增材快速成形與制造技術(shù)在高形狀復雜度、高功能復雜度零件的制造方面獨具特色，被認為是現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展史上的一個里程碑，并正向高功能、高性能材料零件直接制造方向發(fā)展,對制造業(yè)產(chǎn)生著深遠的影響[1-2]。其中，金屬零件的直接快速制造(Direct Rapid Metal Manufacturing)需求范圍最廣，也是其主要發(fā)展方向之一。目前主要有采用激光束、電子束、等離子束的高能三束，以及非高能束的成形方法，該技術(shù)可直接由零件CAD 模型，完成難加工復雜形狀金屬零件的快速成形，還可根據(jù)零件不同部位的工作條件與特殊性能要求實現(xiàn)梯度功能材料零件的快速成形。因此，這是一種零件結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計、新材料制備、成形、加工一體化的創(chuàng)形創(chuàng)質(zhì)并行的短流程、數(shù)字化制造技術(shù)，代表著先進制造技術(shù)的發(fā)展方向。由于該技術(shù)和裝備在航空航天、國防、能源、交通等尖端支柱領(lǐng)域的重要應用前景,受到發(fā)達國家政府和企業(yè)的高度重視和大力支持,但目前尚處在工業(yè)規(guī)模實用化的前夜。 

高能束金屬零件直接快速制造技術(shù)現(xiàn)狀 

       因篇幅所限，本課題主要分析廣泛使用的致密金屬零件的直接快速制造技術(shù)現(xiàn)狀，其中，采用高能束流的直接制造主要有選區(qū)激光熔化/燒結(jié)成形法（SLM/SLS）和激光近終成形法（LENS）、電子束成形法（EBM）、等離子束熔積成形法(PDM)，以及其它派生的技術(shù)。 

1 SLM技術(shù) SLM（Selective Laser Melting）技術(shù)是在SLS技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與SLS方法的相同之處是，因控制熱變形困難等限制而只適于成形復雜形狀小型件；不同之處是將粉末燒結(jié)改良成粉末熔化，省去了SLS法后續(xù)的低熔點金屬浸滲致密化環(huán)節(jié)，較SLS方法可直接成形密度顯著提高的金屬產(chǎn)品。然而，對于成形過程中出現(xiàn)的熔化金屬“聚球”現(xiàn)象，需嚴格控制材料參數(shù)、工藝參數(shù)和掃描方式才能減輕[3]。要得到高致密度零件需采用熱等靜壓技術(shù)，但這往往需要后續(xù)加工來保證精度，從而增加了制造難度、時間和成本。SLM/SLS技術(shù)皆因采用層層鋪粉的送料方式而難以制造梯度功能材料FGM零件。圖1為MTT公司采用SLM技術(shù)制造的金屬零件[4]。

       PHENIX SYSTEMS公司研究開發(fā)了與SLS方法相似的激光燒結(jié)方法，不同之處在于采用了激光固相燒結(jié)的專利技術(shù)，并使用了光纖激光器。公司宣稱：金屬粉末成形無后續(xù)熱處理工序[5]，但未見其對成形件密度數(shù)據(jù)影響的報道；其開發(fā)的PM250機型的圓柱成形室空間為直徑250mm，高300mm，成形材料采用高溫合金、不銹鋼、模具鋼等粉末。 

2 LENS技術(shù) 

       由美國Sandia國家試驗室與Allied Signal Inc．，Eastman Kodak Co．，Hasbro Inc．，Laser Fare Inc．等公司合作開發(fā)，已成功制造了316、304不銹鋼，Inconel625、690、718鎳基高溫合金，H13工具鋼，Ti-6Al-4V鈦合金以及鎳鋁金屬間化合物等材料零件，還制備了316-304不銹鋼、304不銹鋼-A690合金、Fe-Cu、Ti-V和Ti-Mo梯度材料零件，顯示出其在功能梯度材料制備方面的獨特優(yōu)勢。目前，Optomec公司專門從事該技術(shù)的商業(yè)化工作，已開發(fā)出1kW的LENS 850商業(yè)機，運動定位精度在X-Y方向為0.05mm，Z方向0.5mm，成形最小層厚0.0756mm，最大成形速度8.19cm3/h[6]。圖2為Optomec公司開發(fā)的LENS 850成形機成形腔內(nèi)狀況和成形零件。

