【行业分析】解析高性能金属零件激光增材制造技术研究进展

国内外激光增材制造技术的最新研究进展

1. 国内外LCD技术最新研究进展

国内外对于LCD技术的工艺研究主要集中在如何改善组织和提高性能。美国OPTOMEC公司和Los Alomos实验室、欧洲宇航防务集团 EADS等研究机构针对不同的材料（如钛合金、镍基高温合金和铁基合金等）进行了工艺优化研究，使成形件缺陷大大减少，致密度增加，性能接近甚至超过同种材料锻造水平。例如，美国空军研究实验室Kobryn等对Ti6Al4V激光熔覆沉积成形 工艺进行了优化， 并研究了热处理和热等静压对成形件微观组织和性能 的影响，大大降低了组织内应力，消除了层间气孔等缺陷，使成形件沿沉积方向的韧性和高周疲劳性能达到了锻件水平。

德国汉诺威激光研究 中心Rottwinkel等 利用感应加热对基体提前预热的方法解决了高温合金成形过程熔覆层开裂的问题，并应用于高温合金叶片的成形和修 复。在国内， 北京航空航天大学陈博等主要研究了钛合金零件的LCD 工艺， 并通过热处理制度的优化，使钛合金成形件组织得到细化， 性能明显提高，成功应用于飞机大型承力结构件的制造， 西安交通大学葛江波、张安峰和李涤尘等则通过单道-多道-实体递进成形试验，研究了工艺参数对铁基合金和镍基合金材料 成形件的尺寸精度、 微观组织和力学性能的影响规律， 并实现了对成形零件的精确成形和高性能成性一体化 “控形控性” 制造。

LCD技术在零件修复领域也得到了广泛应用， 美国Sandia国家实验室和空军研究实验室、 英国Rolls-Royce公司、 法国Alstom公司以及德国Fraunhofer研究所等均对航空发动机涡轮叶片和燃气轮机叶片的激 光熔覆修复工艺进行了研究并成功实现了定向晶叶片的修复，如图1（a） 所示。此外，美国国防部研发的“移 动零件医院”，如图1（b），将LCD技 术应用于战场环境，可以对战场破损零件 （如坦克链轮、传动齿轮和轴类零件等） 进行实时修复，大大提高了战场环境下的机动性。 

同时，利用LCD技术，通过混合粉末或控制喷嘴同时输送不同的粉 末， 可以成形金属-金属和金属-陶瓷等功能梯度材料。美国里海大学 的Fredrick等 研究了利用LCD技术制造Cu与AISI 1013工具钢梯度 功能材料的可行性， 通过工艺优化以及利用Ni作为中间过渡层材料，解决了梯度材料成形过程中两相不相容和熔覆层开裂的问题。美国南卫理公会大学的MultiFab实验室利用LCD技术成功制造了同时具有纵向和横向梯度的金属-陶瓷复合材料 零件，如图2（a）所示。斯洛文尼亚马里堡大学也对Cu/H13梯度材料的LCD工艺进行了研究，得到了无裂纹的Cu/H13梯度材料，且试样拉伸强度高于普通铸造铜，如图2（b）所示。

此外，美国Sandia国家实验室和密苏里科技大学等研究机构也分别研究了Ti/TiC、Ti6Al4V/In 625和In 718/Al2O3等不同材料的功能梯度零件LCD成形工艺。国内方面，西北工业大学杨海鸥、黄卫东等研究了316L/Rene 88DT梯度材料的LCD成形工艺，并总结了熔覆层微观组织和硬度随着梯度材料不同成分含量变化而变化的规律。西安交通大学解航、张安峰等进行了Ti6Al4V/CoCrMo功能梯度材料的LCD研究。此外，北京有色金属研究院席明哲等研究了316L/镍基合金/Ti6Al4V的成形工艺，沈阳理工大学田凤杰等则研究了梯度材料LCD成形同轴送粉喷嘴的设计。 LCD设备的升级和改进也是国 内外研究的热点之一。

