金屬增材制造技術(shù)的研究進(jìn)展

曾紹連

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的研究進(jìn)步已然成為當(dāng)前的重要研究內(nèi)容，在此過程中，金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展也是十分重要的。增材制造技術(shù)是當(dāng)前一種全新的制造技術(shù)，在短短幾十年中得到了前所未有的快速發(fā)展，并成為了當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的重要內(nèi)容。就目前而言，增材制造技術(shù)已經(jīng)成為許多發(fā)達(dá)國家實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新、提升本國制造行業(yè)發(fā)展的重要發(fā)展對象，為適應(yīng)國際發(fā)展的大方向，我國在增材制造技術(shù)方面的研究也是不斷深入，在積極推動(dòng)3D打印技術(shù)在制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新過程中，也進(jìn)一步的加快了信息化以及工業(yè)化的進(jìn)程。不僅如此，為了加快增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，我國政府積極的與國外增材制造技術(shù)發(fā)展前沿國家進(jìn)行聯(lián)合，并共同發(fā)起成立世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的號召，這也在一定程度上顯示出我國對于增材制造技術(shù)發(fā)展的重視程度。以下將針對金屬增材制造技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行更深入的探討分析。

1 金屬增材制造技術(shù)概述

金屬增材制造技術(shù)又稱3D打印，是一種以數(shù)字三維建模為基礎(chǔ)，融合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工、材料成形技術(shù)，使用金屬材料、非金屬材料及醫(yī)用生物材料，按照層層疊加、分層制造的離散-堆積原理，自下而上快速制備出形狀復(fù)雜工件的成型技術(shù)。增材制造技術(shù)在過去短短30年里受到了全世界的高度關(guān)注，被譽(yù)為人類歷史上“第三次工業(yè)技術(shù)革命”。金屬增材制造技術(shù)按照能量源又分為主要包括激光和電子束打印技術(shù)等主要兩大類。金屬增材制造技術(shù)包括選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS），直接金屬粉末激光燒結(jié)（DMLS）、選區(qū)激光熔化技術(shù)（SLM）、激光成形技術(shù)（LENSS）、電子束選擇性熔化（EBSM）等。近年來，金屬增材制造的新技術(shù)顯示出爆炸性的增長，2017年，帝國理工學(xué)院開發(fā)了電化學(xué)增材制造（ECAM）金屬3D打印工藝，ExOne開發(fā)了粘結(jié)劑噴射（BJ）技術(shù)。法布里森公司于2017年開發(fā)了超聲波3D打?。║AM），XJet開發(fā)了噴墨金屬打印技術(shù)。所有金屬3D打印技術(shù)都顯示出獨(dú)特的技術(shù)解決方案。選區(qū)激光熔化技術(shù)是一種成熟的金屬3D打印技術(shù)，在強(qiáng)度、精度和緊湊性等方面具有巨大的潛力。與傳統(tǒng)的減材制造、粉末冶金制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)由于具有輕量化減重，無需多余的夾具、模具，無需大型熱加工設(shè)備，可制造復(fù)雜內(nèi)腔的工件，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，降低制造成本，易于修復(fù)與再制造等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防、汽車、生物、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

2 金屬增材制造技術(shù)分類

2.1 激光增材制造技術(shù)

通常由激光近凈成形技術(shù)、激光直接金屬燒結(jié)、激光選區(qū)熔化以及激光選擇性燒結(jié)等就是激光增材制造技術(shù)的組成部分，本文主要選取了激光近凈成形與激光選區(qū)熔化兩種技術(shù)展開具體論述。

2.1.1 激光選區(qū)熔化（SLM／DMLS）

作為激光增材制造技術(shù)最具典型特點(diǎn)的激光選區(qū)熔化中的選擇性激光燒結(jié)（SLM）工藝，與金屬燒結(jié)（DMLS）并沒有特別大的區(qū)別，所以下面將共同介紹兩組工藝。按照計(jì)算機(jī)設(shè)置好的路徑，運(yùn)用激光對鋪粉器預(yù)鋪的一層金屬粉末進(jìn)行掃描，金屬粉末熔化且與前一層構(gòu)成冶金，進(jìn)而形成實(shí)體；為了最大程度避免形成階段出現(xiàn)氧化情況，實(shí)踐操作中可以采取氬氣、氦氣等惰性氣體實(shí)施有效保護(hù)，以此來全面改善成形質(zhì)量，增強(qiáng)層間的浸潤程度，最大程度減少沉積層的表面張力。

