激光增材制造技術(shù)及現(xiàn)狀研究

胡美娟，吉玲康，馬秋榮，池 強(qiáng)

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

0 引 言

在上個(gè)世紀(jì)，增材制造(Additive Manufacturing, AM)的概念得到了顯著的發(fā)展。依據(jù)美國試驗(yàn)材料學(xué)會(American Society for Testing and Materials, ASTM)的定義：增材制造技術(shù)不同于傳統(tǒng)的減法加工過程，是基于材料的增量制造，利用3D數(shù)據(jù)模型，將材料一層一層連接起來制造物體的過程[1]。由于增材制造技術(shù)具有設(shè)計(jì)和制造一體化、加工精度高、制造周期短，產(chǎn)品物理化學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，美國《時(shí)代周刊》將增材制造列為“美國十大增長最快的工業(yè)”，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志則認(rèn)為它將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命”[2]。

金屬材料增材制造技術(shù)作為整個(gè)增材制造體系中最具前沿和難度的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。對于金屬材料增材制造技術(shù)，按照熱源類型的不同主要可分為激光增材制造、電子束增材制造、電弧增材制造等。其中激光增材制造 (Laser Additive Manufacturing, LAM) 技術(shù)是一種兼顧精確成形和高性能成形需求的一體化制造技術(shù)，也是目前金屬增材制造最可靠和可行的方法。國內(nèi)外增材制造的研究也主要集中在激光增材制造技術(shù)，本文在總結(jié)增材制造的發(fā)展歷史基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了激光增材制造的原理、激光選區(qū)熔化成形技術(shù)和直接沉積技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，為激光增材制造在國內(nèi)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供支持。

1 增材制造的發(fā)展歷史

1983年，美國科學(xué)家查爾斯·胡爾(Charles Hull)發(fā)明光固化成形技術(shù)(stereo lithograhy Appearance, SLA)并制造出全球首個(gè)增材制造部件。1986年，查爾斯·胡爾獲得了全球第一項(xiàng)增材制造專利，同年成立3D Systems公司[3]。1987年，3D Systems發(fā)布第一臺商業(yè)化增材制造設(shè)備-快速成型機(jī)立體光刻機(jī)SLA-1，全球進(jìn)入增材制造時(shí)代。1986年，美國的Michael Feygin，首次提出了分層實(shí)體制造(Laminated Object Manufacturing, LOM)技術(shù)。1988年，美國Stratasys公司首次提出熔融沉積成型技術(shù)(Fused Deposition Modeling, FDM)。1989年，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Deckard提出激光選區(qū)燒結(jié)(Selective Laser Sintering, SLS)[4]。1995年，德國Frauhofer 應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會 ILT 激光技術(shù)研究所的 Dr.Wilhelm Meiners等在金屬粉末選擇性燒結(jié)基礎(chǔ)上提出激光選區(qū)熔化成形技術(shù)(Selective Laser Melting, SLM)[5]。1998年，美國Sandia國立實(shí)驗(yàn)室將選擇性激光燒結(jié)工藝SLS和激光溶覆工藝(Laser Cladding)相結(jié)合提出激光工程化凈成型(Laser Engineered Net Shaping, LENS)[6,7]。1990年至現(xiàn)在，增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了金屬材料的成型，進(jìn)入了直接增材制造階段，相距出現(xiàn)了電子束選區(qū)熔化(EBSM)、電子束自由成形制造技術(shù)(Electron Beam Freeform Fabrication, EBF)[8-10]、等離子增材制造技術(shù)(Ion Fusion Formation, IFF)電弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacture, WAAM)[11,12]等一系列制造工藝。2013年，美國麻省理工大學(xué)研發(fā)了四維打印技術(shù)(Four Dimensional Printing, 4DP)，利用記憶合金，在3D打印的基礎(chǔ)上增加了第四維度——時(shí)間。

