一年一度的亞洲3D打印、增材（cái）製（zhì）造展覽會即TCT亞洲展（zhǎn）於3月8日在上（shàng）海新國際博覽中心落下了帷幕（mù），全球範圍內的3D打印企業、學者齊聚一堂。3月的上海（hǎi）微風和（hé）煦，3D打印盛（shèng）事與百花齊放，這也與“中（zhōng）國製（zhì）造2025”這片肥沃土壤息（xī）息相關 。

 

　　2016年12月，在國（guó）務院（yuàn）印發的對“十三五”期間我國戰略性新興產業發展進行明確部署與安（ān）排的《“十三五”國家戰略性新興產業發展（zhǎn）規（guī）劃》中，增（zēng）材製造（zào）(3D打印)成（chéng）為了（le）推動製造業升級的重要技術之一。 早在2015年，李克強總（zǒng）理就加快發展先進製造與（yǔ）3D打印等問題主持了專題（tí）講座，並稱（chēng）：“3D打印是製造業有代表性的顛覆性技術。它改變了傳統製造的理念和模式，具有重大價值（zhí）。” 他認為工業製造是（shì）國民經濟的重要支柱，是實現發展升級（jí）的“國之重器（qì）”。而（ér）發展3D打印等前沿性製造技術，正是李克（kè）強總理（lǐ）關於打造製造（zào）強國、實現經濟轉型的重要一步。

 

　　而3D打印的（de）狂潮於2011年就已在國外掀起（qǐ）。2011年2月，英國《經濟學人》雜誌發表題為（wéi）《3D打印如（rú）何（hé）改變世界》的（de）封麵文章，文（wén）章認為3D打印技（jì）術將使（shǐ）單品製造（zào）幾乎和（hé）大規模生產（chǎn）一樣便宜（yí），影響堪與當年（nián）工廠的出現相提並論。

 

　　2012年4月，《經（jīng）濟學人》雜誌再登封麵（miàn）文章《第三次工業革命》，再次強調了3D打印技術（shù）的重要（yào）性。在此前後，《福布（bù）斯（sī）》、《紐約（yuē）時（shí）報》、《連線（xiàn）》等諸多西（xī）方主流媒體都先後在頭版鼓吹3D打（dǎ）印，就連擔任《連線》雜誌主編11年的克裏斯·安德森也按捺不住，選擇辭職，親自投身到3D打印領域進行創業。

 

　　目前（qián）3D打印已於（yú）汽車工業、醫學、航空（kōng）航天（tiān）等領域（yù）有著（zhe）重要應（yīng）用與突（tū）飛猛進的發展。而一個國家的（de）大型構件製造能力是工業重（chóng）大裝備製造的基礎（chǔ），體現了（le）國家（jiā）的工業（yè）綜合實力、競（jìng）爭力。本文就高性（xìng）能金屬結構件激光增材製造技術這一分枝進行（háng）詳細的介紹，包括（kuò）發展曆史與技術特（tè）點、難點，國外領先（xiān）企業產品（pǐn）與應用現狀等。

 

激光增材製造技術

 

　　增（zēng）材製造技術是製造技術原理的一次革命性突（tū）破，它形成了最能代表信息化時代特征的製造技術，即以信息技術為支撐，以柔性化的產品製造方（fāng）式最大限度地（dì）滿足無限豐富的個性（xìng）化需求。激光增材製造 (laser additive manufacturing，LAM) 技術是一種兼顧精確（què）成形和高性能成性需求的一（yī）體化製造技術。LAM技術包括以同步（bù）材料送進為主要技術特征的激光熔化沉積技術 (laser melting deposition，LMD)，和以粉末床為（wéi）主要技術特征的選區激光熔化技術 (selective laser melting，SLM)。

 

　　其（qí）中， 選區激光熔化技術可以（yǐ）實現力學性能優於鑄件的高複雜性構件的（de）直接製造，但（dàn）是通常成形尺寸較小，隻能進行單種材料（liào）的直（zhí）接成形，目前成熟的商用化裝備的成形尺寸一般小於300 mm。另外，選區激光（guāng）熔化技術的沉積效率（lǜ）要比激（jī）光熔化沉積（jī）技術低一個數量級，但（dàn）成形件的複雜性基（jī）本（běn）不受限製。