SLM盡管有較強(qiáng)的精度，但依然有一些熱應(yīng)用與球化情況產(chǎn)生在成形階段，直接影響了成形的精度。美國通用電氣公司在2012年運(yùn)用SLM技術(shù)研發(fā)出了一款LEAP噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)制造燃油噴嘴，雖然成形后明顯降低了零件質(zhì)量，但是卻進(jìn)一步增強(qiáng)了性能。SLM技術(shù)在國內(nèi)的研究相對于先進(jìn)國家較晚，雖然在工藝與設(shè)備研發(fā)方向，華南理工大學(xué)與華中科技大學(xué)展開了大量的實(shí)踐研究，但所得到的材料與精度仍無法追上先進(jìn)國家的程度。

2.1.2 激光近凈成形（LENS）

利用激光熔覆原理，激光近凈成形主要通過大功率激光器將送粉噴頭放入熔池粉末的方式，實(shí)現(xiàn)一層一層沉積直至成形。LENS利用對工藝參數(shù)的優(yōu)化與調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)非均質(zhì)材料、多金屬的成形，其應(yīng)用于多金屬材料結(jié)合零件或者大型零件上面的優(yōu)勢更為突出。LENS被美國華盛頓州立大學(xué)運(yùn)用于鈦合金、多孔鈦制備，KRISHNA等學(xué)者使用LENS已研發(fā)出多孔鈦材料臀骨柄，與純鈦相比，多孔鈦可以對人體成骨細(xì)胞帶來更大的刺激以此快速分化。而我國的北京航空大學(xué)與西北工業(yè)大學(xué)在國內(nèi)利用大量實(shí)踐明確了最佳工藝參數(shù)，并在此前提下實(shí)現(xiàn)了對鎳合金與鈦合金的LENS成形研究，得出結(jié)果顯示成形件已達(dá)到應(yīng)用水準(zhǔn)，具有較突出的力學(xué)性能。

2.2 電子束增材制造技術(shù)

2.2.1 電子束選區(qū)熔化（EBM）

對于SLM的形成過程而言，電子速選區(qū)熔化與其較為幾乎相同，在電磁偏轉(zhuǎn)線圈發(fā)揮的作用下，EBM使用高能電子束對金屬材料實(shí)施轟擊來形成熔池，并遵循提前設(shè)置的路線，一層一層熔化預(yù)置粉末，一直到零件成形為止。自2003年一家Arcam的瑞典公司提出EBM商業(yè)化設(shè)備，推動(dòng)了電子束選區(qū)熔化的發(fā)展。該設(shè)備擁有每秒10至100米的掃描速度，最大成形尺寸為200mm*200mm*160mm，精度達(dá)到了±1mm。2004年我國清華大學(xué)研發(fā)了兩套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分別是EBM-250與EBM-150，成形缸有100mm*100mm*100mm與250mm*250mm*250mm兩種尺寸，推動(dòng)了雙金屬粉末EMB的成形。湯慧萍等學(xué)者在西北有色金屬研究院開展了EBM鋪粉裝置的優(yōu)化，得到了超薄鋪粉，具有較高的精度。

2.2.2 電子束熔絲沉積（EBF3）

EBF3的沉積材料通常以絲材為主，其更適合運(yùn)用在太空微重力環(huán)境下成形，并有其他金屬增材制造技術(shù)無法比擬的電子束選區(qū)熔化技術(shù)優(yōu)勢，進(jìn)一步推動(dòng)了航天器深空探測與有效維護(hù)。美國航空航天局在二十世紀(jì)九十年代于蘭利研究所研究了空間金屬材料增材制造技術(shù)，以電子束熔絲沉積為前提，分別研發(fā)了兩種沉積設(shè)備，分別為便捷式與落地式，是為一種便攜式電子束熔絲成形系統(tǒng)，并且利用飛行試驗(yàn)對工藝參數(shù)展開了優(yōu)化。

2.3 電弧增材制造技術(shù)（WAAM）

WAAM利用分層疊加制造原理，使用焊絲成形材料，以等離子弧焊、非熔化極氣保焊、熔化極氣保焊等焊接工藝形成的電弧作為主要熱源，在三維零件成形過程中，使用一層一層覆沉積的方式。在增材制造技術(shù)的快速發(fā)展中，三維焊接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其充分結(jié)合了增材制造技術(shù)與焊接工藝，主要用于零部件的直接制造以及產(chǎn)品零部件的原型制造。SPENCER等學(xué)者在英國Nottingham大學(xué)利用六軸機(jī)器人和GMAW工藝，促進(jìn)了三維堆焊成形。SONG等學(xué)者在韓國科學(xué)研究所實(shí)現(xiàn)了金屬零件成形，充分結(jié)合了CNC銑削技術(shù)與三維堆焊技術(shù)，成形階段的任何一次堆焊都是一次對成形面實(shí)施的銑削，使成形精度更強(qiáng)，已進(jìn)一步證實(shí)成形件力學(xué)性能的高效。

