激光快速成形技術的研究現狀與發展趨勢

王靜 蔡清華 任維 趙萍

摘 要：激光快速成形技術成為目前以鈦合金為代表的金屬零件制造的重要手段，文章系統地介紹國內外該技術的研究縣長，指出了該技術在航空航天領域應用中存在的問題，對其發展趨勢給出了科學預測和對策。

關鍵詞：激光；快速成形；鈦合金

引言

激光快速成形技術產生于上個世紀八十年代，與傳統減式成形相比，由于其獨特的成形思路，靈活快捷的制造方法，能達到所想即所得。到九十年代，激光快速成形技術風行全世界。近幾年，以新型飛機機體、新一代大推重比航空發動機的研制為背景，由于激光快速成形技術在不需要大型加工設備和工裝的情況下，快速高效地制造出致密度較高的金屬零件，使得該項技術進入了一個新的發展階段。以鈦合金為代表的高溫合金在航空航天領域的諸多重要應用，使得鈦合金激光快速成形為新的研究熱點，這些重大技術需求有力地推動了金屬材料激光快速成形技術在航空航天重大工程中的應用[1-3]。同時，隨著技術的進步，一些對于金屬材料增量制造的技術難點，看起來也不是不可克服，這為以金屬材料為主的激光快速成形技術迎來了新的發展機遇。

我國在激光快速成形技術方面取得了不少成果。但是，與世界先進水平相比還有較大的差距。因此，研究其國內外的研究現狀和發展趨勢，對我國激光快速成形水平的提高具有重要的理論意義和實用價值。

文章論述了激光快速成形技術的研究現狀，指出了激光快速成形技術領域存在的問題，對該領域的發展趨勢進行了科學預測。

1 激光快速成形技術的現狀與發展

1.1 國外研究現狀

國外對于激光快速成形技術的研究最早開始于1979年，美國聯合技術公司利用高能束沉積多層金屬來獲得大體積金屬零件，可以看作是金屬零件激光增量制造技術的雛形。1982年他們把該項技術命名為“LAYERGLAZE”。九十年代中期，美國聯合技術公司與美國桑地亞國家實驗室合作開發了使用Nd：YAG固體激光器和同步粉末輸送系統的全新理念的激光工程化凈成形技術，成功的把同步送粉激光熔覆技術和選擇性激光燒結技術融合成先進的激光快速成形技術，使激光快速成形技術進入了嶄新發展階段[4]。

美國MTS公司創建的開發性子公司AeroMet公司的研究開發工作帶有更濃的商業色彩，主要研究方向為軍事和商業領域內航空鈦合金構件的激光快速成形技術，開發了如圖1所示的激光快速成形制造系統用于鈦合金構件的制造。成形的鈦合金構件主要是用于實際飛機上，構件達到近終形，公司的制造效率有了明顯的提高，其單層堆積厚度達到4 mm，單道堆積寬度達到13 mm，堆積速率達到10立方英寸/小時。2001年起開始為波音公司生產F/A-18E/F艦載聯合殲擊/攻擊機供應發動機艙推力拉梁。

美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室進行了不銹鋼、工具鋼、高溫合金、銅合金、鈦合金、難熔金屬、金屬間化合物等材料的直接成形研究，零件性能與常規方法制件的性能相當[5]。

加拿大渥太華大學的 Ehsan Toyserkani 等人建立一套帶有熔覆層厚度檢測系統的激光快速成形系統（如圖3所示），此系統集成了激光器、執行機構、檢測系統和閉環控制系統，實現高精度的激光快速制造和修復金屬零部件[6]。

圖3 渥太華大學研發的快速成形系統

英國的 Stork-gears 公司是最早也是國際上最知名的齒輪箱激光再制造企業，Stork 公司的研究工作者，開發了基于光纖激光器的激光快速成形系統（如圖3所示），此系統集成了了光纖激光器、同軸送粉系統、同軸 CCD 熔池檢測系統和機器人系統或者數控機床執行機構。

