L-SS:大功率金屬激光熔覆-熔化-燒結成形制造平臺

江蘇永年激光技術有限公司 顏永年 張定軍 陳振東 荊 紅 黃曉峰

清華大學老科協(xié)先進制造技術項目部 張人佶 汪復興 盧清萍 程萌芊

在激光三維增材成形技術領域中，激光熔覆沉積成形——LCD*LCD即激光工程凈成形——LENS(Laser Engineering Net Shaping)，該技術在1999年被評為世界最有活力的25項高新技術之一。(Laser Cladding Deposition)和選擇性激光熔化成形——SLM(Selective Laser Melting)是最為重要的無偏析和高柔性金屬成形技術。LCD可將金屬熔滴沉積在任意界面，可完成尺寸大、重量重、高性能、高可靠性的金屬結構件，因而受到航空等高端制造界的青睞。SLM是三維打印家族中，在成形件的復雜程度方面，名列第一，可完成嵌套性、蜂窩性和三維曲線腔管性結構的成形。

LCD、SLM兩種成形工藝，根據(jù)CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))的原理，在一個主控計算機管理和控制系統(tǒng)的管控下，可以采用同一種激光器系統(tǒng) (同一個激光器件、冷水機、電源、控制器)以及同一套真空系統(tǒng)、惰性氣氛系統(tǒng)等，通過光纖和光閘“全功率分時”或“分功率同時”，傳輸給LCD的熔覆頭和SLM的振鏡，分時或同時完成激光熔覆和激光熔化工藝。根據(jù)微粒融化與微滴沉積的先后關系，可分為:“之前熔化”、“同時熔化”和“之后熔化”三類。

“之前熔化”:合金粉末微粒從離開噴嘴孔至熔池的沉降路徑上已被激光完全熔化 (也有部分熔化)，熔化的微滴進入熔池組裝成形，粉末先熔化后沉積組裝，屬LCD范疇，常見于同軸送粉LCD。

“同時熔化”:粉末微粒到達熔池的瞬間才即刻融化，也就是邊熔化成液態(tài)微滴邊沉積組裝，常見偏軸送粉LCD等。

“之后熔化”:激光根據(jù)掃描路徑對當前層粉末微粒——已舖在粉床上并被壓實的粉末微粒(已先沉積)進行聚焦熔化 (之后熔化)，功率足夠的激光束，完全熔化被聚焦的粉末微粒及已成形的上一層金屬實體的表層，使其熔為一體，冶金結合而成形，即SLM。“之后熔化”的另一種情況，被稱為選擇性激光燒結，即降低激光的功率，其僅能熔化被聚焦的金屬粉末微粒的表層，并與已成形金屬實體表層相冶金結合，類似粉末冶金燒結過程，從而得名選擇性激光燒結，即SLS——Selective Laser Sintering。

由于SLS與SLM具有相同的成形機理，僅激光功率大小不同。采用SLS與SLM一樣，可完成復雜的，其他工藝難以完成的嵌套性、蜂窩性、三維曲線腔管性結構，SLS適用于非金屬，SLM適用于金屬。本平臺將SLS也納入集成平臺系統(tǒng)，使其功能更強大，用途更廣泛。集成LCD、SLS、SLM形成一個統(tǒng)一的平臺，簡稱L-SS平臺，屬于國際首創(chuàng) (見圖1)。

大功率金屬激光熔覆-熔化-燒結成形制造平臺由“計算機集成管理-控制系統(tǒng)” (控制系統(tǒng))、“成形-修復子平臺”(簡稱子平臺)和“部件”所組成。控制系統(tǒng)由總控計算機 (總控PC)、激光PLC、SLM/SLS PLC(即熔化-燒結PLC)、熔覆-機器人PLC、機床PLC(包括三軸數(shù)控機床、臥式花盤車床、立式花盤臺架的PLC)、氣體凈化PLC(包括真空系統(tǒng)PLC)和LCD PLC(即激光熔覆沉積成形PLC)共七個控制子系統(tǒng)組成 (見圖2)。

圖1 LCD、SLM/SLS示意圖

圖2 計算機集成管理-控制系統(tǒng)框圖

子平臺有軸桿類子平臺、盤類子平臺、LCD子平臺、SLM子平臺和SLS子平臺，LCD和SLM子平臺共用一個惰性氣氛成形室以及相應的支持子系統(tǒng)。部件有激光器部件熔覆-機器人部件和氣體凈化 (包括真空系統(tǒng))部件。

