激光增材制造技術的研究現狀及發展趨勢*

楊 強，魯中良,2，黃福享，李滌塵

（1.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，西安 710049；2.先進航空發動機協同創新中心，北京 100191）

增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術是基于分層制造原理，采用材料逐層累加的方法，直接將數字化模型制造為實體零件的一種新型制造技術。美國材料與試驗協會（ASTM）F42國際委員會給出了增材制造的定義：增材制造是依據三維模型數據將材料連接制作成物體的過程，相對于減法制造，它通常是逐層累加的過程[1]。增材制造技術集成了數字化技術、制造技術、激光技術以及新材料技術等多個學科技術，可以直接將CAD數字模型快速而精密地制造成三維實體零件，實現真正的“自由制造”。與傳統制造技術相比，增材制造技術具有柔性高、無模具、周期短、不受零件結構和材料限制等一系列優點，在航天航空、汽車、電子、醫療、軍工等領域得到了廣泛應用[2-5]。增材制造技術已成為制造業的研究熱點，許多國家包括中國都對其展開了大量深入的研究，歐美更有專家認為這項技術代表著制造業發展的新趨勢，被譽為有望成為“第三次工業革命”的代表性技術[6-8]。

激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）技術是一種以激光為能量源的增材制造技術，激光具有能量密度高的特點，可實現難加工金屬的制造，比如航空航天領域采用的鈦合金、高溫合金等，同時激光增材制造技術還具有不受零件結構限制的優點，可用于結構復雜、難加工以及薄壁零件的加工制造。目前，激光增材制造技術所應用的材料已涵蓋鈦合金、高溫合金、鐵基合金、鋁合金、難熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等[9]，在航空航天領域中高性能復雜構件和生物制造領域中多孔復雜結構制造具有顯著優勢[10]。

激光增材制造技術按照其成形原理進行分類，最具代表性的為以粉床鋪粉為技術特征的激光選區熔化（Selective Laser Melting， SLM）和以同步送粉為技術特征的激光金屬直接成形（Laser Metal Direct Forming，LMDF）技術。本文在闡述了這兩種典型的激光增材制造技術原理與特點的基礎上，著重歸納了這兩種技術的發展和研究現狀，并探討了目前激光增材制造技術的發展趨勢。

激光選區熔化技術的研究現狀

1 SLM技術的原理和特點

激光選區熔化（Selective Laser Melting， SLM）技術是利用高能量的激光束，按照預定的掃描路徑，掃描預先鋪覆好的金屬粉末將其完全熔化，再經冷卻凝固后成形的一種技術。其技術原理如圖1所示。

SLM技術具有以下幾個特點：（1）成形原料一般為一種金屬粉末，主要包括不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦合金、鈷-鉻合金、高強鋁合金以及貴重金屬等。（2）采用細微聚焦光斑的激光束成形金屬零件，成形的零件精度較高，表面稍經打磨、噴砂等簡單后處理即可達到使用精度要求。（3）成形零件的力學性能良好，一般拉伸性能可超鑄件，達到鍛件水平。（4）進給速度較慢，導致成形效率較低，零件尺寸會受到鋪粉工作箱的限制，不適合制造大型的整體零件。

2 SLM技術的發展現狀

SLM技術實際上是在選區激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）技術基礎上發展起來的一種激光增材制造技術。SLS技術最早由德克薩斯大學奧斯汀分校（University of Texas at Austin）的Deckard教授[11]提出，但是在SLS成形過程中存在粉末連接強度較低的問題，為了解決這一問題，1995年德國弗勞恩霍夫（Fraunhofer）激光技術研究所的Meiners[12]提出了基于金屬粉末熔凝的選區激光熔化技術構思，并且在1999年與德國的Fockle和Schwarze一起研發了第一臺基于不銹鋼粉末的SLM成形設備，隨后許多國家的研究人員都對SLM技術展開了大量的研究。