3 金屬材料增材制造的應(yīng)用

增材制造（Additive Manufacturing，AM），俗稱3D打印，以數(shù)字化設(shè)計(jì)、新材料為基礎(chǔ)，其基本工藝是通過計(jì)算機(jī)切片算法，將三維物體的數(shù)值模型切割為一系列平行的片層，然后控制激光、電子束或紫外光等能量束的掃描方式，將液態(tài)、粉狀或絲狀材料逐層固化、層層堆疊形成完整的三維物體。經(jīng)過30多年的發(fā)展，3D打印技術(shù)已形成包括粉床選區(qū)燒結(jié)、激光凈成型、樹脂光聚合，熔融沉積、等離子沉積、墨水直寫和雙光子成型等在內(nèi)的眾多種類，并廣泛用于各個(gè)工程領(lǐng)域，具體如下。

3.1 生物醫(yī)藥

由于生物材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜、病人需求各異、無需大批量生產(chǎn)等因素，增材制造技術(shù)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(dá)98.71%，成形質(zhì)量優(yōu)良，又提高了鋅合金的力學(xué)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(nèi)，是一種很有前景的骨修復(fù)材料。增材制造孔隙結(jié)構(gòu)鈦合金結(jié)構(gòu)可植入人體充當(dāng)關(guān)節(jié)，當(dāng)植入體和人體骨骼間缺少體液，會(huì)發(fā)生干滑動(dòng)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(jié)構(gòu)的摩擦性能，發(fā)現(xiàn)三角形孔隙結(jié)構(gòu)位移矢量小于無序孔隙結(jié)構(gòu)，但其旋轉(zhuǎn)矢量和造成的簡諧振動(dòng)頻率過高，摩擦力大于無序孔隙結(jié)構(gòu)；正方形孔隙結(jié)構(gòu)因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差，導(dǎo)致磨損量最大；在3種孔隙結(jié)構(gòu)中，無序孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦熱量最少，雖在摩擦力、散熱等方面強(qiáng)于三角形，但其磨損量大于三角孔隙結(jié)構(gòu)。金屬增材制造技術(shù)在口腔修復(fù)體制作中的應(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)致密無缺陷，激光增材制造制作的鈷鉻合金強(qiáng)度高于傳統(tǒng)鑄造；經(jīng)過恰當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)定，激光增材制造的鈷鉻合金能達(dá)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(jié)構(gòu)上更加優(yōu)良。激光增材制造技術(shù)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(jié)構(gòu)輕巧、生物相容性好。

3.2 交通行業(yè)

金屬增材制造在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用主要在零部件制作和損傷零部件增材修復(fù)。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(xì)小均勻、溶質(zhì)偏析較小，能獲得超過鍛造件力學(xué)性能并接近鍛造件疲勞性能的金屬零部件。國外機(jī)車公司在列車后續(xù)維護(hù)中已使用金屬增材制造成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的列車軸承，提高軸承抗振動(dòng)性能和耐磨性能，使用不銹鋼增材制造軌道列車轉(zhuǎn)向架抗側(cè)滾扭桿安裝座，在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上打印出具有仿生結(jié)構(gòu)的安裝座，在保證原有性能的情況下減重70%。金屬增材制造修復(fù)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(fù)有缺陷的棒狀車軸，疲勞試驗(yàn)表明增材修復(fù)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(fù)機(jī)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(xué)性能更加優(yōu)異。激光熔覆增材制造技術(shù)在車軸鋼表面熔覆鎳基粉末，制造出結(jié)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(shù)在汽車行業(yè)主要應(yīng)用在產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)2個(gè)階段。開發(fā)階段使用增材制造技術(shù)，可快速制造成形、迅速驗(yàn)證和優(yōu)化零件設(shè)計(jì)；在生產(chǎn)階段涉及小批量復(fù)雜零部件時(shí)，金屬增材制造可較快實(shí)現(xiàn)零部件的近凈成形。利用金屬增材制造技術(shù)制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋，形成的產(chǎn)品致密度高，不會(huì)出現(xiàn)鑄造時(shí)可能產(chǎn)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(chǎn)缸蓋耗時(shí)長問題。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和變速箱殼體制造傳統(tǒng)上采用鑄造方式生產(chǎn)，結(jié)合金屬增材制造技術(shù)和鑄造，可在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)降低成本、縮短工期。

