激光直 接制造金屬零件技術(shù)自20世紀(jì)80年代誕生以來(lái)得到了迅猛的發(fā)展，這一發(fā)展體現(xiàn)在快速制造領(lǐng)域的各方面，如材料、工藝、設(shè)備以及相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的 制造技術(shù)相比，激光直接制造金屬零件技術(shù)不僅可以縮短產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間、降低研發(fā)成本、快速應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求，另外其設(shè)計(jì)自由度寬泛以及易于與其他制造技術(shù)進(jìn)行集 成的特點(diǎn)為制造業(yè)單件、小批量、個(gè)性化生產(chǎn)零件提供了可能[1-3]，使之成為21世紀(jì)最具有潛力的制造技術(shù)之一。

　 　采用激光直接制造金屬零件技術(shù)制造的零件具有較高的強(qiáng)度、尺寸精確性、輕量性和水密性，因而該技術(shù)已經(jīng)在航空航天、國(guó)防、汽車、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域得到了 應(yīng)用[4]，這些應(yīng)用體現(xiàn)了直接由CAD數(shù)據(jù)向?qū)嶓w零件快速轉(zhuǎn)化的制造技術(shù)的優(yōu)越性。這一技術(shù)已經(jīng)不止是對(duì)鑄、鍛、焊以及電火花加工等傳統(tǒng)制造技術(shù)的補(bǔ) 充，其對(duì)零件形狀以及對(duì)加工材料無(wú)限制的制造特點(diǎn)使之更加優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。

 　　問(wèn)題與挑戰(zhàn)

　 　隨著激光直接制造金屬零件技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，生產(chǎn)制造企業(yè)越來(lái)越關(guān)注該技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品的重現(xiàn)性以及可控性[5]。體現(xiàn)在應(yīng)用研究領(lǐng)域則是 內(nèi)部缺陷和內(nèi)部組織的控制、變形開(kāi)裂的預(yù)防、表面質(zhì)量的改善以及生產(chǎn)效率的提高和制造成本的降低等。這些方面已經(jīng)成為制約該技術(shù)在制造領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用 的“瓶頸”。

 　　一方面，在激光直接制造金屬零件過(guò)程中，激光與粉末之間發(fā)生相互作用，在材料的基體中建立了循環(huán)的、峰值較高的、冷卻速 度較快的溫度場(chǎng)，其冷卻速度可達(dá)1×106℃/s,與鑄造過(guò)程的冷卻速度1×104℃/s相比快2個(gè)數(shù)量級(jí)，其極快的冷卻速度、超高的局域溫度場(chǎng)分布以及 變化的激光掃描方式對(duì)成形件內(nèi)應(yīng)力的形成、積累甚至變形開(kāi)裂具有決定性的作用。因?yàn)樵诔尚渭?nèi)部不僅有激光循環(huán)加熱形成的熱應(yīng)力，也有非平衡凝固形成的組 織應(yīng)力，還有移動(dòng)熱源作用下的熱收縮應(yīng)力，這些應(yīng)力共同作用，存在于成形件內(nèi)部，并隨著成形過(guò)程的進(jìn)行在成形件內(nèi)部積累，使成形件的變形開(kāi)裂控制難上加難。

　 　另一方面，極快的冷卻速度、超高的局域溫度場(chǎng)分布以及變化的激光掃描方式作用下的非平衡快速凝固形核和長(zhǎng)大過(guò)程直接決定了最終零件的組織形態(tài)、尺寸、晶 體取向、晶界結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分均勻性等，也直接決定了成形件的綜合機(jī)械性能。由于過(guò)程中會(huì)發(fā)生工藝參數(shù)的變化、外部環(huán)境的不同、熔池的波動(dòng)以及掃描方式的變 化等，可能會(huì)在掃描層之間、掃描面之間以及掃描線之間形成未融合、卷入氣體、夾雜而形成內(nèi)部缺陷，最終影響成形件的質(zhì)量、力學(xué)性能和使用安全[6-7]。

