圖1、GKN 公司發(fā)布的用于火箭的激光送絲制品

采用機(jī)器人為操作系統(tǒng)的激光送絲增材制造系統(tǒng)進(jìn)行了沉積316Si的實(shí)驗(yàn)。對(duì)得到的樣品的組織和性能進(jìn)行了分析。沉積樣品分兩種：薄壁強(qiáng)試樣和塊體試樣。制備的樣品掃描間隙的時(shí)間也分為兩種，短的和長(zhǎng)的掃描間隙。研究發(fā)現(xiàn)，由于不同的掃描間隙造成的熱歷史時(shí)間不同而對(duì)得到的樣品的組織和性能造成非常大的影響。薄壁墻試樣掃描間隙時(shí)間短，得到粗大的柱狀晶、較低的拉伸強(qiáng)度以較低的硬度。與之相反，塊體試樣的掃描間隙時(shí)間長(zhǎng)，得到的柱狀晶較細(xì)小、拉伸強(qiáng)度較高、硬度也較高。同時(shí)對(duì)熔池進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)。還建立了熔池和冷卻速率之間的經(jīng)驗(yàn)公式，用于通過(guò)控制熔池尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)凝固組織的控制。而且，為了研究其各向異性行為，對(duì)垂直和平行于試樣沉積方向的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，垂直于制造方向的拉伸強(qiáng)度和延伸率，對(duì)薄壁試樣和塊體試樣來(lái)說(shuō)，均較低，這表明層間或熔池間由于未熔氣孔存在而存在弱結(jié)合。

圖2、機(jī)器人激光送絲系統(tǒng)及其制備的樣件

增材制造在健康、汽車、模具、乃至航空航天有著較多的應(yīng)用。增材制造之所以應(yīng)用的發(fā)展非?？欤且?yàn)樵摷夹g(shù)可以制造出復(fù)雜形狀、減少制造周期、不需要額外的機(jī)加工和支撐等。該技術(shù)已經(jīng)成為制造小批量高附加值部件最經(jīng)濟(jì)且有效的制造手段。增材制造種類繁多，但主要分兩大類，直接能量沉積（DED）和粉末床（PBF）。其中DED是一種通過(guò)連續(xù)喂送金屬粉末或絲材到指定位置，同時(shí)激光束或電子束等能量對(duì)其進(jìn)行熔化。熱源相對(duì)于基材以預(yù)設(shè)的軌跡來(lái)運(yùn)動(dòng)。從而形成預(yù)設(shè)的制品。

激光直接沉積（LDMD）是DED的一種，有著多種稱呼，如3D激光熔覆、SLM、LMD、DMD、DLD等。并且該技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。LDMD的優(yōu)點(diǎn)較多，如打印功能梯度材料（FGM）、修復(fù)高附加值材料、在部件表面施加涂層用于提高耐磨、耐腐蝕等性能。同時(shí)還可以打印打的泊松比、負(fù)的泊松比；甚至是負(fù)的熱膨脹系數(shù)的材料。

圖3、機(jī)器人激光送絲系統(tǒng)制備的薄壁墻和塊體樣品

激光送絲直接沉積是采用送粉增材沉積的一種方式，最近頗受重視。激光送絲具有絲材成本低（絲材比粉末便宜）、沉積效率高（對(duì)鈦合金來(lái)說(shuō)可以達(dá)到40 lb/h）、材料利用率高、對(duì)環(huán)境清潔無(wú)污染。國(guó)際上著名的公司如GKN和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)布了采用激光送絲系統(tǒng)制備了大型的結(jié)構(gòu)件用于航空航天（見(jiàn)圖1）。這一結(jié)構(gòu)件采用其他增材制造技術(shù)是很難制造出來(lái)的。除了以上激光送絲的優(yōu)點(diǎn)外，實(shí)驗(yàn)還證明激光送絲在工藝上難以控制。主要參數(shù)有激光功率、送絲速度、激光掃描速度、搭接率和抬高量等必須精確控制以獲得穩(wěn)定和可可重復(fù)的工藝以避免常見(jiàn)的缺陷生成。實(shí)驗(yàn)還表明由于在加工過(guò)程中熱傳導(dǎo)模式會(huì)從3D到2D傳熱以及傳熱的復(fù)雜性（熔池動(dòng)力學(xué)）。因此，非常有必要采用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)保證加工的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。同時(shí)在加工過(guò)程中送絲速率、激光功率、熱導(dǎo)率等，這些參數(shù)的微小變化都需要采用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)以確保制品性能的均一性。Herali等人嘗試在激光送絲時(shí)配以反饋系統(tǒng)已保證熔池的高度和寬度不變，從而確保最大程度的穩(wěn)定性。Yaoyu等人采用激光頭上安裝同軸相機(jī)監(jiān)控熔池，輔以PID控制器成功的實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)激光功率來(lái)保證熔池的穩(wěn)定性。

圖4、薄壁墻樣品的在線監(jiān)測(cè)及其組織

現(xiàn)有的文獻(xiàn)大都以增材制造的產(chǎn)品同傳統(tǒng)工藝進(jìn)行對(duì)比，其性能幾乎相當(dāng)。然而增材制造產(chǎn)品的組織和性能頗受關(guān)注，這是因?yàn)樵摴に嚧嬖趶?fù)雜的熱歷史過(guò)程。Hederick在綜述中指出，研究熱歷史和組織演變的關(guān)系至關(guān)重要。許多研究工作多集中在認(rèn)知熱循環(huán)對(duì)顯微組織和性能的研究上。在LMD工藝中熱歷史過(guò)程包括快速加熱和快速冷卻過(guò)程以及一定的溫度梯度。這對(duì)顯微組織的影響非常重要，進(jìn)而會(huì)影響到最終的機(jī)械性能。Yadollahi等人報(bào)道了工藝參數(shù)會(huì)影響熔池的動(dòng)力學(xué)。進(jìn)而影響熱歷史。工藝參數(shù)會(huì)影響到缺陷的生成。同時(shí)研究了層層之間的間隙對(duì)機(jī)械性能和顯微組織的影響。結(jié)果顯示較長(zhǎng)的時(shí)間間隙導(dǎo)致高的冷卻速率，從而顯微組織較細(xì)小。SU等人研究了結(jié)構(gòu)類型（常用的有兩種：薄壁墻和塊體）的組織變化。薄壁墻結(jié)構(gòu)存在柱狀晶且平行于制造方向，而塊體試樣的組織則呈現(xiàn)多個(gè)方向。但目前對(duì)激光送絲來(lái)說(shuō)，公開(kāi)報(bào)道還比較少。

圖5、塊體樣品的在線監(jiān)測(cè)及其組織

圖6、試樣的氣孔檢測(cè)

本文主要報(bào)道了采用機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行激光送絲的工藝研究，同時(shí)在送絲過(guò)程中采用了在線監(jiān)測(cè)技術(shù)制造了薄壁墻和塊體試樣，并對(duì)試樣的組織和性能進(jìn)行了研究。

圖7、電子束AM制造的部件