圖4 Stork-gears 公司研發的快速成形系統

此外，美國的利哈伊大學、克萊姆森大學、密蘇里-羅拉大學、俄亥俄州立大學和橡樹嶺國家實驗室，英國的伯明翰大學和利物浦大學，加拿大國家科學院集成制造技術研究所等國際上眾多的大學和研究所，也紛紛進行了激光快速成形技術研究，并都取得了一定的研究成果。

1.2 國內研究現狀

國內激光快速成形技術的研究始于20世紀80年代，雖然起步較晚，但是隨著激光加工技術的普及和人們對激光修復熱處理技術的了解，越來越多的大學、研究所和企業單位正逐漸意識到該項技術的巨大發展前景，紛紛開展了一些有意義的研究工作。

西北工業大學凝固技術國家重點實驗室黃衛東教授首先于1995年在快速原型技術的基礎上提出了激光立體成形技術的研究思路，由此展開了金屬零件激光增量制造系統研究[3]。1997年，西北工業大學凝固技術國家重點實驗室與北京航空工藝研究所聯合獲得航空基金重點項目的資助，開展了激光快速成形技術研究。在建立激光立體成形系統的同時，對不同工藝參數對成形特性的影響進行了深入細致的研究，獲得了形狀較為復雜的激光立體成形金屬零件，成形件外形規整，表面質量良好、無缺陷。

圖5 西北工業大學激光快速成形系統及產品

北京航空航天大學2005年以來激光快速成形TA15、TC4等多種鈦合金結構件，已實現在飛機上的裝機應用，零件材料利用率提高了5倍、制造周期縮短了2/3，制造成本降低了1/2以上[7]。

華中科技大學激光技術重點實驗室從 1984 年開始進行激光熔覆技術的研究與開發，在熔覆合金粉末設計、激光熔覆工藝和關鍵輔助設備等方面進行了大量的研究工作，在激光熔覆工藝與材料方面積累了豐富的經驗[6]。

沈陽大陸激光技術有限公司自 1998年創辦以來，就致力于激光熔覆技術和激光再制造產品的開發及其產業化應用， 逐步形成了自主知識產權體系和質量技術標準體系。目前，已先后對石化、電力、冶金等十幾個行業的幾十種產品進行了激光再制造，得到了二百多家企業的認可和信賴。

圖6 沈陽大陸激光的一些快速成形產品

清華大學激光加工研究中心在開展基于直接金屬沉積原理的激光快速柔性制造技術研究的基礎上，自行研制的 THPF21 型自動送粉器和 THCN23 型同軸送粉噴嘴，并用一臺 Marathon-MR1S 雙波長紅外測溫探頭來監測制造過程中的熔池溫度， 用具有瞄準功能的紅外探測頭來檢測并反饋控制零件熔覆高度的凹凸點，在國內率先進行了激光制造過程的實時檢測與閉環控制研究，提高了激光增量制造制造零件的精度，保證了制造過程的穩定性[3]。

2 激光快速成形技術存在的問題

在作為國家戰略的航空航天領域中，飛機、發動機、飛船、衛星等先進國防裝備中大量采用大型復雜整體鈦合金、高溫合金結構件（如航空發動機整體葉盤/葉片、飛機整體鈦合金隔框等）。現有的大型復雜整體鈦合金、高溫合金結構件均采用傳統鍛造與機械加工相結合的方法制造的，而我國尚不具備的大型與超大型工業基礎設施（如：4～10萬噸級水壓機、100噸米以上的超大自由鍛造設備等），且制造過程產生大量的切削廢料，造成材料的浪費，同時，加工制造周期長，成本居高不下。采用金屬零件激光快速成形技術可在無需重型或超重型鍛鑄工業基礎設施等的條件下，直接實現鈦合金、高溫合金等高性能“近終形”復雜零部件的無模快速成形制造。如采用激光快速成形技術得到的發動機葉片可縮短葉片制造周期2/3以上，降低制造成本1/2以上。在快速模具制造領域，激光快速成形技術可以采用客戶所希望的材料來制造零件，大幅度減少零件的交貨時間，降低新產品開發風險，有效地縮短了產品的研發周期。

