金屬材料增材制造研究與應用

樂方賓，葉 寒，劉 勇

(江西省輕質高強結構材料重點實驗室/南昌大學，330031，南昌)

0 引言

根據美國材料與試驗協會(American Society for Testing and Materials, ASTM)對增材制造(Additive Manufacturing, AM)的定義，增材制造是一種通過零件的三維模型數據一層一層的結合材料成形，與傳統減材制造完全相反的一種制造方法[1]。增材制造技術通過計算機輔助設計技術(Computer Aided Design, CAD)將零件的三維模型進行切片分層，離散為一層一層的二維模型數據，采用高能熱源(如激光、電子束、電弧等)將材料逐層熔融堆積成形，實現快速制造出具有復雜幾何形狀的零件。這項技術打破了傳統制造技術的局限性，可在短期內制造出傳統制造技術難以實現的零件，也為設計人員提供了全新的零件設計思路。

早期的增材制造技術主要應用于快速原型制造領域，材料主要是樹脂和塑料。金屬增材制造(Metal Additive Manufacturing, MAM)技術在近年來得到快速發展，已經成為增材制造中最具代表性的技術，德國、美國、中國等許多國家都對其展開了大量的研究[2]。目前該技術在醫療，航空航天領域等都表現出巨大的潛能，在特定應用領域該技術已顛覆了傳統加工工藝[3-6]。金屬增材制造技術按工藝方法可以分為粉末床熔融(Power Bed Fusion, PBF)和直接能量沉積(Directed Energy Deposition, DED)兩大類。粉末床熔融工藝以選區激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)和電子束熔化成形(Electron Beam Melting, EBM)為代表，應用最為廣泛。直接能量沉積則包括激光金屬沉積(Laser Metal Deposition, LMD)和電弧增材制造(Wire+Arc Additive Manufacturing, WAAM)。本文主要根據工藝方法的不同介紹了金屬增材制造技術的種類和實際應用情況，并對該技術存在的問題以及面臨的挑戰進行了探討。

1 金屬增材制造技術種類及應用

1.1 粉末床熔融工藝(PBF)

PBF工藝簡而言之就是將金屬粉末平鋪到基板上進行熔融成形[7]，使用的金屬粉末尺寸在20～100 μm之間。PBF工藝主要包括SLM和EBM。PBF工藝的特點是具有較高的成形精度，并且成形所需要的時間與零件復雜程度無關，與零件體積成正比。以下幾項是構成PBF工藝的重要元素[8]。

能量源(熱源)：激光束或者電子束，提供能量將粉末顆粒熔融。

掃描裝置：控制熱源在粉末床以設定好的路徑精確移動。

送粉裝置和刮刀：用于添加粉末，將粉末鋪平。

成型缸：在每一層掃描完成后，控制床體下降，方便下一層粉末鋪平。

封閉的成型腔：保證成形過程中的氣體氛圍，防止粉末熔化過程中與氣體發生反應。

1.1.1 選區激光熔化(SLM) SLM是一種典型的PBF增材制造技術，其利用高能激光束，按預定的掃描路徑，掃描速度，將鋪好的金屬粉末層快速熔化再快速冷卻凝固成形[9]。其成形過程主要分為3步，首先電機控制成形缸下降，粉料缸上升，而后刮刀將粉末均勻的鋪在成形缸上，最后激光根據CAD設計好的路徑進行選擇性掃描熔化粉末凝固成形。每一層都重復該過程，直到成形完成，圖1是SLM成形過程示意圖[10]。

SLM鋪粉層厚在10～100 μm，為獲得更好的表面質量和成形精度一般選擇30 μm[9]。SLM并不會將成形缸內所用粉末全部熔化，剩余粉末經篩除大顆粒燒結雜質可重新使用。激光熔化材料使其膨脹，激光頭移動后材料快速冷卻凝固收縮，在零件內部產生較大的殘余應力，過大的殘余應力會使零件開裂失效[11]。為減少殘余應力，對基板進行預熱，成形完成后對零件進行熱處理消除殘余應力也是必要的。

圖1 SLM成形過程示意圖

SLM成形件性能良好，拉伸性能可超過鑄件，達到鍛件水平，成形精度高，適合汽車、醫療、航空航天等領域的應用。近年來國內外對SLM技術的研究及應用不斷拓展與深入。美國航天公司SpaceX開發載人航天飛船Super Draco過程中使用SLM技術制造了載人航天飛船引擎，如圖2(a)[12]，很好地解決了引擎冷卻道、噴射頭、節流閥等復雜結構的制造問題。圖2(b)是美國GE航空公司使用SLM技術制造的燃油噴嘴，重量減輕25%，強度提高了約5倍[13]。比利時航空航天公司ASCO使用SLM技術制造大型鵝頸支架，經優化設計在保證承載載荷滿足條件整體重量減小31%[14]。利用SLM技術制造汽車金屬零件，在降低成本、縮短周期、提高工作效率、生產復雜零件等方面優勢明顯。SLM技術還適用于制造個性化定制的人體植入物，如牙齒，骨植入體等，如圖2(c)[12]。

