增材快速成形與制造技術(shù)在高形狀復(fù)雜度、高功能復(fù)雜度零件的制造方面獨(dú)具特色，被認(rèn)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(yuǎn)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(fù)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(jìn)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(yīng)用前景,受到發(fā)達(dá)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(fù)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(diǎn)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(yán)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(jī)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(dú)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(jī)，運(yùn)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(jī)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。可用的成形材料有AISI316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(xué)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(xué)、Penn State大學(xué)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(dá)13mm和4mm，工作空間達(dá)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(xùn)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(xué)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(xué)性能控制等關(guān)鍵技術(shù)難題，加之成本過高，最終導(dǎo)致該公司關(guān)閉。 

       國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、有色金屬研究院、清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)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(xué)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(yīng)力離散控制”新方法，制造出的大型整體鈦合金飛機(jī)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(xué)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(fù)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(jī)。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(jìn)行，設(shè)備和運(yùn)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(diǎn)。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(xué)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(xì)小。國內(nèi)清華大學(xué)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(yīng)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(dá)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(dāng)；成形效率、材料和能量利用率高，設(shè)備投資和運(yùn)行成本遠(yuǎn)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(diǎn)，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(dǎo)線掃掠形成的空間掃掠式復(fù)雜結(jié)構(gòu)實體直接成形進(jìn)行研究，采用成形方向沿引導(dǎo)軸線切向且不斷變化的楔形切片方式進(jìn)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(fù)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(fù)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(yīng)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(qiáng)度較低，故需后續(xù)去粘結(jié)劑和浸滲低熔點(diǎn)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(fù)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(dá)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(yīng)，導(dǎo)致加工困難；形狀復(fù)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(fù)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(xué)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(jìn)行三軸銑削加工制造原型之外，荷蘭的Delf大學(xué)和韓國科技大學(xué)研究開發(fā)了分層實體制造和線切割結(jié)合的復(fù)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(fù)雜度的小型零件制造方面具有優(yōu)勢，但難以制造大型、復(fù)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(fù)雜度、大中型金屬零件方面獨(dú)具優(yōu)勢，但尚未有效解決帶懸臂等的復(fù)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(fù)雜形狀成形度，是擴(kuò)大該技術(shù)應(yīng)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(fù)雜的熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和機(jī)械約束應(yīng)力及強(qiáng)烈的非穩(wěn)態(tài)交互作用和應(yīng)力集中，容易導(dǎo)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(jìn)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(xué)、動力學(xué)、幾何學(xué)特點(diǎn)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(diǎn)，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(fù)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(diǎn)問題和工業(yè)實用化提供新的有效途徑。(end)