 

　　激光熔化沉積技術可以實現力學性能與鍛件相當的複（fù）雜高性能（néng）構（gòu）件的（de）高效率製（zhì）造，並且成形（xíng）尺（chǐ）寸基本不受（shòu）限製，同時激光熔化（huà）沉積技術所具有的同步材料送進特征，還可以實現同（tóng）一構件上多材（cái）料的任意複（fù）合和梯度結構製（zhì）造，便於進行新型合金設計，並可用於損傷（shāng）構件的（de）高性能成形修複。需要指出的是，以同步材料送（sòng）進為主要技術特征的激光熔化沉積技術還可方便地同傳統的加工技術（shù），如鍛造、鑄造、機械加工或電（diàn）化學加工等等材（cái）或減（jiǎn）材加工（gōng）技術相結合，充分發揮各種增材與（yǔ）等材及減材加工技術的優勢，形成金（jīn）屬結（jié）構件的整體高性能、高效率、低成（chéng）本成形和修複新技術。

 

　　下麵（miàn）就兩種（zhǒng）技術進行（háng）詳細的介紹。

 

選區激光熔（róng）化技術

 

　　選區激（jī）光熔化技術是在德克薩斯大學奧斯汀分校 (Universityof Texas at Austin)的 Deckard所（suǒ）發明的基於粉末床的選區激光燒結 (selective laser sintering，SLS)技術上發展起來的。1995，德國 Fraunhofer 應用（yòng）研究促進（jìn）協會ILT激光技術研究（jiū）所的Meiner等和日本大阪大學的 Abe 等為了解決選區激（jī）光燒結過程中粉末的連（lián）接強度（dù）不（bú）高的問題，提高材料致密（mì）度，提出了基於粉末激光熔凝的選（xuǎn）區激光熔化技術構思。不過受限於粉末在成（chéng）形過程中易出現的部分熔化現象，以及粉末在熔化後易發生的球化（huà）問題，選區激光熔化技（jì）術早期成（chéng）形構件的致密度（dù）和強度並不太高，直到2010年前後，隨著工藝的優化，金屬材料致密度顯著（zhe）提高，選區激光熔化技術才在有限的幾種典型（xíng）鈦合金（jīn）、高（gāo）溫合金、鋼、鋁合金材料致密度方麵（miàn）取得重要突破，並隨著選區激（jī）光熔化裝備的（de）快速商業化，開始應用（yòng）於（yú）醫學、汽（qì）車和航空領域。下圖為選區激（jī）光熔化係統的組成示意圖（tú）。

　　

 

　　由於（yú）選區激光熔化裝備是在選區激光燒結裝備的基礎上進行的進一步開發，因此（cǐ）目前（qián）的裝備成熟度較高。同（tóng）時，選區（qū）激光熔化過程中激光的束斑尺寸較小（xiǎo），粉末床易於構造（zào）支撐結構（gòu），因此成（chéng）形的構件複雜程度（dù）較高，而且表麵粗糙（cāo）度接（jiē）近鑄件。該技術的最大優點是可（kě）成形複雜形狀結（jié）構（gòu）零件，成（chéng）形精度（dù）和表麵光潔度較高。

 

　　目（mù）前美國（guó）材料與（yǔ）試驗協會（huì） (American Society for Testing andMaterials，ASTM)發布相關的增材製造標準大部分是針對（duì）選區激光熔化成形的。不過，目前選區激（jī）光熔化成形製（zhì）造構件的尺寸（cùn）較小，而且（qiě）粉末熔化易發生球化，使（shǐ）得目（mù）前選區激光熔化（huà）成形（xíng）的構件內部難以避免有一些微小孔洞，對其疲勞性能有一定損傷。由於選區激光熔化成形對工藝控製相對要求較為苛刻，目前適用於選區激光熔化成形的材料種（zhǒng）類（lèi）還較少。並且該技術的成形速（sù）率（lǜ）為2-30mm3/s，成形效率過低，這是該技術不適用於成形大型金屬構件的原因（yīn）之（zhī）一。另外，對於大型構件的選區激光熔化成形，由（yóu）於難以（yǐ）在粉末（mò）床（chuáng）中獲得均勻的溫度場，如何有（yǒu）效地控製應力分布（bù）和構件變形同樣是一個關鍵問（wèn）題。成形尺寸的增大（dà）還將導致未熔殘留粉末數（shù）量的急劇增加，因此，如何提高粉末（mò）的有效利用（yòng）率及再利用率也是一個必（bì）須解決的重要問題。