本平臺采用先進碟片式激光器，保證了高質量、標準化、穩(wěn)定的激光束，恒定不變的發(fā)散角，采用光纖傳導外光路傳導系統(tǒng)、管路LCD送粉系統(tǒng)和SLM/SLS舖粉系統(tǒng)，為激光融覆-燒覆-燒結過程提供金屬粉末。LCD子平臺和SLM子平臺均安裝在密封的惰性氣氛加工室內，分別執(zhí)行LCD和SLM工藝，通過充入氬氣和氮氣排除密封加工室內的空氣，利用凈化系統(tǒng)去除加工室內的氧和水，使整個激光融覆-熔化過程處于惰性氣氛工作環(huán)境，減少氧化，保證質量。執(zhí)行SLM和LCD工藝時，激光束通過光導纖維分別傳輸給掃描振鏡系統(tǒng)和LCD熔覆頭，激光聚焦在粉床的粉面上熔化粉末，或聚焦已熔覆成形的界面上，而逐層堆積成形。通過CCD云臺攝像監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視觀察加工過程。

目前，我公司正在研發(fā)、設計制造一臺4000W和一臺10000W的L-SS平臺，其中4000W L-SS平臺為永年公司自己使用;另一臺10000W LSS平臺為某單位定制設備，已簽署訂購合同。預計兩臺設備于2014年8月份運行 (見圖3)。本平臺的可達到的技術指標為:

圖3 大功率激光金屬熔覆-熔化-燒結3D打印平臺系統(tǒng)三維示意圖

(1)LCD:①沉積速率16至320立方厘米/小時;②沉積速度:500到2400毫米/分鐘;③光束直徑 (光斑大小):0.5毫米到6毫米直徑;④層厚度:0.1毫米到1.6毫米;⑤硬度:完全硬化“淬火”;⑥粉末效率:40% ～80%(取決于產品);⑦激光功率:1000～4000W;⑧材料:不銹鋼、高強鋼、高溫合金、鈦合金、鋁合金、高碳鋼、結構鋼等。

(2)SLM/SLM:①成形空間:400mm×400mm×450mm(或根據(jù)用戶要求確定);②光束直徑 (光斑大小):0.5毫米到2毫米直徑;③成形精度:±0.1～0.2mm/100mm;④成形層厚:0.1mm～0.2mm;⑤激光功率:100～4000W;⑥材料:金屬材料——不銹鋼、高強鋼、高溫合金、鈦合金、鋁合金、高碳鋼、結構鋼等，非金屬材料——陶瓷、覆膜砂、生物材料等。

本平臺的應用范圍很廣，其中子平臺SLS/SLM屬“之后熔化”范疇，金屬微滴受到未熔化金屬微粒的支撐，從成形的角度分析，相當于熔化的金屬受到砂型的支撐——鑄造，這是復雜結構成形的前提;更為重要的是，這是一種微滴沉積過程中的實時的支撐，完全不需要預先制造砂型 (芯)，因而具有最大的制造柔性，可完成非常復雜的、精細的、表面粗糙度很低的 (如12.5級)各種合金材料結構，可用于各高端制造領域;SLM/SLS中間結構制造優(yōu)點是隨型冷卻流道發(fā)模具和發(fā)動機成形制造的利器。LCD屬本平臺將制造功能與修復功能統(tǒng)一起來，即通過金屬微滴在支撐結構或磨損的零件上沉積組裝，而完成成形制造和修復制造，適用的領域也很廣，如航空、核電、石油、軍工裝備、模具以及礦山和鋼鐵企業(yè)。

目前中國模具產量逐年上升，已達世界第一(見圖4)，全球超過40%的模具產品都是在中國制造。但模具平均壽命卻只有歐美產品的1/3，甚至更少。中國模具行業(yè)每年存在10億元左右的貿易逆差，如圖5所示，而且出口產品多為短壽命、低檔次模具，高質量模具嚴重依賴進口。3D打印技術是提高模具水平的核心和關鍵技術。國內外合金鋼模具壽命對比圖見圖6。硬質合金模具壽命對比圖見圖7。性能差距見表1。該表說明國外采用3D打印技術提升模具全面質量的情況。

從上述中國模具行業(yè)一般情況可看出，我國急需金屬3D打印技術和裝備，以提升模具水平。

圖4 中國模具產量逐年上升圖

圖5 中國模具行業(yè)貿易逆差圖

圖6 國內外合金鋼模具壽命對比圖

圖7 國內外硬質合金模具壽命對比

表1 采用3D打印技術提升模具質量對比表

L-SS平臺的LCD技術在航空航天制造領域同樣具有巨大的應用意義，航空航天高溫合金渦輪盤和葉片是航空、航天發(fā)動機中最重要的零部件，高溫合金渦輪盤、葉片屬高端結構件，采用LCD技術修復可獲得再制造的極佳效果。LCD修復和直接制造技術，修復制造高溫合金渦輪盤和葉片，具有最高的材料特性，最完整的修復性，最小的熱影響區(qū)，最高的性能質量，最小的原件損傷和最小的材料消耗。圖8是美國Optomec公司采用LENS(即LCD)技術修復的噴氣發(fā)動機鈦合金壓氣機渦輪盤。圖9為高溫合金渦輪盤。圖10為鈦合金整體渦輪盤的直接制造。圖11為該公司公布的發(fā)動機葉片。