美国密苏里科技大学Tarak等开发了LAMP加工系统，将LCD技术和CNC切削技术结合，在机床主轴上安装激光头，从而实现对熔覆成形后的零件实时加工，提高了生产效率，同时保证 了零件精度。同样来自美国南卫理公会大学MultiFab实验室的研究人员将五轴联动技术应用于LCD，通过工作台摆动旋转调整，从而克服悬臂件加工支撑的问题，可以成形各类复杂悬臂零件。德国DMG MORI公司 开发的LaserTec 65同样将五轴联动 切削加工与LCD结合起来，用于复杂形状模具、航空异形冷却流道等零件的加工制造。国内对于LCD设备 的研究较少， 目前西安交通大学正在研制一台五轴联动激光增材-减材一体化成形机。 

2   国内外SLM技术最新研究进展 

在SLM成形工艺方面，国内外研究者在缺陷控制、 应力控制、成形微观组织演变和提高成形件力学性能等方面开展了大量研究工作。德 国弗朗霍弗研究所 （Fraunhofer, ILT）研究人员在SLM成形不同臂厚 的AlSi10Mg双悬臂梁时， 对基板进行预热， 发现当预热温度为250℃时， 有效地降低了因温度梯度产生的热应力， 将成形件与基板分离后，不同臂厚的双悬臂梁均未发生变形和开裂。利兹大学的Olakanmi等总结了近年来世界范围内针对铝合金SLM成形的工艺、微观组织和力学性能的研究成果。

曼彻斯特大学的Majumdar等研究了316L不锈钢粉末SLM成形过程中微观组织的变化规律，发现试件上表面由于热量沿各个方向散热为等轴晶显微组织，试件下部由于热积累效应生长为粗大柱状组织，且能量密度越大，晶粒越大。拉夫堡大学的Mumtaz等在SLM成形Inconel625薄壁件时，采用脉冲整形技术改变脉冲周期内的能量分布，有效减少了成形过程中的粉末飞溅，改善了成形件的表面质量。国内华南理工大学、华中科技大学、西安交通大学和苏州大学等在SLM成形工艺方面也做了大量研究。

华南理工大学的刘洋等采用SLM成形了间隙尺寸为0.2mm的一系列倾斜角度的间隙特征，研究了成形厚度、倾斜角度和能量输入等工艺参数对间隙大小的影响，并成形了免组装的折叠算盘，如图3所示。 同时，国内外增材制造相关研究机构及企业也一直在致力于SLM设备的研发。自德国Fockele & Schwarze （F&S）与德国弗朗霍弗研究所（Fraunhofer, ILT）联合研制出第一台SLM设备以来，SLM技术及设备研发得到迅速发展。

国外对SLM设备的研发主要集中在德国、美国、日本等国家，目前这些国家均有专业生产SLM设备的公司，如德国的EOS、SLM Solutions、Concept Laser公司；美国的3D Systems公司和日本的Matsuura公司等。

目前，日本Matsuura公司研制出了金属光造型复合加工设备LUMEX Avance-25，该设备将金属激光成形和切削加工结合在一起，激光熔化一定层数粉末后，高速铣削一次，反复进行这样的工序，直至整个零件加工完成，从而提高了成形件的表面质量和尺寸精度，与单纯的金属粉末激光选区熔化技术相比，其加工尺寸精度 小于±5μm，图4为金属光造型复合加工原理示意图，图5为SLM技术与SLM+铣削加工复合技术成形结果对比。

2016年，华中科技大学武汉光电国家实验室的激光先进制造研究团队率先在国际上研制出成形尺寸为500mm×500mm×530mm的4光束大尺寸SLM设备，首次在SLM设备中引入双向铺粉技术，成形效率高出同类设备20%~40%。 

高性能金属零件激光增材制造技术的最新研究进展 

1   超声振动辅助LCD
对IN718沉积态组织与性能的影响 LCD是最为重要的增材制造技术之一，然而高温合金和高强度钢等材料的LCD零件内部容易产生应力、微气孔和微裂纹等缺陷，这些问题严重制约了其在航空航天、生物医疗等领域的应用步伐。借鉴超声振动在铸造、焊接领域中的除气、细化晶粒、均匀组织成分、减小残余应力的作用，超声振动被引入到LCD系统中，以获得高性能的金属成形件。图6为超声振动辅助LCD系统示意图。 

2  感应辅助LCD 

DD4定向晶修复DZ125L叶片的研究LCD高温合金时，高温合金具有很高的裂纹敏感性，裂纹一般表现为沿晶界开裂，并顺着沉积方向扩展，严重影响高温合金的力学性能。而利用感应加热来辅助LCD能够很好地解决这些问题。通过感应加热可有效减小基体与熔覆层之间的温度梯度，一方面可以消除微观缺陷（微气孔和夹渣等）；另一方面可以有效消除高温合金裂纹的形成。故感应辅助LCD技术可有效提高高温合金定向凝固组织的性能（见图7）。 通过感应加热来控制DD4实体成形过程中的散热方向和正温度梯度，可以获得完整均匀外延生长的DD4柱状定向晶。