      此外，還有一些基于LENS技術(shù)原理的激光成形技術(shù)。如 Los Alamos國家試驗室與SyntheMet合作開發(fā)的DLF（Directed Light Fabrication）技術(shù)，與LENS技術(shù)的不同之處是它可直接由CAD模型分層獲得加工路徑格式文件，避免了STL文件格式的數(shù)據(jù)冗余和錯誤?？捎玫某尚尾牧嫌蠥ISI316和400不銹鋼、FeNi合金、AlCu、Ag、Cu合金，P20工具鋼、Ti、W、Re合金，以及鈦鋁、鎳鋁、鉬硅等金屬間化合物等[7]。Michigan大學J.Mazumder教授等提出的DMD技術(shù)（Direct Metal Deposition）與LENS技術(shù)的區(qū)別主要是增加了實時反饋系統(tǒng)[8]。 

       美國Johns Hopkins 大學、Penn State大學和MTS公司合作開發(fā)的LasForm工藝，與LENS技術(shù)不同之處是采用了19kW大功率CO2激光器和穩(wěn)定的快速供粉系統(tǒng)，單道堆積寬度和厚度分別達13mm和4mm，工作空間達3m×3m×1.2m，成形速度明顯高于LENS激光成形工藝[9]。但MTS公司成立的AeroMet子公司的教訓表明，即使經(jīng)熱等靜壓（HIP）、模鍛后加工之后，成形件的疲勞等關(guān)鍵力學性能仍低于鈦合金鍛件，故未能有效解決激光成形大型鈦合金結(jié)構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量和力學性能控制等關(guān)鍵技術(shù)難題，加之成本過高，最終導致該公司關(guān)閉。 

       國內(nèi)西北工業(yè)大學、北京航空航天大學、有色金屬研究院、清華大學、南京航空航天大學、上海交通大學等單位都開展了基于LENS技術(shù)的激光直接成形技術(shù)研究。北京航空航天大學王華明教授研究小組開發(fā)了激光快速成形雙相鈦合金“特種熱處理”新工藝，提出“熱應力離散控制”新方法，制造出的大型整體鈦合金飛機結(jié)構(gòu)試驗件[10]。 

3 EBM電子束成形技術(shù) 

        瑞典Chalmers工業(yè)大學與Arcam公司合作開發(fā)了電子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）技術(shù)，并以CAD-to-Metal申請了專利[11]。EBM技術(shù)采用粉末成形，成形零件尺寸250mm×250mm×200mm，成形速度1cm3/min，最小孔隙率可控制在0.5％以內(nèi)，適于復雜小型近終件成形，為提高成形效率，最近還開發(fā)了多束電子束成形機。因其對硬件和環(huán)境的要求高，整個成形過程須在真空室內(nèi)進行，設(shè)備和運行成本高；也存在表面熔化金屬“聚球”現(xiàn)象，且與層層鋪粉的SLS/SLM法相似，難以成形梯度功能材料零件，且成形精度尚不足。圖3為美國宇航局蘭利研究中心(NASA Langley Research Center) 采用EBM成形或經(jīng)后加工的樣品及特點。最大尺寸為15.24 cm ×15.24 cm ×15.24 cm，層厚為0.5 mm～1.27 mm，沉積率為80cm3/h，零件精度:±1.27mm~2.54 mm。

