加工金屬不僅僅只有機床中的車鉗刨銑磨，還有…（一）

激光增材製造技術是一種以激光為能量源的增材製造技術，激光具有能量密度高的特點，可實現難加工金屬的製造，比如航空航天領域採用的鈦合金、高溫合金等，同時激光增材製造技術還具有不受零件結構限制的優點，可用於結構複雜、難加工以及薄壁零件的加工製造。激光增材製造技術按照其成形原理進行分類，最具代表性的為以粉床鋪粉為技術特徵的激光選區熔化(SLM)和以同步送粉為技術特徵的激光金屬直接成形(LMDF)技術。

從今天起，夾具俠將通過一系列的文章為大家闡述這兩種典型的激光增材製造技術原理與特點，共同探討這兩種技術的研究現狀和發展趨勢。

Part1 激光金屬直接成形技術的研究現狀

一、LMDF技術的原理與特點

激光金屬直接成形(LMDF)技術是利用快速原型製造的基本原理，以金屬粉末為原材料，採用高能量的激光作為能量源，按照預定的加工路徑，將同步送給的金屬粉末進行逐層熔化，快速凝固和逐層沉積，從而實現金屬零件的直接製造。通常情況下，激光金屬直接成形系統平台包括：激光器、CNC數控工作台、同軸送粉噴嘴、高精度可調送粉器及其他輔助裝置。其原理如圖1所示。

激光金屬直接成形技術集成了激光熔覆技術和快速成形技術的優點，具有以下特點：

①無需模具，可實現複雜結構的製造，但懸臂結構需要添加相應的支撐結構。

②成形尺寸不受限制，可實現大尺寸零件的製造。

③可實現不同材料的混合加工與製造梯度材料。

④可對損傷零件實現快速修復。

⑤成形組織均勻，具有良好的力學性能，可實現定向組織的製造。

二、LMDF技術的發展現狀

LMDF技術是在快速原型技術的基礎上結合同步送粉和激光熔覆技術發展起來的一項激光增材製造技術。LMDF技術起源於美國Sandai國家實驗室的激光近凈成形技術(LENS)，隨後在多個國際研究機構快速發展起來，並且被賦予了很多不同的名稱，雖然名稱各不相同，但是技術原理卻幾乎是一致的，都是基於同步送粉和激光熔覆技術。目前，對於LMDF技術的研究主要是針對成形工藝以及成形組織性能兩方面展開，美國的Sandai國家實驗室和Los Alomos國家實驗室針對鎳基高溫合金、不鏽鋼、鈦合金等金屬材料進行了大量的激光金屬直接成形研究，所製造的金屬零件不僅形狀複雜，且其力學性能接近甚至超過傳統鍛造技術製造的零件。瑞士洛桑理工學院的Kurz等深入研究了激光快速成形工藝參數對成形過程穩定性，成形零件的精度控制，材料的顯微組織以及性能的影響，並將該技術應用於單晶葉片的修復。

我國清華大學在激光快速成形同軸送粉系統的研製及熔覆高度檢測及控制方面取得了研究進展；西北工業大學通過對單層塗覆厚度、單道塗覆寬度、搭接率等主要參數進行精確控制，獲得件內部緻密，表面質量良好的成形件；西安交通大學研究了激光金屬直接成形DZl25L高溫合金零件過程中不同工藝參數(如激光功率、掃描速度、送粉率、Z軸提升量等)對單道熔覆層高度、寬度、寬高比和成形質量的影響規律，並優化了工藝參數。

三、材料與工藝

3.1：材料

對於金屬材料激光增材製造技術來說，金屬粉末就是其原材料，金屬粉末的質量會直接影響到成形零部件最終的質量。然而，目前還沒有專門為激光增材製造生產的金屬粉末，現在激光增材製造工藝所使用的金屬粉末都是之前為等離子噴塗、真空等離子噴塗和高速氧燃料火焰噴塗等熱噴塗工藝開發的，基本都是使用霧化工藝製造。這類金屬粉末在生產過程中可能會形成一些空心顆粒，將這些空心顆粒的金屬粉末用於激光增材製造時，會導致在零件中出現孔洞、裂紋等缺陷，因此激光增材製造使用的金屬粉末將成為今後的一個研究重點。

3.2：工藝

雖然目前對激光增材製造的工藝展開了大量研究，但是在零件的成形過程中依然存在許多問題。在SLM成形過程中伴隨著複雜的物理、化學、冶金等過程，容易產生球化、孔隙、裂紋等缺陷，在LMDF成形過程中隨著高能激光束長時間周期性劇烈加熱和冷卻、移動熔池在池底強約束下的快速凝固收縮及其伴生的短時非平衡循環固態相變，會在零件內部產生極大的內應力，容易導致零件嚴重變形開裂。進一步優化激光增材製造技術的工藝，克服成形過程中的缺陷，加強對激光增材製造過程中零件內應力演化規律、變形開裂行為及凝固組織形成規律以及內部缺陷形成機理等關鍵基礎問題的研究，依然是今後的研究重點。

四、技術應用

近年來，LMDF技術同樣也受到了許多國家的重視和大力發展，2013年歐洲空間局(ESA)提出了「以實現高技術金屬產品的高效生產與零浪費為目標的增材製造項目」(AMAZE)計劃，該計劃於2013年1月正式啟動，彙集28家機構來共同從事激光金屬增材製造方面的研究，其首要目標是快速生產大型零缺陷增材製造金屬零件，幾乎實現零浪費。

美國國防航空航天局(NASA)噴氣推進實驗室開發出一種新的激光金屬直接成形技術，可在一個部件上混合列印多種金屬或合金，解決了長期以來飛行器尤其是航天器零部件製造中所面臨的一大難題——在同一零件的不同部位具有不同性能。

英國的羅·羅(Rolls·Rovce)公司計劃利用激光金屬直接成形技術，來生產TrentXWB一97(羅·羅研發的渦輪風扇系列發動機)由鈦和鋁的合金構成的前軸承座，其前軸承座包括48片機翼葉，直徑為1.5m，長度為0.5m。

北京航空航天大學也利用激光金屬直接成形技術製造出了大型飛機鈦合金主承力構件加強框。

西安交通大學在國家「973項目」的資助下，展開了利用激光金屬直接成形技術製造空心渦輪葉片方面的研究，並成功製備出了具有複雜結構的空心渦輪葉片。

五、總結

激光增材製造帶來的改變不止於此，該技術還可以與傳統加工複合，例如德國DMGMORI旗下的Lasertec系列，通過整合激光增材製造技術與傳統切削技術，不僅可以製造出傳統工藝難以加工的複雜形狀，還改善了激光金屬增材製造過程中存在的表面粗糙問題，提高了零件的精度。這項金屬成形技術，你了解了嗎？