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)展狐赡，這一發(fā)展體現(xiàn)在快速制造領(lǐng)域的各方面，如材料、工藝泌绩、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)相比宵蕉，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)間酝静、降低研發(fā)成本、快速應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求国裳，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)單件形入、小批量、個(gè)性化生產(chǎn)零件提供了可能缝左，使之成為21世紀(jì)最具有潛力的制造技術(shù)之一亿遂。　　

　　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)度渺杉、尺寸精確性蛇数、輕量性和水密性，因而該技術(shù)已經(jīng)在航空航天是越、國(guó)防耳舅、汽車、醫(yī)療倚评、電子等領(lǐng)域得到了應(yīng)用[4]浦徊，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)鑄洲猿、鍛获隆、焊以及電火花加工等傳統(tǒng)制造技術(shù)的補(bǔ)充齿贡，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)∮慷簦　　

　　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)展饮乃，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]基差。體現(xiàn)在應(yīng)用研究領(lǐng)域則是內(nèi)部缺陷和內(nèi)部組織的控制刀饥、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宅蜒。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”蒙拜。　　

　　一方面涨拣，在激光直接制造金屬零件過(guò)程中蝇降，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)的它褪、峰值較高的饵骨、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)茫打，其極快的冷卻速度居触、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老赤。因?yàn)樵诔尚渭?nèi)部不僅有激光循環(huán)加熱形成的熱應(yīng)力轮洋，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)力抬旺，這些應(yīng)力共同作用弊予，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)部積累开财，使成形件的變形開(kāi)裂控制難上加難汉柒。　　

　　另一方面责鳍，極快的冷卻速度碾褂、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)、尺寸历葛、晶體取向达迁、晶界結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分均勻性等宾哼，也直接決定了成形件的綜合機(jī)械性能仔约。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舆佩，可能會(huì)在掃描層之間介腻、掃描面之間以及掃描線之間形成未融合、卷入氣體泌榕、夾雜而形成內(nèi)部缺陷，最終影響成形件的質(zhì)量招殊、力學(xué)性能和使用安全气岁。　　

　　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,一般不能直接使用秆候，需要后加工來(lái)提高尺寸精度浦堪、表面質(zhì)量。影響成形件尺寸精度和表面質(zhì)量的因素有很多刺洒，可以概括地分為軟件因素鳖宾、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逆航。硬件因素包括加工系統(tǒng)中的光源鼎文、導(dǎo)光系統(tǒng)、鋪(送)粉系統(tǒng)因俐、控制系統(tǒng)等拇惋。工藝因素包括掃描方法、光源直徑抹剩、粉末顆粒度撑帖、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)量的必要條件澳眷，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)題胡嘿。

　　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(SelectiveLaserMelting钳踊，SLM)技術(shù)和近凈成形(LaserEngineeredNetShaping衷敌，LENS)技術(shù)」客粒　　　　

　　它們的共同點(diǎn)在于：被加工材料為工程材料的粉末帆伯，成形件的致密度、力學(xué)性能達(dá)到了工業(yè)要求逸讹。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)生在粉末床上代投。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禾计。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)提高工件的耐磨性灾您、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)烛辜、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)江伴，在這一技術(shù)中，激光與粉末的相互作用發(fā)生在熔池附近臂葫√咄危　　

　　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，其反映速度快豆蚀、定位準(zhǔn)確媚曾，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)適合加工尺寸較小抬闷、形狀復(fù)雜妇蛀、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)笤成，適合加工尺寸較大评架、形狀簡(jiǎn)單、對(duì)精密性要求不高的零件炕泳∽莸　　

　　SLM技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用的材料主要有不銹鋼、工具鋼喊崖、熱工鋼挣磨、鈦及鈦合金、鋁合金荤懂、鈷鉻合金茁裙、鎳基合金等工程材料，成功制造了注塑模具节仿、壓鑄模具晤锥、生物植片、航空航天零件以及各種金屬零件的功能模型罩泰」砀。　　

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

　　傳統(tǒng)的修復(fù)方式為移除損壞的閥門中心部分，如圖3中左上部分蔑懈，然后采用粉末冶金的方法鑄造移除的閥門中心部分琉阱，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)是鑄造閥門的中間部分需要開(kāi)模拐迁，加工過(guò)程所需的時(shí)間長(zhǎng)蹭劈，另外經(jīng)釬焊工藝后，噴氣閥的耐久力變差唠亚。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)链方。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灶搜。　　