 
圖3 美國宇航局蘭利研究中心(NASA Langley Research Center) 采用EBM成形與后加工的樣品

       麻省理工學院的Matz J.在美國海軍研究局（ONR）的資助下研究了電子束實體自由成形（Electron-beam Solid Freeform Fabrication，EBSFF）技術(shù)，其與EBM技術(shù)的不同之處是采用電子束熔化同步輸送的金屬絲材，其成形的組織較鑄造方法細小。國內(nèi)清華大學開發(fā)的電子束選區(qū)同步燒結(jié)工藝，可在整體成形區(qū)域內(nèi)，材料同步升溫、燒結(jié)、沉積和降溫，減小了熱應力，提高了零件成形的精度和質(zhì)量[12]。 

4 PDM等離子束成形法 

       等離子熔積（PDM）成形方法是利用經(jīng)電磁、幾何和熱壓縮的轉(zhuǎn)移電弧產(chǎn)生高溫高速的等離子束流，使金屬達到熔融態(tài)，并按設(shè)定的三維空間軌跡逐層熔積成形。本課題作者開發(fā)了PDM成形工藝與設(shè)備[13]，研究結(jié)果表明：該方法冶金過程充分，組織性能明顯優(yōu)于真空鑄件，密度與鍛件相當；成形效率、材料和能量利用率高，設(shè)備投資和運行成本遠低于激光束和電子束成形方法，但因弧柱較這兩種方法粗，成形精度不及這兩者。所以，上述三種高能束直接成形方法在成形精度、成形效率、成本和功能等方面各有優(yōu)缺點，難以全面兼顧。 

       最近，作者對空間圓管、彈簧等平面輪廓環(huán)沿空間引導線掃掠形成的空間掃掠式復雜結(jié)構(gòu)實體直接成形進行研究，采用成形方向沿引導軸線切向且不斷變化的楔形切片方式進行路徑規(guī)劃，開發(fā)了變向變厚楔形切片的算法，直接快速成形了圖4所示的變向漸縮式不銹鋼空間螺旋管，表明了該技術(shù)具有成形復雜形狀零件成形性的能力。

非高能束直接快速制造技術(shù) 

1 超聲波固結(jié)成形技術(shù) 

       超聲波固結(jié)成形技術(shù)，由Solidica公司（Ann Arbor，Michigan）開發(fā)。與采用熱能束的金屬零件快速成形過程的區(qū)別在于：第一，不采用金屬粉末作為原材料，采用多種金屬薄帶，如鋁帶等；第二，無成形熱源，而是采用超聲波技術(shù)，將各層鋁帶固結(jié)在一起，制作金屬零件。此外，可將成形與銑削結(jié)合，保證零件精度和表面質(zhì)量。該技術(shù)能制作深槽、空洞、網(wǎng)格、內(nèi)部蜂巢狀結(jié)構(gòu)體，以及形狀復雜而傳統(tǒng)去除型工藝無法制造的金屬零件[14]。 

２.其他技術(shù) 

        由MIT開發(fā)3DP（3D inkjet printing）技術(shù)，授權(quán)給Ex One公司及其Prometal子公司開發(fā)應用，類似的還有fcubic公司的技術(shù)[15]，都是通過噴頭，用粘結(jié)劑將粉末以及各層粘接起來積層成形。因制品密度和強度較低，故需后續(xù)去粘結(jié)劑和浸滲低熔點金屬致密化的熱處理，致使工序和成本增加；且與SLS技術(shù)相似，因控制熱變形困難，因此僅適于小型件的制造，零件尺寸小于30mm，表面粗糙度約為4μm。該技術(shù)主要使用了鐵、銅、鎢、鎳合金等材料。圖5為fcubic公司制造的氣缸蓋模型。

復合型金屬零件直接快速制造技術(shù) 

       采用上述金屬零件直接快速制造技術(shù)，一般只能獲得近終成形零件，尚未達到工業(yè)化生產(chǎn)所需的尺寸和表面精度要求，大都需在成形結(jié)束后精加工。然而，直接成形的金屬零件因急冷凝固后使表面硬度增大并有階梯效應，導致加工困難；形狀復雜的零件有時需多次裝夾，致使加工時間長，甚至有時要占整個制造周期的60%以上，使直接制造技術(shù)的優(yōu)勢大為喪失。 