目前，對SLM技術的研究主要集中在德國、美國、日本等國家，主要是針對SLM設備的制造和成形工藝兩方面展開。國外有許多專業生產SLM設備的公司，如美國的PHENIX、3D SYSTEM公司；德國的EOS、CONCEPT、SLM SOULITION 公司；日本的 MATSUUR、SODICK公司等，均生產有性能優越的SLM設備，目前德國EOS公司生產的EOS M400型SLM設備最大加工體積可達400mm×400mm×400mm。在中國對SLM設備的研究主要集中在高校，華中科技大學、西北工業大學和華南理工大學等高校在SLM設備生產研發方面做了大量的研究工作，并且成功應用，其中華中科技大學史玉升團隊以大尺寸激光選區燒結設備研究與應用獲得 2011年國家技術發明二等獎。但是國內成熟的商業化設備依舊存在空白，目前國內使用的SLM設備主要還是以國外的產品為主，這將是今后中國SLM技術發展的一個重點方向。

圖1 激光選區熔化技術原理圖Fig.1 Schematic diagram of SLM

在SLM成形工藝方面，大量的研究機構都對此進行了深入研究。白俄羅斯科學院的Tolcochko[13]研究了在選區激光熔化時金屬粉末球化形成的具體過程，指出金屬粉末的球化主要會形成碟形、杯形、球形3種典型的形狀，并分析了各自形成的機理。德國魯爾大學的Meier[14]研究了不銹鋼粉末在激光選區熔化成形的相對密度與工藝參數的關系，發現高的激光功率有利于成形出高密度的金屬零件，低的掃描速度有利于掃描線的連續，促進致密化。英國利茲大學Badrossamay等[15]對不銹鋼和工具鋼合金粉末進行了SLM研究，分析了掃描速率、激光功率和掃描間隔對成形件質量的影響。華中科技大學Shi等[16]對SLM成形過程中熔池邊界對成形件性能的影響進行了深入的研究，研究表明熔池邊界對成形件的力學性能尤其是延展性與韌性有很大的影響。華南理工大學楊永強等[17]對SLM成形金屬零件上表面的粗糙度影響因素進行了研究，發現成形件上的表面粗糙度主要受熔道寬度、掃描間距和鋪粉層厚3個因素的共同影響，并提出利用電化學處理提高表面精度的方法。

近年來SLM技術發展受到了許多國家的大力扶持，2012年美國國防部成立了國家選區熔化成形創新聯盟（NAMII），國防部、能源部、商務部、國家科學基金會（NSF）以及國防航空航天局（NASA）共同承諾向激光選區熔化成形試點聯盟投資4500萬美元，創新聯盟共包括40家企業、9個研究型大學、5個社區學院以及11個非營利機構[18]。眾所周知的美國Boeing公司、Lockheed Martin公司、GE航空發動機公司、Sandia國家實驗室和 Los Alomos國家實驗室均參與其中。此外，意大利AVIO公司、加拿大國家研究院、澳大利亞國家科學研究中心等大型公司、國家研究機構以及我國的華中科技大學、華南理工大學等高校也都對SLM技術開展了大量研究工作。

美國的GE公司于2012年收購了Morris Technologies公司，并且利用Morris 的SLM設備與工藝技術制造出了噴氣式飛機專用的發動機組件，如圖 2（a）、（b）所示，GE 公司明確地將激光增材制造技術認定為推動未來航空發動機發展的關鍵技術。同時SLM技術在醫學領域也有重要的應用，西班牙的Salamanca大學利用澳大利亞科學協會研制的Arcam型 SLM設備成功制造出了鈦合金胸骨與肋骨，如圖2（c）所示，并成功植入了罹患胸廓癌的患者體內。西北工業大學、華中科技大學和華南理工大學是我國從事SLM技術研究較早較深入的科研單位，在SLM技術的研究中取得了許多可喜的成果，他們分別應用SLM技術制造出了大量的具有復雜結構的金屬零件，如圖 2（d）～（f）所示。

圖2 SLM技術應用實例Fig.2 Application of SLM

激光金屬直接成形技術的研究現狀

1 LMDF技術的原理與特點

激光金屬直接成形（Laser Metal Direct Forming， LMDF）技術是利用快速原型制造的基本原理，以金屬粉末為原材料，采用高能量的激光作為能量源，按照預定的加工路徑，將同步送給的金屬粉末進行逐層熔化，快速凝固和逐層沉積，從而實現金屬零件的直接制造。通常情況下，激光金屬直接成形系統平臺包括：激光器、CNC數控工作臺、同軸送粉噴嘴、高精度可調送粉器及其他輔助裝置。其原理如圖3所示[19]。