綜上所述，增材制造技術(shù)可以分為“快速原型制造技術(shù)”和“金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)”兩大類?！?快速原型制造技術(shù)”(rapid prototype manufacturing, RP&RPM)主要方法有“3D 打印(3DP)”、“立體印刷(SLA)”、“疊層實(shí)體造型(LOM)”、“熔融沉積造型(FDM)”、“選擇性激光燒結(jié)(SLS)”等五大類。主要制造尺寸較小，由樹脂、石蠟、紙張等材料組成的原型樣件及由陶瓷、金屬粉末組成的“非致密”原型樣件或模型制造。金屬構(gòu)件直接制造技術(shù)則采用激光束、電子束、等離子束或電弧等對粉末或絲材進(jìn)行逐層熔化/ 凝固堆積，直接制造出致密的金屬零件[13-16]。

國內(nèi)關(guān)橋院士提出“廣義增材制造”的概念，具體如圖1所示。廣義增材制造的熱源，除激光束和電子束外，還有化學(xué)能、電能(電弧等)、電化學(xué)能、光能、機(jī)械能等。圖中的中心圓是通常所謂的“增材制造”(3D打印)，以激光、電子束等為熱源與CAD/CAM結(jié)合，分層熔敷成形的增材制造，包含了非金屬、金屬構(gòu)件和生物模型的增材制造等；圖中的外橢圓展現(xiàn)的是“廣義增材制造”的技術(shù)分類，不局限于分層熔敷成形，還包括冷噴涂成形、熱噴涂成形、物理氣相成形、化學(xué)氣相成形、電化學(xué)成形、堆焊成形、塊體組焊成形等[17]。

圖1 廣義增材制造的技術(shù)內(nèi)涵及分類[17]

2 激光增材制造技術(shù)原理

依據(jù)美國試驗(yàn)材料學(xué)會ASTM的定義，根據(jù)材料在沉積時(shí)的不同狀態(tài)，激光增材制造技術(shù)分為定向能量沉積(Direct Energy Deposit, DED)和粉末熔覆(Powder Bed Fusion, PBF)兩類。

激光粉末熔覆技術(shù)PBF，又可以稱為激光選區(qū)熔化成形技術(shù)(Selective Laser Melting, SLM)[18]，其首先利用CAD軟件設(shè)計(jì)出零件的三維模型，然后根據(jù)打印工藝對模型進(jìn)行切片分層后，將各截面的二維輪廓數(shù)據(jù)導(dǎo)入打印設(shè)備中，并設(shè)定具體的掃描路線。激光打印時(shí)根據(jù)設(shè)定的掃描路線逐層熔化通過送粉裝置均勻鋪敷在工作平面基板的金屬粉末，具體的原理如圖2所示。

圖2 激光粉末熔覆PBF原理圖

激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)可以直接制造出終端金屬產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了材料、結(jié)構(gòu)和功能的一體化設(shè)計(jì)和制造；可以加工出傳統(tǒng)制造方法無法加工的復(fù)雜金屬零件，如輕質(zhì)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)、空間曲面多孔結(jié)構(gòu)、復(fù)雜型腔流道結(jié)構(gòu)等，解決了復(fù)雜金屬構(gòu)件難加工、周期長、成本高等技術(shù)難題；金屬零件具有很高的尺寸精度以及很好的表面粗糙度，無需二次加工。但是SLM技術(shù)打印構(gòu)件的力學(xué)性能僅能達(dá)到或者優(yōu)于鑄、鍛件水平；成形件的復(fù)雜性基本不受限制但是成形尺寸較??；另外適用于 SLM 成形的材料種類還較少，目前報(bào)道的主要有鐵基合金、鎳基合金、鋁合金和鈦合金等[19-23]。