　 　目前采用激光直接制造金屬零件方法制造的成形件表面質(zhì)量較為粗糙,一般不能直接使用，需要后加工來(lái)提高尺寸精度、表面質(zhì)量。影響成形件尺寸精度和表面質(zhì) 量的因素有很多，可以概括地分為軟件因素、硬件因素以及工藝因素等。軟件因素有圖形處理軟件的影響以及工藝軟件的影響。硬件因素包括加工系統(tǒng)中的光源、導(dǎo) 光系統(tǒng)、鋪（送）粉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。工藝因素包括掃描方法、光源直徑、粉末顆粒度、搭接量等因素，因而激光加工設(shè)備的整體性是保證成形件尺寸精度以及表面質(zhì)量的必要條件，是促進(jìn)激光直接制造金屬零件研究與應(yīng)用的工程問(wèn)題[8]。

在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

　　有2種方法可以用于直接制造金屬零件，即區(qū)域選擇激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)和近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）技術(shù)。

  　　它們的共同點(diǎn)在于：被加工材料為工程材料的粉末，成形件的致密度、力學(xué)性能達(dá)到了工業(yè)要求。差別在于SLM技術(shù)是基于粉末床的金屬零件快速制造方法, 即激光與粉末材料之間的相互作用發(fā)生在粉末床上。而LENS技術(shù)的基礎(chǔ)是激光涂覆技術(shù)，是基于局域送粉的金屬零件快速制造方法。激光涂覆技術(shù)的目的是通過(guò) 在被加工工件的表面熔覆功能層來(lái)提高工件的耐磨性、抗腐蝕能力及使用壽命。常用于零件或者模具的修復(fù)。為了實(shí)現(xiàn)修復(fù)、補(bǔ)充缺損的材料,常常進(jìn)行多層加工, 在此基礎(chǔ)上形成了激光近凈成形技術(shù)，在這一技術(shù)中，激光與粉末的相互作用發(fā)生在熔池附近。

　　SLM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于激光的運(yùn)動(dòng)由振鏡來(lái)完成，其反映速度快、定位準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是振鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍限制了激光的掃描范圍，由此決定了SLM技術(shù)適合加工尺寸較小、形狀復(fù)雜、要求精密的零件。而LENS技術(shù)中激光通過(guò)飛行光學(xué)導(dǎo)光系統(tǒng)（CO2激光器）或者機(jī)械手（固體或者半導(dǎo)體激光的運(yùn)動(dòng)完成），適合加工尺寸較大、形狀簡(jiǎn)單、對(duì)精密性要求不高的零件。

　　SLM技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用的材料主要有不銹鋼[9]、工具鋼、熱工鋼、鈦及鈦合金[10]、鋁合金[11]、鈷鉻合金、鎳基合金等[11]工程材料，成功制造了注塑模具、壓鑄模具、生物植片、航空航天零件以及各種金屬零件的功能模型。

圖1　采用SLM技術(shù)制造的鈦合金中空結(jié)構(gòu)

　　鈦合金為太空材料，自身具有重量輕、比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，與實(shí)體結(jié)構(gòu)相比，中空結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、重量輕、剛度高，是典型的“輕型制造”，因而SLM技術(shù)特別適合制造航空航天技術(shù)的零部件[12]。

圖2　高壓渦輪葉片的失效方式

 　　圖2是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪的噴氣閥。其在工作時(shí)的主要失效形式為閥的中心部分發(fā)生較大的裂紋。

傳統(tǒng)的修復(fù)方式為移除損壞的閥門(mén)中心部分，然后采用粉末冶金的方法鑄造移除的閥門(mén)中心部分，再采用釬焊技術(shù)焊合鑄造插件和噴氣閥的剩余部分。這一修 復(fù)工藝的缺點(diǎn)是鑄造閥門(mén)的中間部分需要開(kāi)模，加工過(guò)程所需的時(shí)間長(zhǎng)，另外經(jīng)釬焊工藝后，噴氣閥的耐久力變差。因而提高修復(fù)后的噴氣閥的耐久力是全球航空航 天領(lǐng)域工程技術(shù)人員努力的目標(biāo)。新型的工藝是通過(guò)SLM技術(shù)制造移除的噴氣閥中間部分，在采用激光焊接技術(shù)連接SLM制造的插件和剩余的噴氣閥部分[13]。