3.3 船舶制造業(yè)

第一，船舶輕量化建造。與傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印生產(chǎn)的零件重量更輕。優(yōu)化船的整體性能就意味著船體能夠在保證足夠的強(qiáng)度時(shí)速度能夠變得更快，獲得更好的平衡性，降低減重帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。第二，船舶復(fù)雜零部件配件的制造。增材制造技術(shù)在造船領(lǐng)域的應(yīng)用研究取得了很大進(jìn)展。業(yè)內(nèi)已成功印制了多種產(chǎn)品和零部件，如螺桿銷、箱式換熱器、軸瓦、螺旋槳等。江蘇科技大學(xué)通過增材制造技術(shù)制造了船用液化天然氣（LNG）汽化器。第三。船用易損件的修復(fù)和改性。一旦原有的部件出現(xiàn)故障或其他問題，就可以在船上生產(chǎn)3D打印替換部件，比如對船用螺旋槳、齒輪和葉輪等部件的激光表面修復(fù)和激光表面改性。新加坡Tru-Marine公司利用3D打印快速維修和制造渦輪增壓器部件。

3.4 首飾、服飾

增材制造技術(shù)可以小批量快速定制，對首飾、服飾設(shè)計(jì)制造的影響越來越大。金屬首飾的增材制造技術(shù)主要分為間接法和直接法。間接法先通過增材制造技術(shù)制造出蠟?zāi)?，然后用失蠟法鑄造出金屬首飾，本質(zhì)上是高分子材料增材制造與傳統(tǒng)鑄造的結(jié)合；直接法是金屬材料在高能束作用下融化在二維平面內(nèi)，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(shù)，該方法采用CO2激光器做熱源，鋪粉燒結(jié)后進(jìn)行下一層的燒結(jié)，制作完成后去掉多余粉末，進(jìn)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(fù)雜首飾。貴金屬首飾制作可采用疊層增材制造技術(shù)，該方法在生產(chǎn)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(dòng)態(tài)機(jī)械結(jié)構(gòu)的項(xiàng)鏈、手鏈，由獨(dú)特部件相互交錯(cuò)組成，總體上是一個(gè)連續(xù)結(jié)構(gòu)，但每個(gè)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(huì)被記憶，在溫度降低后逐漸恢復(fù)原狀，當(dāng)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(jìn)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(shí)感和生命感。

4 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(fù)雜工件，但它仍面臨著一些問題和挑戰(zhàn)。金屬粉末床燒結(jié)增材制造時(shí)，形成的零件易粘結(jié)粉末顆粒，表面粗糙，需要進(jìn)行打磨、拋光等后續(xù)處理；成形空間真空度較低，成形時(shí)熔融的材料易被氧化，需要惰性氣體保護(hù)；進(jìn)行激光增材制造時(shí)對粉末質(zhì)量要求高，設(shè)備運(yùn)維成本較高。金屬絲材電弧增材制造時(shí)，工藝參數(shù)會(huì)影響熱的輸入和累積，熱輸入較大會(huì)對精度和性能產(chǎn)生影響。金屬絲材電子束增材制造時(shí)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(shí)會(huì)燒穿鋼板和過度滲透，進(jìn)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(qiáng)度低，由于各個(gè)方向上的力學(xué)性能不同，制成的零件表面通常有波紋，需進(jìn)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(gè)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(huì)對強(qiáng)度、耐磨性等造成影響，在層交界處進(jìn)行新金屬層沉積時(shí)，晶粒組織會(huì)發(fā)生變化。

5 結(jié)語

總而言之，在經(jīng)濟(jì)日新月異發(fā)展的背景下，金屬增材制造技術(shù)面臨著巨大挑戰(zhàn)和機(jī)遇?，F(xiàn)階段，仍有一些設(shè)備成本高、材料過于單一以及精度不強(qiáng)的問題存在于金屬增材制造技術(shù)的生產(chǎn)過程中，所以業(yè)界人士必須加強(qiáng)對金屬增材制造新工藝、原材料、評價(jià)體系、控制系統(tǒng)以及檢測缺陷等方面的研發(fā)。重視對成形成本、效率以及質(zhì)量三方面關(guān)系的探索，在制造業(yè)各個(gè)領(lǐng)域滲透金屬增材制造技術(shù)，從而推動(dòng)金屬增材制造的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)范化發(fā)展。