激光定向能量沉積技術(shù)(DED)[24]，又可以稱為激光直接沉積成形技術(shù)(Direct Laser Deposition, DLD)，是在快速原型技術(shù)和激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)是基于離散/堆積原理，通過對零件的三維CAD 模型進(jìn)行分層處理，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成加工路徑，在惰性氣體保護(hù)環(huán)境中，以高能量密度的激光作為熱源，按照預(yù)定的加工路徑，將同步送進(jìn)的粉末或絲材逐層熔化堆積，從而實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接制造與修復(fù)，其原理如圖3所示。

圖3 激光粉末熔覆原理圖

在20 世紀(jì) 90 年代激光直接沉積技術(shù)被國際上多個(gè)研究機(jī)構(gòu)相對獨(dú)立地發(fā)展起來, 并且被賦予了不同的名稱, 如激光熔敷(Laser Cladding)[25]、激光直接鑄造(Laser Direct Casting)[26]、直接金屬沉積 (Direct Metal Deposition, DMD)[27]、激光固化 (Laser Consolidation, LC)[28]、激光金屬成形 (Laser Metal Forming, LMF)[29]、激光工程化凈成形 (Laser Engineered Net Shaping, LENS)[30]、受控光制造 (Directed Light Fabrication, DLF)[31]、激光成形 (Laser Forming, LF)[32]、基于激光的自由實(shí)體制造 (Laser Babsed Free-form Fabrication, LBFFF)[33]、激光立體成型(Laser Solid Forming, LSF)以及激光直接制造技術(shù)(Directed Laser Fabrication, DLF)等，這些技術(shù)名稱雖然不同，但基本的技術(shù)原理卻是完全相同的。

激光直接沉積成形技術(shù)(DLD)的生產(chǎn)效率高于SLM，并且成形尺寸基本不受限制(僅取決于設(shè)備的運(yùn)動幅度)，可實(shí)現(xiàn)同一構(gòu)件上多材料的任意復(fù)合和梯度結(jié)構(gòu)制造，并可用于損傷構(gòu)件的高性能修復(fù)。但是，DLD技術(shù)表面質(zhì)量不如SLM，制造后需要二次加工。目前，激光直接沉積技術(shù)所應(yīng)用的材料已涵蓋鈦合金、鎳基高溫合金、鐵基合金、鋁合金、難熔合金、非晶合金以及梯度材料等，其中鈦合金的應(yīng)用最為成熟[34]。

3 激光增材制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 激光選區(qū)熔化成形技術(shù)

在金屬粉末選擇性燒結(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了解決 SLS 過程中粉末連接強(qiáng)度不高的問題， 提高材料致密度，德國Frauhofer 研究所于 1995 年提出了激光選區(qū)熔化技術(shù)SLM。2002 年該研究所在激光選區(qū)熔化技術(shù)方面取得巨大成功，可一次性地直接制造出完全致密性的零件。

目前國際上已經(jīng)有多家成熟的SLM設(shè)備制造商，包括德國EOS(Electro-Optical System Gumbo)公司，德國Realizer公司，SLM Solutions公司，Concept Laser公司，美國3D公司，Renishaw PLC公司和Phenix Systems公司等。上述廠家都開發(fā)出了不同型號的機(jī)型，包括不同的零件成形范圍和針對不同領(lǐng)域的定制機(jī)型等，以適應(yīng)市場的個(gè)性化需求。德國 EOS公司新開發(fā)的激光選區(qū)熔化設(shè)備 EOSINT M400-4 采用4個(gè)束源質(zhì)量高的Yb 光纖激光器，成形范圍達(dá)到300 mm×300 mm×350 mm，功率為1 kW，激光束最小光斑為 90 μm，最大掃描速度7 m/s，其成形零件性能與鍛件相當(dāng)，如圖4所示。