 

　　德國EOS公司在激（jī）光選區（qū）熔化成形技術研發方（fāng）麵處於（yú）世界領先地位，該公司最新EOS-M400設備可加工零件尺寸為 0.4m?0.4m?0.4m，且開發出的TC4合（hé）金的細粉末（mò）非常（cháng）適用於飛機發動（dòng）機等組件製造。另外兩家在該領域領先的公司（sī）分別是歐洲（zhōu）的MTT公司和 Concept Laser公（gōng）司。采用激光選區熔化成形技術生（shēng）產的鈦合金零部件，可以應用於飛機關鍵零部件的製造，零部件機械性能要優於鍛造材料。激光選區熔化成形技術整個（gè）過程包括工程設計、CAD、選區成形加工過（guò）程和（hé）後續的（de）熱處理。

 

　　美國航天局采用精密激光選區（qū）熔化成形技術製造了（le） 15.62cm 的火箭發動機微型噴射器，此前測試的同類噴射器由 115 個零件組成，而該噴射器僅由兩個零件組成（chéng），成本減少了（le）70% 以上，並且極大縮短了開發（fā）時間，測（cè）試表明（míng）該噴射器工作（zuò）正（zhèng）常。通用電氣公司在其 Leap 發動機中使用精密（mì）激光（guāng）選區熔化成形技術製造了燃油噴嘴（zuǐ），以（yǐ）取代傳統的由（yóu）20個單獨部分通過焊接或組裝而成的燃油噴（pēn）嘴，新零件的（de）重量減輕25%，GE公司在2015~2016年將精密激光選區熔（róng）化成形（xíng）技術應用於Leap 發動機的全（quán）部噴（pēn）嘴生產中，希望到 2020 年能夠具備每年生產40000個噴（pēn）嘴的能力。美國霍尼韋爾公司的航空航天部（bù）采用精密激光（guāng）選區（qū）熔化成形技術製造了熱交換器和金屬支架。美國聯合技術公司使用該技術製造了噴射發動機內壓縮機（jī）葉片，如下圖所示，並在康涅狄格大（dà）學成立了選區熔化成形研究中（zhōng）心。

 

　　在國外由於政（zhèng）府（fǔ）、國防機構、學術界、企業界等的高度重視，精密激光（guāng）選（xuǎn）區熔化成形技術獲得了快（kuài）速發展，已初步形（xíng）成了集裝備-材料-工藝-服（fú）務為一體的完整產（chǎn）業鏈條。

　　

 

激光熔化沉積技術（shù）

 

　　需要指出的是，相比於（yú）選區激光熔化技術，激光熔化沉積技術於20 世（shì）紀90年代在國際多個研究機構（gòu）相對獨立地發展起來（lái），並且被賦（fù）予了不同的名稱，如直接金屬沉積 (direct metal deposition，DMD)、激光固化 (laser consolidation，LC)、激光（guāng）金屬成形 (laser metal forming，LMF)、激光工程化淨成形 (laser engineered net shaping，LENSTM)、受控光製造 (directed light fabrication，DLF)、激光（guāng）成形 (laser forming，LF)、激光增材製（zhì）造 (laser additive manufacturing，LAM)、基（jī）於激光的（de）自由實（shí）體製造 (laser babsed free-form fabrication，LBFFF)、直接激（jī）光製造（zào） (direct laser fabrication，DLF)、形狀沉積製造 (shape deposition manufacturing，SDM)和激光快速成形 (laser rapid forming，LRF)等。這些技術名（míng）稱雖然不同，但（dàn）基本的技（jì）術原理卻是完全相同的，都可以稱之為激光3D打印。技術借鑒了快速原型技術“離散+堆積”的原理（lǐ），在零件CAD三維實體模型切片數據的指導下，通過高功（gōng）率激光（guāng）熔化同步輸送的金屬（shǔ）粉末並且在基材表麵熔化部分材料，兩者混合形（xíng）成熔池，激光束掃過後熔池發生快速凝（níng）固，從而沉積在已凝固（gù）的基材上，以此逐層堆積，最終得（dé）到（dào）三維零件。該技術能實現大型致密複雜結構金屬零件的快（kuài）速、無模具的近淨成形。激（jī）光熔化沉積技（jì）術示意圖如下圖（tú）所示。