　 　LENS技術(shù)使用的材料主要有金屬、合金、陶瓷以及復(fù)合材料的粉末[3]。目前LENS技術(shù)較多地用于高附加值金屬航空航天零件的制造、修復(fù)及改型。例 如飛機(jī)起落架、外掛架翼肋、外掛架艙壁等零件具有用量少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，一般使用鈦合金、鋁合金等高性能輕金屬，這些零件采用傳統(tǒng)的方法（鑄、鍛、焊、 車）難以加工,或者即使可以加工,但是由于制模等過(guò)程零件加工所需的時(shí)間較長(zhǎng)、復(fù)雜零件的加工受到限制以及我國(guó)缺乏大噸位水壓、油壓機(jī)等基礎(chǔ)設(shè)施的因素， 限制了這些零件的快速面世[14-15]。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

圖3　LENS技術(shù)制造的C-17戰(zhàn)機(jī)上的外掛架艙壁

 　　采用LENS技術(shù)制造的C-17戰(zhàn)機(jī)上的鈦合金外掛架艙壁[15]見(jiàn)圖3。再如航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)定子等元件一般采用鎳基合金或者鈦合金制造，這些零件的制造過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，制造成本也較高，一旦缺損其修復(fù)的成本也較高。而LENS技術(shù)可以用于修復(fù)傳統(tǒng)焊接方法無(wú)法修復(fù)的零件。

圖4　LENS技術(shù)修復(fù)的黑鷹戰(zhàn)機(jī)葉輪上的葉片

　　圖4采用LENS技術(shù)修復(fù)的黑鷹直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪的葉片。修復(fù)位置為葉片的導(dǎo)向邊，導(dǎo)向邊極易受到磨損以及外來(lái)?yè)p害（FOD）。修復(fù)的部分具有近終型輪廓，且性能優(yōu)于原始材料的性能。經(jīng)低周疲勞測(cè)試：在5000~50000r/min的循環(huán)應(yīng)力作用下，承受了5000次交變應(yīng)力無(wú)事故而通過(guò)測(cè)試。

LENS技術(shù)在航空航天的另外一個(gè)應(yīng)用是對(duì)模具進(jìn)行改型?，F(xiàn)代技術(shù)中產(chǎn)品的更新?lián)Q代較快，模具的設(shè)計(jì)、制造以及后續(xù)的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程歷時(shí)較長(zhǎng)，一旦制 成的模具不符合實(shí)際需求，只需按照需要對(duì)制成的模具進(jìn)行些許改動(dòng)就可以重新進(jìn)行生產(chǎn)，因而節(jié)省了制造成本以及制造時(shí)間[15]。

圖5　移動(dòng)式零件修復(fù)醫(yī)院

　　LENS技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的另一應(yīng)用就是“移動(dòng)式零件修復(fù)醫(yī)院”。核心是采用LENS技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)上進(jìn)行關(guān)鍵件的修復(fù)或者制造。它甚至可以采用衛(wèi)星通信設(shè)備傳輸有關(guān)制造零件的數(shù)據(jù)信息。在沒(méi)有數(shù)據(jù)信息的情況下，也可以采用逆向工程獲得要建零件的外部輪廓信息，經(jīng)過(guò)必要的處理后實(shí)現(xiàn)修復(fù)或者制造工作。圖5為加工中心的模塊外形，內(nèi)部為加工間[16]。

　　LENS技術(shù)最具特色的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)改進(jìn)送粉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零件中材料成分的實(shí)時(shí)連續(xù)變化，制造具有梯度成分材料的高性能零部件。

圖6　采用LENS制造的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的三合金葉輪

　 　圖6為采用LENS技術(shù)制造的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)三合金葉輪。該葉輪的A處主要承受沖擊力，要求具有較高的強(qiáng)度，材料為傳統(tǒng)的Ti6Al4V合金；B處主要 承受摩擦力，工作溫度較高，要求具有較高的低周疲勞強(qiáng)度，采用正斜方晶鈦合金Ti22-23；C處則需要有較高的蠕變強(qiáng)度，采用γ- TiAl（Ti48Al2Cr2Nb）合金制造。