激光金屬直接成形技術集成了激光熔覆技術和快速成形技術的優點，具有以下特點：（1）無需模具，可實現復雜結構的制造，但懸臂結構需要添加相應的支撐結構。（2）成形尺寸不受限制，可實現大尺寸零件的制造。（3）可實現不同材料的混合加工與制造梯度材料。（4）可對損傷零件實現快速修復。（5）成形組織均勻，具有良好的力學性能，可實現定向組織的制造。

2 LMDF技術的發展現狀

LMDF技術是在快速原型技術的基礎上結合同步送粉和激光熔覆技術發展起來的一項激光增材制造技術。LMDF技術起源于美國Sandai國家實驗室的激光近凈成形技術（Laser Engineered Net Shaping，LENS）[20]，隨后在多個國際研究機構快速發展起來，并且被賦予了很多不同的名稱，如美國Los Alamos國家實驗室的直接激光制造（Direct Laser Fabrication， DLF）[21]，斯坦福大學的形狀沉積制造（Shape Deposition Manufacturing，SDM）[22]，密西根大學的直接金屬沉積（Direct Metal Deposition， DMD）[23]，德國弗勞恩霍夫（Fraunhofer）激光技術研究所的激光金屬沉積（Laser Metal Deposition，LMD）[24]，中國西北工業大學的激光立體成形技術（Laser Solid Forming，LSF）[25]等，雖然名稱各不相同，但是技術原理卻幾乎是一致的，都是基于同步送粉和激光熔覆技術。

目前，對于LMDF技術的研究主要是針對成形工藝以及成形組織性能兩方面展開，美國的Sandai國家實驗室和Los Alomos國家實驗室針對鎳基高溫合金、不銹鋼、鈦合金等金屬材料進行了大量的激光金屬直接成形研究，所制造的金屬零件不僅形狀復雜，且其力學性能接近甚至超過傳統鍛造技術制造的零件[26]。瑞士洛桑理工學院的Kurz等[27]深入研究了激光快速成形工藝參數對成形過程穩定性，成形零件的精度控制，材料的顯微組織以及性能的影響，并將該技術應用于單晶葉片的修復。清華大學的鐘敏霖和寧國慶等[28]在激光快速成形同軸送粉系統的研制及熔覆高度檢測及控制方面取得了研究進展；西北工業大學的黃衛東等[29]通過對單層涂覆厚度、單道涂覆寬度、搭接率等主要參數進行精確控制，獲得件內部致密，表面質量良好的成形件；西安交通大學的張安峰、李滌塵等[19]研究了激光金屬直接成形DZ125L 高溫合金零件過程中不同工藝參數（如激光功率、掃描速度、送粉率、Z軸提升量等） 對單道熔覆層高度、寬度、寬高比和成形質量的影響規律，并優化了工藝參數。

近年來，LMDF技術同樣也受到了許多國家的重視和大力發展，2013年歐洲空間局（ESA）提出了“以實現高技術金屬產品的高效生產與零浪費為目標的增材制造項目”（AMAZE）計劃，該計劃于2013年1月正式啟動，匯集了法國Airbus公司、歐洲宇航防務集團（EADS）的Astrium公司、英國Rolls·Royce公司以及英國的Cranfield University和University of Birmingham等28家機構來共同從事激光金屬增材制造方面的研究，旨在將增材制造帶入金屬時代，其首要目標是快速生產大型零缺陷增材制造金屬零件，幾乎實現零浪費。與此同時，美國的Sandai國家實驗室、Los Alomos國家實驗室、GE公司以及美國國防航空航天局（NASA），德國的弗勞恩霍夫（Fraunhofer）激光技術研究所，我國的北京航空航天大學、西安交通大學、西北工業大學等也對LMDF展開深入的研究。