圖4 德國EOS公司的M400-4

德國Hofmann集團(tuán)(世界上主要的金屬激光熔鑄設(shè)備生產(chǎn)廠家之一)的Concept Laser公司生產(chǎn)的X系列2000R為全球最大的激光金屬3D打印機(jī)，其采用雙激光系統(tǒng)，每個(gè)激光器功率為1KW，成形的范圍達(dá)到800 mm×400 mm×500 mm，如圖5所示。

圖5 德國Concept Laser公司生產(chǎn)的X系列2000R

在國內(nèi)華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室是國內(nèi)最早從事 SLM 技術(shù)的研究工作的單位之一。華中科技大學(xué)模具國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室快速制造中心先后推出了HRPM-Ⅰ和HRPM-ⅡA，武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)和制造了NRD-SLM-Ⅰ、NRD-SLM-Ⅱ等設(shè)備。NRD-SLM-Ⅱ型設(shè)備成形尺寸范圍：320mm×250mm×250 mm[34]。

在技術(shù)應(yīng)用方面，通用電氣(GE)公司利用SLM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了離心式燃油噴嘴的打印，如圖6，目前該噴嘴已成功應(yīng)用于 CFM國際公司開發(fā)的 LAEP-X 發(fā)動機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了首飛。該項(xiàng)技術(shù)被評為全球 2013年十大技術(shù)突破之一，并且通過了FAA適航認(rèn)證，技術(shù)成熟度TRL>8[35]，預(yù)計(jì)到2020年GE將生產(chǎn)10萬個(gè)噴嘴。2015年，美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA)正式批準(zhǔn)了GE公司采用SLM制造的航空發(fā)動機(jī)傳感器殼體，如圖6所示，應(yīng)用于GE-9X系列商用發(fā)動機(jī)，目前，該零件已經(jīng)安裝在400個(gè)GE90-94B發(fā)動機(jī)中。此外，GE還嘗試進(jìn)行了先進(jìn)渦槳發(fā)動機(jī)和渦輪噴氣發(fā)動機(jī)葉片的制造。美國航天公司SPACE X開發(fā)SuperDraco載人飛船過程中，利用SLM技術(shù)制造了載人飛船的引擎，如圖7所示。SLM技術(shù)很好的解決了該引擎的冷卻道、噴射頭和節(jié)流閥等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造問題，零件的強(qiáng)度、韌性和斷裂強(qiáng)度等性能完全滿足高溫高壓環(huán)境下工作的嚴(yán)苛要求?；萜赵谘邪l(fā)過程中，包括渦輪，燃料噴射器和其他零件也都是SLM增材制造的。

圖6 GE公司SLM技術(shù)制造的典型零件

圖7 SPACE X SLM技術(shù)制造的典型零件

綜上所述，由于SLM技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，它具有廣闊的應(yīng)用前景和廣泛的應(yīng)用范圍，目前SLM技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用十分成功，同時(shí)各大公司也積極將SLM技術(shù)應(yīng)用于汽車(如模具、工具插件和微器件等)、電力(散熱器件)、生物醫(yī)療(植入牙齒，脊椎骨等)和石油天然氣領(lǐng)域。

3.2 激光直接沉積成形技術(shù)

現(xiàn)代激光直接沉積制造技術(shù)根植于1937年Kratky和Hartert等提出的焊縫金屬熔融沉積的制造方法專利[35-36]，最早可追溯到 20 世紀(jì) 70 年代末期的激光多層熔覆研究。早期的DLD概念大約出現(xiàn)在1980年，Brown等的專利描述了通過添加沉積的粉末/焊絲，利用激光進(jìn)行逐層加熱制造方法[37-39]。1998年，美國Sandia國立實(shí)驗(yàn)室提出激光工程化凈成型(Laser Engineered Net Shaping, LENS)，LENS是DLD最成功的商業(yè)形式，也成為DLD的最為代表性的技術(shù)。20 世紀(jì) 90 年代以后，國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)開始對激光直接沉積技術(shù)的原理、成形工藝、熔凝組織、零件的幾何形狀和力學(xué)性能等基礎(chǔ)性問題開展大量的研究工作。