        因此，需要開發(fā)可在成形過程中實現(xiàn)高尺寸精度和表面質(zhì)量要求的復雜形狀難加工零件的直接精確制造技術(shù)。除了早期斯坦福大學的Ramaswami等研究開發(fā)了形狀沉積制造系統(tǒng)(SDM) [16]，采用與FDM類似的方式堆積材料并對其進行三軸銑削加工制造原型之外，荷蘭的Delf大學和韓國科技大學研究開發(fā)了分層實體制造和線切割結(jié)合的復合快速成形技術(shù)。該技術(shù)在不同的加工位置根據(jù)待加工表面形狀, 以可調(diào)節(jié)形狀的金屬絲為切削刀具, 因而可實現(xiàn)簡單形狀的大厚度去除[17]。本課題作者提出并開發(fā)了在成形過程中將等離子熔積與銑削復合的金屬零件直接快速制造技術(shù)（Hybrid Plasma Deposition & Milling，HPDM），并采用自主開發(fā)的三軸HPDM工藝和設(shè)備試制了高溫合金雙螺旋葉片、高溫合金整體雙螺旋葉輪，為實現(xiàn)難加工材料制備—成形—加工一體化的低成本短流程制造提供了新的途徑[18-19]。 

金屬零件直接快速制造技術(shù)發(fā)展趨勢探討 

        采用增材積層無模直接制造的金屬零件，其材料特性明顯不同于傳統(tǒng)的鍛造或鑄造零件，目前對此材料特性尚無特別的工業(yè)標準，這已成為推廣該技術(shù)的很大障礙。為此，美國材質(zhì)及測試協(xié)會（ASTM）于2009年1月成立了專門委員會致力于開發(fā)增材積層成形材料標準的工作，這將支持此項技術(shù)在許多工業(yè)領(lǐng)域中的推廣應用。 

       在高能束直接制造高致密金屬零件技術(shù)中，有支撐的EBM技術(shù)在高形狀復雜度的小型零件制造方面具有優(yōu)勢，但難以制造大型、復合功能梯度材料的零件；無支撐的LENS技術(shù)與HPDM技術(shù)在制造高功能復雜度、大中型金屬零件方面獨具優(yōu)勢，但尚未有效解決帶懸臂等的復雜形狀零件無支撐直接成形過程中的流淌和開裂問題；根本解決此瓶頸問題、提高其復雜形狀成形度，是擴大該技術(shù)應用范圍的迫切需求。此外，金屬零件在高能束成形過程中，因經(jīng)歷周期性急速加熱和冷卻、移動熔池在不規(guī)則可變邊界約束下的快速凝固收縮及其伴生的短時非平衡循環(huán)固態(tài)相變，在零件內(nèi)部產(chǎn)生極其復雜的熱應力、組織應力和機械約束應力及強烈的非穩(wěn)態(tài)交互作用和應力集中，容易導致零件變形與開裂，組織性能不均勻與不穩(wěn)定，從而影響了上述技術(shù)的實用化進程。 

       金屬零件無支撐直接成形過程中發(fā)生的流淌、變形、開裂、組織性能各向異性和非穩(wěn)定性問題，是由于移動傳熱傳質(zhì)條件下無約束空間自由熔積成形所固有的熱力學、動力學、幾何學特點所決定的，存在原理上的問題，僅靠改變材料成分和配比以及成形工藝等方法，難以根本解決。因此，有必要采用逆向和綜合思維方法，考慮受迫成形工藝精度高、組織性能好的優(yōu)點，將其引入無支撐自由快速成形，綜合發(fā)揮其各自的優(yōu)勢，開發(fā)自由增材成形和受迫成形復合的低成本直接快速制造金屬零件的新方法，為從根本上解決無支撐自由快速成形工藝固有難點問題和工業(yè)實用化提供新的有效途徑。(end)