　　

 

　　美國聯合技術（shù）公司(United TechnologiesCorporation)的Snow等針對高溫合金渦輪（lún）盤的製造難題，發展了同步送粉激光熔覆方法，采用激光熔化沉積方法（fǎ）製（zhì）造了徑向對（duì）稱鎳基高溫合金零件，並取得了相關專利。不過受限於（yú）當時的計（jì）算機技術水平，當時的激光增材製造技術還隻能製造一些板型件或回轉件。盡管如此，其初步的研究結果已經顯示出了激（jī）光增材（cái）製（zhì）造技術的光明前景。不過直到2000年，美國波音公司首先宣布采用激（jī）光熔（róng）化沉積技術製造的3個 Ti-6Al-4V 合金零件在F-22和F/A-l8E/F飛機上獲得應（yīng）用，才在全球掀起了金屬零件的直接增材製造的第一次熱潮。針對LSF技術（shù）的應用，美國汽車工程師協會 (Society of Automotive Engineers，SAE)在 2002 年製定了激光熔化沉積（jī）成形Ti-6Al-4V合金零件的美國航空材料規範（fàn）。該技術製備（bèi）的Ti-6Al-4V構件已成（chéng）功應用於洛（luò）克（kè）希德?馬丁公司生產（chǎn）的F-22戰鬥機大尺寸懸臂（bì）和波音公司生產的F/A-18E/F戰鬥機機翼拚接板。除進行零件的直接成形外，激光增材製造（zào）另（lìng）外一項重要應用是進行受損零件的修（xiū）複。Optomec Design公司將LENSTM技術用（yòng）於T700美國海軍飛機發（fā）動機零件的磨損修複，實現了已失效零件的快速、低成本再生製造。美國陸軍安尼斯頓部隊采用LENSTM技術對M1 Abrams坦克的燃氣渦輪（lún）發動機零件進行（háng）了修（xiū）複，每年節省費用500萬美元。在2012年西（xī）方國家提出“3D打印（yìn）將推動第三次（cì）工業革命”的論斷後，激光增（zēng）材製造技術製備金屬結構件在我國獲得了極大的發展並逐步實現（xiàn）產業化，相關報道（dào）與研究也逐年增加。

 

現狀與技術難點

 

　　目（mù）前，激光熔化沉積技術所（suǒ）應用的材料已（yǐ）涵蓋鈦合（hé）金、鎳基（jī）高溫合金、鐵基合金、鋁合金、難熔合金、非晶合金（jīn）以及梯度材料等。但目前鈦合金的激光熔化沉積技術最為成熟，其他合（hé）金激光熔化沉積技術的（de）成熟度遠不如鈦（tài）合金。同（tóng）時，激光熔（róng）化沉積過程中盡管成形效率（lǜ）高，但通常成形件的表麵較為（wéi）粗糙，需要進行進一步的加工。此外，激光熔（róng）化沉積過程中一般無支撐結構，同時（shí）所采用的激光（guāng）束斑尺寸較大，因此，成形（xíng）複雜程度與鑄件相比還有一定差距。特別是對於大型構件（jiàn）的激（jī）光熔化沉積，如何有效地控製內部應力分布和變形仍然是（shì）一個亟待解（jiě）決的（de）問題。