抓住你的好奇心——激光增材製造技術「養成記」

隨著製造業全球化及市場的激烈競爭， 產品快速開發已成為競爭的重要手段之一。為滿足製造業日益變化的客戶需求，製造技術必須具有高柔性，能夠以小批量甚至單件生產迎合市場。傳統金屬零件去材或受迫成形製造方法往往工序多、工模具成本高、從設計到零件製造周期長，且對具有複雜內腔結構的零件往往無能為力，難以滿足新產品的快速響應製造需求。

本文將主要從激光熔覆和快速原型技術基礎上闡述金屬零件激光增材技術的技術原理及特點，並綜述其國內外發展和應用。

激光熔覆技術是利用激光束將合金粉末與基體表面迅速加熱並熔化，快速凝固後形成稀釋率低、呈冶金結合的表面塗層，從而顯著改善基體表面的耐磨、耐蝕等性能的表面改性技術。

激光熔覆技術材料供應方式分預置法和同步送粉法2種。圖1為側向和同軸送粉實例。該技術具有熱影響區小、可獲得具有良好性能的支晶微觀結構、熔覆件變形比較小、過程易於實現自動化等優點，已廣泛應用於耐磨塗層和新材料製備（見圖2）。若同種金屬材料多層熔覆，熔覆層間仍屬於良好的冶金結合，這為製造和修復高性能緻密金屬零部件提供了可能性。

快速原型技術

快速原型技術是一種基於離散/ 堆積成形思想的新型製造技術，是集成計算機、數控、激光和新材料等最新技術而發展起來的先進產品研究與開發技術。

快速原型技術基本過程是將三維模型沿一定方向離散成一系列有序的二維層片；根據每層輪廓信息，進行工藝規劃，選擇加工參數，自動生成數控代碼；成形機製造一系列層片並自動將它們聯接起來，得到三維物理實體。這樣將一個物理實體的複雜三維加工離散成一系列層片的加工，大大降低了加工難度，且成形過程的難度與待成形的物理實體形狀和結構的複雜程度無關。

該技術的主要特點有：高柔性，可以製造任意複雜形狀的三維實體；CAD模型直接驅動，設計製造高度一體化；成形過程無需專用夾具或工具；無需人員干預或只需較少干預，是一種自動化的成形過程；成形全過程的快速響應，適合現代激烈的產品市場。

快速原型技術有20 多種，其典型技術包括立體印刷（Stereo Lithography LOM）、熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling， FDM）、選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）等。然而，受成形原理與工藝設備的制約， 早期快速原型技術存在著致命的局限性， 即只能製造出少數幾種材料的原型， 如光敏樹脂、塑料、紙、特種蠟及聚合物包覆金屬粉末等， 這些材料在密度和性能上與所需求的金屬功能零件差距甚遠，一般只能作為原型看樣和對設計、裝配進行驗證， 還不能作為最終功能性零件或模具直接使用，這大幅削弱了製造業採用該技術「縮短新產品開發周期、節省開發費用、 降低產品開發風險」的原始初衷和動機，大大限制了其在現代裝備製造業中的推廣應用。

金屬零件激光增材製造技術以高功率或高亮度激光為熱源，逐層熔化金屬粉末或絲材，直接製造出任意複雜形狀的零件，其實質就是CAD軟體驅動下的激光三維熔覆過程，其典型過程如圖3所示。

該技術具有如下獨特的優點：（1）製造速度快，節省材料， 降低成本 ;（2）不需採用模具， 使得製造成本降低15%~30%，生產周期節省45%~70%;（3）可以生產用傳統方法難於生產甚至不能生產的形狀複雜的功能金屬零件；為代表，粉末材料預先鋪展在沉積區域，其層厚一般為20~100μm，利用高亮度激光按照預先規劃的掃描路徑軌跡逐層熔化金屬粉末，直接凈成形出零件，其零件表面僅需光整即可滿足要求，被稱為激光選區熔化增材製造技術。

該技術可追溯到20 世紀70 年代末期的激光多層熔覆研究，但直到20世紀90年代，國內外眾多研究機構才開始對同軸送粉激光快速成形技術的原理、成形工藝、熔凝組織、零件的幾何形狀和力學性能等基礎性問題開展大量的研究工作。