(a)載人飛船Super Draco引擎；(b)燃油噴嘴；(c)牙齒和人體植入物

1.1.2 電子束熔化成形(EBM) EBM的原理與SLM類似，主要區別在于熱源不同：EBM采用電子束代替激光作為熱源熔化金屬粉末。激光容易被金屬反射，而電子束的能量更容易被金屬吸收，粉末熔化時形成的熔池溫度也高，因此EBM適用于高熔點材料，如高熔點陶瓷[15]。與SLM相比EBM掃描速度更快[16]，但也導致EBM成形件表面質量不如SLM。EBM制造過程中為避免氣體對電子束的干擾，需在真空條件下進行。成形過程中存在高壓放電，會產生較強的X射線，EBM在成形過程中也會產生較大的殘余應力。這些條件阻礙了EBM技術的發展和應用，導致EBM技術遠沒有SLM技術應用廣泛。

1.2 直接能量沉積(DED)

DED是將熱源(激光或者電弧)直接聚焦在基材和金屬材料(金屬絲或粉末)上熔化，熔化的金屬材料沉積到基材上與基材融合后冷卻凝固。DED主要包括LMD和WAAM。DED不依賴成形缸，且與粉末床熔融工藝相比，具有更高的沉積速率，成形尺寸不受成型倉尺寸限制，能夠進行大型金屬件制造。DED不僅能夠進行零件的制造，還能對損壞零件進行修復[17]。

1.2.1 激光金屬沉積(LMD) LMD技術以激光為熱源，以金屬粉末或者金屬絲為加工原材料。LMD使用的金屬粉末粒徑較大，約150 μm。其工作原理如圖3，粉末材料從噴嘴中被保護氣噴出，在激光焦點處受熱熔化形成熔池，保護氣包圍著熔池，在激光向前移動，熔池冷卻凝固與基材結合[18]。零件成形后不需進行后續的加工或者僅需少量處理就能滿足使用要求。這是一項依托于新的制造技術，模擬分析和機械自動化等科技成果上發展而來的。相比SLM技術，LMD技術成形過程接近近凈成型，材料利用率達 90%以上[19]。LMD成形過程中激光頭可靈活移動，從而為增加設計自由度和生產大型金屬結構件打開了大門。LMD沉積單層層厚可達 1 mm，沉積速率可達0.5 kg/h，且具有非常大的活動范圍，但成形精度較低，表面質量較差[20]。

圖3 激光金屬沉積示意圖

基于這一技術的諸多優點，國外發達國家在20世紀70年代就開始了該技術的研究和應用，如今在很多方面已經取得了巨大成就。歐洲Airbus公司A300機型和A350XWB機型使用LMD技術制造的一些支架類零件可以減重30%～50%，節省了大量的材料[21]。英國Rolls Royce公司使用LMD技術，生產Trent XWB-97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1.5 m，長度為0.5 m，如圖4(a)[22]。國內LMD技術雖起步較晚，但我國LMD技術具有巨大的潛力。西安鉑力特增材制造技術公司使用LMD技術，為國產大飛機C919制造了一根長達3 m的大型鈦合金中央翼緣條，如圖4(b)[23]。北京航空航天大學的王華明團隊也利用LMD技術制造了大型飛機鈦合金主承力構件加強框，如圖4(c)[22]，并獲得國家技術發明一等獎。

(a)Rolls-Royce Trent XWB-97前軸承座及機翼葉；(b)C919中央翼緣條；(c)鈦合金承力構件框

1.2.2 電弧增材制造(WAAM) WAAM原理與LMD類似，使用電弧作為熱源。通過機械臂或機床結構控制能量頭的移動，具有極大的靈活性，且允許多個機器臂同時工作，進一步加大工作范圍。此外WAAM的沉積速率高達10 kg/h，為大型零件的制造提供了可能[24]。然而高的沉積速率帶來的影響是成形件精度較低，無法制造具有復雜結構的零件。WAAM成形完成后往往還需要進一步的機械加工才能夠滿足使用條件。由于電弧產生的高熱量，成形過程中產生的殘余應力往往使得零件變形扭曲，加工過程中需要對殘余應力進行控制。WAAM能減少制造大型零件的時間和成本，并且保證機械性能的穩定。歐洲Glenalmond Technologies公司使用WAAM技術成功生產出全尺寸鈦合金壓力容器原型，該容器高1 m，重8.5 kg，如圖5[25]。相比傳統制造方法，每個容器節約了200 kg的鈦合金。