美國國防航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室開發出一種新的激光金屬直接成形技術，可在一個部件上混合打印多種金屬或合金，解決了長期以來飛行器尤其是航天器零部件制造中所面臨的一大難題——在同一零件的不同部位具有不同性能，如圖4（a）所示。英國的羅·羅（Rolls·Royce）公司計劃利用激光金屬直接成形技術，來生產Trent XWB-97（羅·羅研發的渦輪風扇系列發動機）由鈦和鋁的合金構成的前軸承座，其前軸承座包括48片機翼葉，直徑為1.5m，長度為0.5m，如圖4（b）所示。北京航空航天大學的王華明團隊也利用激光金屬直接成形技術制造出了大型飛機鈦合金主承力構件加強框，如圖4（c）所示，并獲得了國家技術發明一等獎。西安交通大學在國家“973項目”的資助下，展開了利用激光金屬直接成形技術制造空心渦輪葉片方面的研究，并成功制備出了具有復雜結構的空心渦輪葉片，如圖4（d）所示。

圖3 LMDF系統原理圖Fig.3 Schematic diagram of LMDF

圖4 LMDF技術應用實例Fig.4 Application of LMDF

激光增材制造技術的發展趨勢

1 設備方面

經濟、高效的設備是激光增材制造技術廣泛推廣和發展的基礎[30]，隨著目前大功率激光器的使用以及送粉效率的不斷提高，激光增材制造的加工效率已經有顯著的提高，但是對于大尺寸零件的制造效率依然偏低，而且激光增材制造設備的價格也偏高，因此進一步提高設備的加工效率同時降低設備的成本有著重要的意義。此外，激光增材制造設備還可以與傳統加工復合，例如德國DMG MORI旗下的Lasertec系列，整合了激光增材制造技術與傳統切削技術，不僅可以制造出傳統工藝難以加工的復雜形狀，還改善了激光金屬增材制造過程中存在的表面粗糙問題，提高了零件的精度。

2 材料方面

對于金屬材料激光增材制造技術來說，金屬粉末就是其原材料，金屬粉末的質量會直接影響到成形零部件最終的質量。然而，目前還沒有專門為激光增材制造生產的金屬粉末，現在激光增材制造工藝所使用的金屬粉末都是之前為等離子噴涂、真空等離子噴涂和高速氧燃料火焰噴涂等熱噴涂工藝開發的，基本都是使用霧化工藝制造[31]。這類金屬粉末在生產過程中可能會形成一些空心顆粒，將這些空心顆粒的金屬粉末用于激光增材制造時，會導致在零件中出現孔洞、裂紋等缺陷。在2015年3月美國奧蘭多舉辦的第七屆激光增材制造研討會上，激光增材制造用的金屬粉末成為本次會議的焦點議題，受到了與會專家、學者的高度重視[32]，因此激光增材制造使用的金屬粉末將成為今后的一個研究重點。

3 工藝方面

雖然目前對激光增材制造的工藝展開了大量研究，但是在零件的成形過程中依然存在許多問題。在SLM成形過程中伴隨著復雜的物理、化學、冶金等過程，容易產生球化、孔隙、裂紋等缺陷[33]，在LMDF成形過程中隨著高能激光束長時間周期性劇烈加熱和冷卻、移動熔池在池底強約束下的快速凝固收縮及其伴生的短時非平衡循環固態相變，會在零件內部產生極大的內應力，容易導致零件嚴重變形開裂[34]。進一步優化激光增材制造技術的工藝，克服成形過程中的缺陷，加強對激光增材制造過程中零件內應力演化規律、變形開裂行為及凝固組織形成規律以及內部缺陷形成機理等關鍵基礎問題的研究[35]，依然是今后的研究重點。

結束語

我國的激光增材制造技術起步較早，已經取得了不少研究成果，但是仍然與國外存在一定的差距，應當進一步加大投入力度，加快研究進展。激光增材制造技術作為一種新興的技術，在今后的發展中應該更注重“產、學、研”一體化發展，以市場需求為導向，制定出一系列工藝規范與標準，并逐步解決關鍵的工藝問題，降低成本，使激光增材制造技術早日成為我國產業轉型的一個重要工具。

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