激光直接沉積技術為航空航天大型整體鈦合金結構製造提供一種短周期、高柔性、低成本手段。為了提高結構效率、減輕結構重量、簡化製造工藝，國內外飛行器越來越多地採用了大型整體鈦合金結構。

譬如，美國F-22 飛機鈦合金用量已高達41%，其中機身４個整體承力隔框採用整體大型鈦合金鍛件最大投影面積達到5.53m2，鍛件毛坯重達到1897~2976kg，最終機械加工後零件重量僅83.7~143.8kg，材料利用率達到2.92%~4.90%，單件零件機械切削加工時間長達6 個月以上。

激光直接沉積技術為航空航天、工模具等領域高附加值金屬零部件的修復提供一種高性能、高柔性技術。由於工作環境惡劣，飛機結構件、發動機零部件、金屬模具等高附加值零部件往往因磨損、高溫氣體沖刷燒蝕、高低周疲勞、外力破壞等因素導致局部破壞而失效。另外，零件製造過程中誤加工損傷是其被迫失效的另一重要原因。若這些零部件被迫報廢，將使製造廠方蒙受巨大的經濟損失。與傳統熱源修復技術相比，激光直接沉積技術因激光的能量可控性、位置可達性高等特點逐漸成為其關鍵修復技術。激光直接沉積技術的典型應用如圖5所示。

激光選區熔化增材製造技術

激光選區熔化技術是由德國Frauhofer研究所於1995年最早提出，在金屬粉末選擇性燒結基礎上發展起來的。2002年該研究所在激光選區熔化技術方面取得巨大成功，可一次性地直接製造出完全緻密性的零件。

激光選區熔化技術與選擇性激光燒結技術的不同之處在於後者粉末材料往往是一種金屬材料與另一種低熔點材料的混合物，成形過程中，僅低熔點材料熔化或部分熔化把金屬材料包覆粘結在一起，其原型表面粗糙、內部疏鬆多孔、力學性能差，需要經過高溫重熔或滲金屬填補空隙等後處理才能使用；而前者利用高亮度激光直接熔化金屬粉末材料，無需粘結劑，由3D 模型直接成形出與鍛件性能相當的任意複雜結構零件，其零件僅需表面光整即可使用。

隨著高亮度光纖激光的出現，國外金屬粉末選區熔化激光精密增材成形技術發展突飛猛進。譬如，德國EOS GmbH 公司新開發的激光選區熔化設備EOSINT M280 採用束源質量高的Yb 光纖激光器，將激光束光斑直徑聚焦到100μm，大幅提高激光掃描的速度，減少成形時間，其成形零件性能與鍛件相當，其典型應用如圖6 所示。

激光選區熔化技術可直接製成終端金屬產品，省掉中間過渡環節；零件具有很高的尺寸精度以及好的表面粗糙度（Ra 為10~30μm）；適合各種複雜形狀的工件，尤其適合內部有複雜異型結構、用傳統方法無法製造的複雜工件；適合單件和小批量複雜結構件無模、快速響應製造。目前，複雜金屬零件的研究引人矚目，在航空航天、醫療等行業尤其如此。激光選區熔化精密成形技術可解決複雜金屬構件的難加工、周期長、成本高等技術難題，可以加工出傳統製造方法無法加工的複雜金屬零件，特別適合空間點陣夾芯結構、複雜薄壁結構件直接製造，實現了材料- 結構- 功能一樣體化設計和製造。

近幾年來，英國、德國、法國、美國、瑞典等國外發達國家先後開發了GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4 等合金金屬複雜結構的激光選區熔化增材製造商業化設備，並開展應用基礎研究。國外著名企業羅·羅、GE、普惠、MTU、波音、EADS、空客等在航空航天武器裝備上已利用此技術開發商業化的金屬零部件。

激光增材製造技術不僅可實現激光熔覆製備耐磨塗層和功能梯度材料，而且可修復高附加值的金屬件和直接製造任意複雜結構的金屬零部件。隨著其成形工藝和裝備不斷地成熟和提高，成形材料從鈦合金、鎳基合金、不鏽鋼、鈷鉻合金等成熟材料種類，不斷推出新材料。通過拓撲優化設計結構，激光選區熔化技術可製造出大幅減輕重量的航空航天金屬結構件。目前，金屬零件激光增材技術面臨的主要挑戰包括成形過程應力及變形、材料組織及性能控制、質量檢測及標準建立等。