此外，在感应加热辅助LCD DD4实体成形过程中，柱状晶一次枝晶间距的大小也发生了显著的变化，如图8所示，感应加热1200℃时，柱状晶一次枝晶平均间距为15.2μm，无感应加热时经历的柱状晶一次枝晶平均间距为2.5μm，柱状晶一次枝晶间距增大了5倍，且柱状晶一次枝晶之间的横向晶界和裂纹完全消失，这对于提高DD4定向晶修复DZ125L叶片的高温性能具有重要意义，因为对于高温合金DD4在1200℃高温下，柱状晶一次枝晶间距变大，晶界减少，对提高DD4高温性能是非常有利的，为LCD DD4柱状晶修复DZ125L定向晶叶片奠定了基础。 

3   CuW功能梯度复合材料的LCD工艺研究 

用传统熔渗法或混粉烧结法生产的铜钨电触头，在使用过程中存在的一个主要问题是疲劳裂纹及掉渣现象（见图9），即抗电弧侵蚀能力较差。从铜和钨两种材料的物理性质而言，虽然铜的熔点仅为1083℃，沸点为2595℃，但铜对激光具有高反射高导热的特点；而钨的熔点则高达3422℃，沸点为5655℃。铜钨两者的热物理特性相差太大，钨的密度和沸点是铜的两倍多，钨的熔点是铜的3倍多，在钨还未熔化时，铜已经汽化了，需要足够高的功率密度才能进行铜和钨的LCD试验。因此，采用感应辅助LCD技术，可成形CuW功能梯度材料零件（见图10），成形零件具有良好的综合力学性能。

4   送粉气纯度对激光熔覆

Fe314修复40Cr组织与性能的影响与惰性气体相比，氮气可以通过氮气发生器从空气中制取，更适用于野外、工矿、能源动力等多变复杂环境下失效零件的快速应急修复，使设备快速恢复正常使用，可以节约资源、降低经济损失，具有重要的工程应用价值。选用99.999%N2、99.5%N2、98%N2 3种不同纯度的氮气送粉，在无保护的大气环境中进行激光熔覆Fe314修复40Cr试验，探讨送粉气的纯度对修复零件组织与性能的影响，为熔覆修复系统选择合适纯度氮气发生器确定科学依据。 

高性能金属零件LAM技术作为 一种兼顾精确成形和高性能成性需求的一体化制造技术，已经在航空航天、生物医学、汽车高铁、产品开发等领域显示了广阔和不可替代的应用前景。但是，相比于传统铸锻焊等热加工技术和机械加工等冷加工技术，LAM技术的发展历史毕竟才30年，还存在制造成本高、效率低、精度较差、工艺装备研发尚不完善等问题，尚未进入大规模工业应用，其技术成熟度相比传统技术还有很大差距。特别是LAM专用合金开发的滞后、LAM构件无损检测方法的不完善以及相关LAM技术系统化、标准化的不足，在很大程度上制约了LAM技术在工业领域的应用。

除此之外，LAM合金的力学性能和成形几何精度控制也远未达到理想状态，这一方面来自于对这些合金在LAM和后续热处理过程中的控形和控性机理的研究和认识不够系统深入，另一方面来自于对LAM过程的控制不够精细。这也意味着，对于LAM技术，仍有大量的基础和应用研究工作有待进一步完善。增材制造以其制造原理的突出优势成为具有巨大发展潜力的先进制造技术，随着增材制造设备质量的大幅度提高，应用材料种类的扩展和制造效率与精度的提高，LAM技术必将给制造技术带来革命性的发展。

作者：张安峰 （教授，博士生导师，主要从事激光增材制造（3D打印）技术及其装备，高性能金属零件增材制造技术及其再制造修复工程等方面的研究。 *基金项目：国家重点专项“高性能金属结构件激光增材制造控形控性研究”高性能金属零件激光增材制造    技术研究进展国家自然科学基金项目；陕西省科技统筹创新工程计划项目）

文章来源：OF week 3D打印网

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