但是激光快速成形技術在制造領域進一步的推廣應用仍然面臨一些技術瓶頸需要解決：即激光快速成形的結構件的疲勞強度、長期使用可靠性和質量一致性難以保證，結構件內部內應力的大小和分布、氣孔和裂紋缺陷難以控制或消除，激光增量制造的結構件缺乏檢測和技術標準，制造效率、質量和成本之間的關系較難協調等。此外，激光快速成形的結構件的性能與材料和成分密切相關，對于一些韌性較低的高溫鈦合金、高溫合金，通過激光快速成形技術得到的該類材料結構件的綜合力學性能等若達到使用要求還有不小的難度。由此可見，對于激光快速成形技術還缺乏對于材料問題以及材料與工藝的關系等基礎問題的研究，尚未找到材料、工藝和設備之間協調控制的方法，因此，亟需開展激光快速成形技術材料及其成形機理的研究，并開發適合相關工藝的成形裝備。

3 展望與對策

3.1 加快成形材料性能的研究。根據“Rapid Prototyping Report”對讀者的調查[8]，目前激光快速成形材料的性能大多不太理想，成形件的物理性能不能滿足功能性零件的要求，必須借助于轉換技術（即快速制模技術）才能生產出令人滿意的零件，這大大增加了過程的復雜程度，使成本、時間增加，而精度降低，因此開發和應用能夠直接成形滿足功能零件性能要求的材料將激光快速成形技術發展又一個重要方向。

3.2 加快高功率激光器的研究。激光快速成形技術的核心之一就是包括光纖激光器，半導體激光器等在內先進的大功率激光器，但目前，我們研發的快速成形設備所用激光器都是進口的，這樣，很容易被別人卡脖子，因此，加快高功率激光器的研究是我國激光快速成形技術發展的關鍵。

3.3 加快激光快速成形工藝的研究。激光快速成形工藝是激光快速成形技術能否得到應用的重點，也是重要的技術難點。通過快速成形過程分層路徑規劃和工藝參數調整等措施，可以解決增量制造零件的應力集中和變形問題。

4 結束語

激光快速成形技術作為一種新型制造技術，必將在幾十年來飛速發展的基礎上，不斷開發出新的成形工藝，成形材料及成形設備，現有的工藝也必將朝著精密化、低成本、高效率、標準化的方向發展，并將極大地提升飛機、發動機、汽車和船舶等重大國防和工業裝備的制造水平和研發生產能力，因此，意義重大。目前，金屬快速成形技術已經在國內外被廣泛關注， 并被應用于整體、大型、超長的結構構件，但我國對該技術的研究起步較晚，目前先進國防裝備中大量采用大型復雜整體鈦合金、高溫合金結構件仍然采用傳統的制造手段，因此，迫切需要我們加大在該領域的投入，加快加深該領域的核心技術問題的研究，解決目前存在的問題，使該技術盡快應用于重大裝備制造領域。

參考文獻

[1]王天明，金燁.快速成形技術概述及當前研究熱點[J].航空制造技術，2005 （6）：61-64.

[2]顏永年， 張人佶.快速成形技術國內外發展趨勢[J].電加工與模具，2001（1）：5-9.

[3]張凱，劉偉軍，尚曉峰，等.金屬零件激光直接快速成形技術的研究（下） [J]. 工具技術，2005，39（6）：3-6.

[4]張凱，劉偉軍，尚曉峰，等. 金屬零件激光直接快速成形技術的研究（上） [J]. 工具技術，2005，39（5）：3-9.

[5]胡曉冬，趙萬華，等.金屬直接成形技術的發展與展望[J].工具技術，2001，35（10）：3-6.

[6]王致堅，翟海波，劉宇，等.激光再制造技術及其應用[J].激光，2010，31（5）：35-37.

[7]王華明，李安，張凌云，等.激光熔化沉積快速成形TA15鈦合金的力學性能[J].航空制造技術，2008（7）：26-29.