國外激光直接沉積增材制造系統(tǒng)典型代表包括德國 Trumpf 和美國POM 公司的DMD505、美國Huffman公司的 HP-205、美國Optomec 公司的Lens850 和Aeromet公司的Lasform等。

約翰霍普金斯大學(xué)、賓州大學(xué)和 MTS 公司基于開發(fā)出一項(xiàng)以大功率 CO2激光熔覆沉積成形技術(shù)為基礎(chǔ)的“鈦合金的柔性制造”技術(shù)，并于 1997 年成立 AeroMet公司，公司的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)具有高性能、大體積鈦合金零件的制造，尤其是大型整體加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)鈦合金零件的快速成形。2000年，美國Boeing公司宣布采用該技術(shù)制造的鈦合金零件在F-22和F/A-18E/F飛機(jī)上獲得應(yīng)用，在全球掀起了金屬零件的直接增材制造的第一次熱潮，如圖8所示。

GE公司在發(fā)動機(jī)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)試制方面，利用LMD 技術(shù)進(jìn)行了減重設(shè)計(jì)加工，原零件重約 2 033 g，最后試制的零件重量僅為 327 g。利用LMD技術(shù)對復(fù)合材料風(fēng)扇葉片金屬加強(qiáng)邊進(jìn)行試制，先利用激光立體成形制備毛坯件，再進(jìn)行機(jī)械加工，整個(gè)加強(qiáng)邊長約 101.6 mm壁厚0.8～1.2 mm，最終加工量僅為0.12 mm[39]。。

國內(nèi)激光直接沉積成形技術(shù)雖然起步較晚，但是在某些方面已經(jīng)達(dá)到到了國內(nèi)外領(lǐng)先的地步。西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)針對大型鈦合金構(gòu)件的激光立體成形，試制成功 C919 大飛機(jī)翼肋 TC4 上、下緣條構(gòu)件，該類零件尺寸達(dá) 450 mm×350 mm×3 000 mm、質(zhì)量達(dá)196 kg，成形后長時(shí)間放置后的最大變形量小于1 mm，靜載力學(xué)性能的穩(wěn)定性優(yōu)于 1%，疲勞性能也優(yōu)于同類鍛件的性能，如圖9所示。北京航空航天大學(xué)王華明院士在飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形工藝研究方面取得了突破性進(jìn)展，提出了大型金屬構(gòu)件激光直接成形過程“內(nèi)應(yīng)力離散控制”的新方法，解決大型金屬構(gòu)件激光快速成形過程零件翹曲變形與開裂的瓶頸難題，突破激光快速成形鈦合金大型結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷和內(nèi)部質(zhì)量控制及其無損檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，飛機(jī)構(gòu)件綜合力學(xué)性能達(dá)到或超過鈦合金模鍛件，如圖10所示[40]。

圖8 AeroMet 激光快速成形的鈦合金構(gòu)件

圖9 西工大激光增材制造鈦合金飛機(jī)翼肋

圖10 北航激光增材制造鈦合金大型構(gòu)件

綜上所述，DLD技術(shù)相對SLM具有較高的生產(chǎn)效率，其主要用于大型金屬構(gòu)件的制造。但是DLD成形過程中零件開裂，內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能控制，產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等是制約其工程應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，國外將其應(yīng)用投向于損傷構(gòu)件的增材修復(fù)技術(shù)以及梯度材料的研究，其如SLM技術(shù)廣泛的商用化還面臨較多的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)束語

增材制造技術(shù)的發(fā)展歷史僅僅有30多年，激光增材制造是目前研究最多也是工業(yè)化應(yīng)用最成功的技術(shù)手段。隨著激光增材制造的成本降低，其將很快從傳統(tǒng)制造業(yè)的輔助手段中解放出來，成為集設(shè)計(jì)與制造一體化的新型制造方法。