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)時間、降低研發(fā)成本、快速應(yīng)對市場需求，另外其設(shè)計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，其對零件形狀以及對加工材料無限制的制造特點(diǎn)使之更加優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。

    問題與挑戰(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，其冷卻速度可達(dá)1×106℃/s,與鑄造過程的冷卻速度1×104℃/s相比快2個數(shù)量級，其極快的冷卻速度、超高的局域溫度場分布以及變化的激光掃描方式對成形件內(nèi)應(yīng)力的形成、積累甚至變形開裂具有決定性的作用。因為在成形件內(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，并隨著成形過程的進(jìn)行在成形件內(nèi)部積累，使成形件的變形開裂控制難上加難。

     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大過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。由于過程中會發(fā)生工藝參數(shù)的變化、外部環(huán)境的不同、熔池的波動以及掃描方式的變化等，可能會在掃描層之間、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)的目的是通過在被加工工件的表面熔覆功能層來提高工件的耐磨性、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)勢在于激光的運(yùn)動由振鏡來完成，其反映速度快、定位準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是振鏡的轉(zhuǎn)動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)動完成），適合加工尺寸較大、形狀簡單、對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)動機(jī)的高壓渦輪的噴氣閥。其在工作時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中心部分，然后采用粉末冶金的方法鑄造移除的閥門中心部分，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)是鑄造閥門的中間部分需要開模，加工過程所需的時間長，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,但是由于制模等過程零件加工所需的時間較長、復(fù)雜零件的加工受到限制以及我國缺乏大噸位水壓、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]。
 

                     圖4 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]見圖4。再如航空發(fā)動機(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，這些零件的制造過程費(fèi)時費(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)焊接方法無法修復(fù)的零件。
 

                       圖5 LENS技術(shù)修復(fù)的黑鷹戰(zhàn)機(jī)葉輪上的葉片

      圖5采用LENS技術(shù)修復(fù)的黑鷹直升機(jī)發(fā)動機(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損害（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)力無事故而通過測試。

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

                                       圖6 移動式零件修復(fù)醫(yī)院

     LENS技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的另一應(yīng)用就是“移動式零件修復(fù)醫(yī)院”。核心是采用LENS技術(shù)在戰(zhàn)場上進(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)過必要的處理后實(shí)現(xiàn)修復(fù)或者制造工作。圖6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)勢在于通過改進(jìn)送粉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零件中材料成分的實(shí)時連續(xù)變化，制造具有梯度成分材料的高性能零部件。
 

              圖7 采用LENS制造的先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)的三合金葉輪

     圖7為采用LENS技術(shù)制造的先進(jìn)渦輪發(fā)動機(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8 Ti6Al4V與γ-TiAl（Ti48Al2Cr2Nb）2種合金的冶金結(jié)合界面。可以看到2種材料之間的突然轉(zhuǎn)變，但是接合處組織細(xì)小、致密[16]。開發(fā)LENS技術(shù)相關(guān)設(shè)備的美國Optomech公司和德國通快公司分別開發(fā)了2種不同粉末的實(shí)時混合系統(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)時混合[18]。

            圖8 Ti6Al4V與γ-TiAl（Ti48Al2Cr2Nb）的連接界面

     我國在LENS技術(shù)領(lǐng)域的研究較早，取得的成果斐然。王華明等在國家863計劃等的支持下，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)行了定向生長高溫鈦合金熔鑄方法以及發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片熔鑄快速成形的應(yīng)用研究，為我國在該領(lǐng)域的應(yīng)用研究奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)[14]。

     黃衛(wèi)東等在973等國家以及航空領(lǐng)域項目的支持下，對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)動機(jī)渦輪盤和壓氣機(jī)整體葉盤的快速成形應(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家863、973計劃的支持下進(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)。

    未來發(fā)展趨勢

      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)用范圍在不斷地擴(kuò)大，目前的研發(fā)還沒有覆蓋所有可能的應(yīng)用領(lǐng)域；同時也進(jìn)一步闡明產(chǎn)品向個性化發(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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