圖5 WAAM制造鈦合金壓力容器

2 面臨的挑戰

盡管金屬增材制造具有很多優點，如零件設計自由，快速響應，可制造復雜結構件等。但仍存在一些不足之處，阻礙了金屬增材制造技術的推廣應用。目前金屬增材制造大規模應用所面臨的主要挑戰有原材料成本太高，材料的限制，成形件組織不均勻，存在缺陷，機械性能的各向異性。

金屬增材制造使用的金屬粉末會直接影響成形件的性能，目前國內使用的金屬粉末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[26]。這種工藝生產出來的粉末價格高昂，而且在生產過程中會產生空心顆粒。這些空心顆粒用于金屬增材制造會使成形件出現裂紋，孔洞等缺陷，嚴重影響力學性能。因此研發價格低廉，高性能的金屬粉末將會是金屬增材制造研究的一個重點。目前已開發的可用于增材制造的金屬材料仍是有限的，這些材料包括鋁合金,鈦合金，鎳基合金，鋼等[27]，其它金屬材料正在開發當中。材料的有限限制了該技術在某些領域的應用，故開發新的材料是有必要的。

金屬增材制造成形過程中包含著復雜的物理、化學變化以及物理冶金過程，還伴隨著復雜的形變過程，容易產生球化、孔隙和裂紋等缺陷，如圖6(a)和圖6(b)[27]。在一層一層融合過程中，熱源會對前一層重新加熱，形成獨特溫度場導致微觀組織不均勻，結構存在各向異性，如圖6(c)[28]。如何優化工藝，對成形過程形成的微觀組織進行有效調控，從而得到理想的性能，仍是金屬增材制造研究的重點。

(a)孔洞；(b)微裂紋；(c)組織不均勻

近年來，后處理工藝如熱處理和表面技術不斷被用于改善增材制造金屬成形件的顯微組織和力學性能。改進傳統熱處理工藝應用到增材制造成形件，可以一定程度上改善增材制造成形件的殘余應力與缺陷等[29]，但熱處理過程中往往伴隨著晶粒粗化，將削弱增材制造本身細小晶粒對材料的強化作用。此外，增材制造成形件熱處理溫度高，耗時長，效率低，針對增材制造成形件的熱處理工藝標準目前尚未建立，傳統的熱處理技術并不完全適用于增材制造成形件，選擇不當將降低材料的力學性能[30]。增材制造表面后處理工藝，近年來不斷得到應用與改進。美國最早開發了軋制微鍛造技術，華中科技大學采用滾壓微鍛造技術對增材制造成形件施加高壓力，產生塑性變形改善組織與性能[31]。南華大學等[32]采用高頻沖擊改善金屬成形件組織和性能。但是軋制微鍛造、滾壓微鍛造、高頻沖擊技術等加入的滾壓頭或沖擊頭只能對成形件表層定向施加壓力，可針對規則形狀結構相對簡單的成形件，而難以處理結構復雜的成形件，無法滿足增材制造金屬成形件的后處理工藝需求。改善增材制造金屬成形件微觀組織和力學性能的后處理工藝和專用裝備研發，也是制造高性能增材制造金屬制件未來的發展方向之一。

3 結束語

現今，工業領域發展競爭激烈，金屬增材制造技術可以縮短交貨時間，降低成本，正受到業界內外的廣泛關注。金屬增材制造工藝不同，所適用的零件不同。例如SLM成本高，適合生產精度高且復雜的零件。LMD和WAAM成本低，生產速率高，可用于大型零件的制造，雖然精度低需要二次加工。增材制造要正式投入工業應用中，需要保證其生產的零件具有可靠的性能，已有大量的研究進行了相關的實驗測試，證明滿足拉伸，疲勞，韌性等性能要求。

隨著增材制造技術的逐漸完善，這一新型加工制造技術正在以一個較快的發展速度向前發展，客觀的來說這一加工技術的成熟度要遠遠落后于傳統的鑄、焊、鍛、粉末冶金等制造技術，不論是在最終功能零件的組織與性能控制，還是最終的成形精度和可用的成形專用合金體系和后處理工藝等方面均存在較大差距。但隨著更多人力物力的大量投入，這一差距會逐漸減小。尤其是近些年，全球均在這一技術的開發應用上投入了大量的資金，加上飛速發展的科學技術，增材制造技術在生產速度、原材料利用率等方面已取得了較大的進步。隨著金屬增材制造標準的建立與完善，更多的專門應用于增材制造的合金粉末的開發和針對增材制造成形件后處理工藝及專用裝備的研發，增材制造技術的應用將會變得更加廣泛，在不久的將來會實現從傳統制造方法到增材制造的快速轉變。