　　LENS技術(shù)使用的材料主要有金屬工窍、合金割卖、陶瓷以及復(fù)合材料的粉末。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患雏、修復(fù)及改型鹏溯。例如飛機(jī)起落架、外掛架翼肋淹仑、外掛架艙壁等零件具有用量少丙挽、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，一般使用鈦合金匀借、鋁合金等高性能輕金屬颜阐，這些零件采用傳統(tǒng)的方法(鑄、鍛裤泄、焊攘霞、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)缺乏大噸位水壓几崔、油壓機(jī)等基礎(chǔ)設(shè)施的因素虽捺，限制了這些零件的快速面世∮八埽　　

　　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蝎蚣。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徘繁，這些零件的制造過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力淹误，制造成本也較高，一旦缺損其修復(fù)的成本也較高示祭。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)的零件尼袁。圖5為采用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)化焕。修復(fù)的部分具有近終型輪廓萄窜，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)力作用下撒桨，承受了5000次交變應(yīng)力無(wú)事故而通過(guò)測(cè)試查刻。　　

　　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》锢啵現(xiàn)代技術(shù)中產(chǎn)品的更新?lián)Q代較快穗泵，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)谜疤，一旦制成的模具不符合實(shí)際需求佃延，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)間夷磕÷乃啵　　

　　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)或者制造坐桩。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)信息尺棋。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爬蜜，經(jīng)過(guò)必要的處理后實(shí)現(xiàn)修復(fù)或者制造工作嗽绑。　　

　　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)披痕，實(shí)現(xiàn)零件中材料成分的實(shí)時(shí)連續(xù)變化萤野，制造具有梯度成分材料的高性能零部件⊥铝　　

　　先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)三合金葉輪的A處主要承受沖擊力抠偏，要求具有較高的強(qiáng)度，材料為傳統(tǒng)的Ti6Al4V合金陪瘟；B處主要承受摩擦力鞋剔，工作溫度較高，要求具有較高的低周疲勞強(qiáng)度阐逗，采用正斜方晶鈦合金Ti22-23池躁；C處則需要有較高的蠕變強(qiáng)度，采用γ-TiAl(Ti48Al2Cr2Nb)合金制造韵谋。圖8為Ti6Al4V與γ-TiAl(Ti48Al2Cr2Nb)2種合金的冶金結(jié)合界面褒选。可以看到2種材料之間的突然轉(zhuǎn)變振诬，但是接合處組織細(xì)小蹭睡、致密[16]衍菱。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)混合肩豁。

　　我國(guó)在LENS技術(shù)領(lǐng)域的研究較早脊串，取得的成果斐然。王華明等在國(guó)家863計(jì)劃等的支持下清钥，首先進(jìn)行了LENS技術(shù)設(shè)備的研究琼锋，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、航空鈦合金框祟昭、梁缕坎、壁板、梯度結(jié)構(gòu)梁和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用研究篡悟，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)用研究谜叹，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)目的支持下搬葬，對(duì)LENS技術(shù)的工藝規(guī)律叉谜、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)研究镰饶。研究的材料主要為鈦合金、鎳基合金以及NiTi等金屬間化合物乱树，并進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤和壓氣機(jī)整體葉盤的快速成形應(yīng)用研究烧骗，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吆揖、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铜诽，分別進(jìn)行了銅合金、不銹鋼绳瓣、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]懂棘。

　　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)嗡深，取得了一定的技術(shù)突破先赛，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)域的重要作用惋肾，建議投入更大的研究力量進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)挪确，解決上述的“瓶頸”問(wèn)題，提高應(yīng)用領(lǐng)域的研究水平暖夭，為該技術(shù)的應(yīng)用奠定更加深厚的基礎(chǔ)锹杈。

　　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、功能模型制造迈着、技術(shù)模型制造竭望、全功能零件制造的發(fā)展過(guò)程邪码，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)大咬清，目前的研發(fā)還沒(méi)有覆蓋所有可能的應(yīng)用領(lǐng)域闭专；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枫振，23]喻圃。

　　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、成形件尺寸精度粪滤、表面質(zhì)量以及后加工方法等斧拍。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)域杖小，不斷地改進(jìn)和完善工藝肆汹、提高加工系統(tǒng)的整體性是控制內(nèi)部缺陷、變形和開(kāi)裂零破、提高成形件尺寸精度衫半、表面質(zhì)量、減少后續(xù)工序的必由之路抠孤。

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