 圖7　Ti6Al4V與γ-TiAl（Ti48Al2Cr2Nb）的連接界面　　

　 　圖7Ti6Al4V與γ-TiAl（Ti48Al2Cr2Nb）2種合金的冶金結(jié)合界面?？梢钥吹?種材料之間的突然轉(zhuǎn)變，但是接合處組織細(xì)小、致密 [16]。開(kāi)發(fā)LENS技術(shù)相關(guān)設(shè)備的美國(guó)Optomech公司和德國(guó)通快公司分別開(kāi)發(fā)了2種不同粉末的實(shí)時(shí)混合系統(tǒng)以及四路混合送粉系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多種 粉末的實(shí)時(shí)混合[18]

我國(guó)在LENS技術(shù)領(lǐng)域的研究較早，取得的成果斐然。王華明等在國(guó)家863計(jì)劃等的支持下，首先進(jìn)行了LENS技術(shù)設(shè)備的研究，在該設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn) 行了飛機(jī)次/主乘力鈦合金結(jié)構(gòu)件、航空鈦合金框、梁、壁板、梯度結(jié)構(gòu)梁和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用研究，并進(jìn)行了定向生長(zhǎng)高溫鈦合金熔鑄方法以及發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片 熔鑄快速成形的應(yīng)用研究，為我國(guó)在該領(lǐng)域的應(yīng)用研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[14]。

 　 　黃衛(wèi)東等在973等國(guó)家以及航空領(lǐng)域項(xiàng)目的支持下，對(duì)LENS技術(shù)的工藝規(guī)律、熔凝特性、組織結(jié)構(gòu)以及缺陷形成規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究的材料主要為鈦 合金、鎳基合金以及NiTi等金屬間化合物，并進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)和壓氣機(jī)整體葉盤(pán)的快速成形應(yīng)用研究，取得了較好的研究成果[19-20]。北京有色金 屬研究院在國(guó)家863、973計(jì)劃的支持下進(jìn)行了基于LENS原理的激光直接制造金屬零件的工藝研究，分別進(jìn)行了銅合金、不銹鋼、鎳基合金的成形工藝研究 以及鎳基合金與CW/CTi等的梯度復(fù)合零件的研究[21-22]。

　　綜上所述， 我國(guó)在該領(lǐng)域的研究主要集中在高校以及研究機(jī)構(gòu)，取得了一定的技術(shù)突破，特別是在直接制造鈦合金結(jié)構(gòu)件方面。鑒于該技術(shù)當(dāng)前在航空航天等領(lǐng)域的重要作用， 建議投入更大的研究力量進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，解決上述的“瓶頸”問(wèn)題，提高應(yīng)用領(lǐng)域的研究水平，為該技術(shù)的應(yīng)用奠定更加深厚的基礎(chǔ)。

　　未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

　　快速原型制造技術(shù)經(jīng)歷了原型件制造、功能模型制造、技術(shù)模型制造、全功能零件制造的發(fā)展過(guò)程，目前在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用得到了巨大的發(fā)展。

　　但是到目前為止世界范圍內(nèi)的應(yīng)用研究已經(jīng)充分地顯示：應(yīng)用范圍在不斷地?cái)U(kuò)大，目前的研發(fā)還沒(méi)有覆蓋所有可能的應(yīng)用領(lǐng)域；同時(shí)也進(jìn)一步闡明產(chǎn)品向個(gè)性化發(fā)展是該技術(shù)的特色，快速原型制造技術(shù)是一種面向用戶的金屬零件直接制造技術(shù)[12，23]。

　 　目前影響成形件在工程領(lǐng)域應(yīng)用的主要因素有內(nèi)部缺陷和變形開(kāi)裂的控制、成形件尺寸精度、表面質(zhì)量以及后加工方法等。不斷地開(kāi)發(fā)新材料，為快速原型制造技 術(shù)締結(jié)更多的應(yīng)用領(lǐng)域，不斷地改進(jìn)和完善工藝、提高加工系統(tǒng)的整體性是控制內(nèi)部缺陷、變形和開(kāi)裂、提高成形件尺寸精度、表面質(zhì)量、減少后續(xù)工序的必由之 路。

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