圖8 鈦合金盤

圖9 高溫合金盤

圖10 鈦合金整體盤

圖11 葉片

采用LENS技術，完成航空合金結構件制造，可大量節(jié)省貴重合金材料，材料消耗減少90%左右，此外開發(fā)時間大幅縮短，特別是減少第一件制造時間，具有重大意義。LCD(LENS)技術經(jīng)14年的發(fā)展，不但精度大大提高，達到直接制造的水平，而且鈦合金件的尺寸已可達到3米水平。北京航空航天大學采用LCD技術完成C919大飛機翼肋，獲國家一等獎，見圖12;美國DM3D公司 (原名POM公司)采用LENS技術完成飛機翼肋，高度超過2米，見圖13;西北工業(yè)大學采用相同的LCD技術完成航天飛行器舵的一體化制造，圖14為熔復過程的照片。

圖12 C919大飛機翼肋 (中國)

圖13 DM3D大機肋(美國)

圖14 航天飛行器舵(中國)

由于LCD技術是基于金屬的“微粒熔化-微滴組裝”的直接制造原理，LCD技術具有極其光明的應用前景，采用LCD技術還可完成材料梯度結構成分的快速篩選 (Screening)，包括快速合金組分確定 (rapid alloy discovery)，MMC制造 (局部金屬或陶瓷制造。LCD技術與其他技術相比，是最節(jié)省合金材料的制造技術。

據(jù)調查，我國飛機制造企業(yè)，如沈陽黎明航空發(fā)動機 (集團)有限責任公司、江西洪都航空工業(yè)和集團有限責任公司、航宇救生裝備有限公司、陜西飛機工業(yè) (集團)有限公司、江西洪都航空工業(yè)股份有限公司、江西昌河航空工業(yè)有限公司、慶安集團有限公司、貴州黎陽機械廠、深圳市中集天達空港設備有限公司、貴州新藝機械廠，均希望采用LCD技術。

同時，鋼鐵企業(yè)的煉鋼、熱軋、冷軋、鍍鋅等生產過程中使用著大量的高載荷、低轉速、高合金的承載設備，其零部件在生產工況環(huán)境下服役，產生腐蝕、磨損和疲勞損傷或失效報廢，為鋼鐵生產中形成了最大的備件消耗，占據(jù)著很大的生產成本。據(jù)初步估算，全國鋼鐵行業(yè)每年僅各種軋鋼生產線上的重要零部件消耗達100億元。傳統(tǒng)辦法主要是更換這些設備零部件，甚至因零部件無法使用報廢或者更換整機，必須儲備大量的備件，占用巨額的資金、倉儲資源。同時，損傷失效和報廢的零部件或者整機基本上作為廢品處理，如此連鎖損失，造成了更大的浪費。本平臺之LCD技術是一種激光熔覆仿形修復技術，在鋼鐵行業(yè)用處極為廣泛。

采用LCD激光熔覆沉積技術，既能使失效或報廢設備及零部件重新使用，又可以使新品延長使用壽命，甚至可以多次修復。據(jù)調查，寶鋼、鞍鋼、本鋼、首鋼、武鋼、唐鋼、太鋼、攀鋼、包鋼，都對沉積技術非常感興趣，有的已從中受益。圖15、圖16和圖17分別為修復軋輥、表面硬化和輥件端部強化照片。從圖18可看出表面熔覆的細節(jié)。

圖15 修復軋輥

圖16 表面硬化

圖18 表面熔覆的細節(jié)

同樣本平臺也在應用于醫(yī)療器械中，鈦合金(Titanium Alloy)是生物相容極性好的合金，其蜂窩結構、輕量化結構、一體化結構，被大量用于醫(yī)療器械:支架置入體、蜂窩置入體，修復損傷骨組織，疏松骨組織，組織工程支架等。本平臺具有優(yōu)良的各類鈦合金成形和修復能力。圖19鈦合金胯關節(jié)，圖20鈦合金蜂窩顱骨支架，圖21鈦合金蜂窩置入體，圖22鈦合金蜂窩支架。

圖19 鈦合金胯關節(jié)圖

圖20 鈦合金蜂窩顱骨支架

圖21 鈦合金蜂窩置入

圖22 鈦合金 (Titanium)蜂窩支架