東省都出臺了大量政策推動增材制造產業(yè)的發(fā)展，廣東省激光與增材制造產業(yè)企業(yè)總數(shù)和產值分別均占全國的30%以上，形成了以大族激光、納思達、創(chuàng)鑫激光等為代表的多家上市公司，產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)不斷完善，初步形成激光與增材制造材料、掃描振鏡、激光器、整機設備、應用開發(fā)以及公共服務平臺的產業(yè)鏈。根據(jù)廣東省的優(yōu)勢，金屬材料增材制造應重點關注航空航天、生物醫(yī)療、工業(yè)模具和珠寶首飾制造等領域。

4 結語

金屬材料增材制造作為一種受到密切關注的技術，有著廣闊的應用前景，同時也面臨著一些挑戰(zhàn)，如材料成形不均勻、精度低、尺寸小等問題。未來，隨著研究和發(fā)展的不斷深入，金屬增材制造工件將越來越大，制造速度越來越快，制造精度越來越高。