高性能金屬構件的激光增材制造

高佳旺 譚樂 陳波 向娜 安渝黔

摘? 要：文章對激光增材制造的技術特點與類型進行分析，并探究當前該項技術的研究現狀，最后重點闡述金屬構件增材制造中面臨的材料問題，涉及到激光交互作用與利用、內部冶金缺陷形成與處理、內應力演化規律與開裂預防、非穩態循環固態相變行為等多個方面，力求通過文章研究，為現代工業高端裝備制造提供強有力的技術支持。

關鍵詞：高性能;金屬構件;激光增材

中圖分類號：TG665 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）15-0104-02

Abstract： This paper analyzes the technical characteristics and types of laser augmentation manufacturing， and probes into the current research status of this technology， and finally focuses on the material problems faced in metal component augmentation manufacturing. It involves many aspects， such as laser interaction and utilization， internal metallurgical defect formation and treatment， internal stress evolution and cracking prevention， unsteady cycle solid phase transformation behavior and so on， so as provide strong technical support for modern industrial high-end equipment manufacturing.

Keywords： high performance; metal components; laser reinforcement

引言

現階段，航空、船舶、石化等多個領域飛速發展，高端裝備也逐漸朝著高參數、大型化、高可靠性等方面發展，導致鈦合金、耐熱合金等核心構建的尺寸逐漸增加，結構日益復雜，對制造技術提出更高要求。在此背景下，激光增材制造（LAM）技術應運而生，成為現代工業制造的核心技術，對我國工業發展產生極大助力。

1 LAM技術特點與類型

1.1 技術特點

LAM技術以合金粉末為原料，在高功率激光熔化凝固后逐層堆積，從零件模型逐漸成為高性能、全密封的大型金屬結構，與以往制造技術相比，該項技術具備以下特點：一是金屬材料制備與復雜構件成型制造可融為一體，制造流程較短;二是零件的成分均勻、組織細密、可快速凝固，綜合性能較強;三是無需引入大型鍛造設備與配套設備，后續加工難度較小、工作量較少、投入成本較低;四是柔性較強，可對構件設計變化快速響應，使結構設計突破制造技術的制約;五是光束能量較大，可使許多難熔構件快速溶解，如Ta、Mo、Ti、W等;六是結合零件工作條件與服役要求，通過靈活改變沉積材料的化學成分，使金屬構件直接近凈成形。

1.2 主要類型

上世紀80年代，LAM原理由美國率先提出，從原型到快速工具，最后變為直接制造，該技術所應用的材料包括兩種類型，即金屬與非金屬，其中前者主要包括粉末與絲材、后者包括薄膜、液態樹脂等等。在制造過程中，可將粘結、燒結等制造原型樣件與電子束等熔化堆積，形成高性能的金屬構件。該技術的主要類型如下：（1）快速原型制造技術。該技術包括3D打印、熔融沉積、激光燒結等等，制造尺寸相對較小，包括紙張、石蠟、樹脂等構成的原型樣件，而“非致密”原件則由金屬粉末構成，此類原件不可直接應用到裝備制造之中，而是為新產品設計、評估和宣傳提供支持，具有縮短產品研發周期、節約研發成本、降低制造價格等作用。從上世紀80年代初開始，此項技術逐漸完善，近年來開始逐漸應用到教育、娛樂、文化創意等多個領域之中。（2）高性能金屬構件制造技術。該技術采用的是高功率激光束進行逐層熔化和堆積，適用于致密金屬零件制造中，該技術的研發難度相對較大，截止今日，世界上只有少數國家突破了小型構件激光制造技術，并且很少有國家能夠將構件激光制造直接應用到關鍵領域之中。對于金屬構件來說，增材制造成為其發展的主要方向[1]。

2 增材制造技術的研究進展

每次工業革命的開展都是國家工業實力的一次提升，是對發達國家的一次“趕超”。當前，新一代工業革命已經初露端倪，我國應積極提高國際競爭力，構建強大的新工業體系，促進國防工業的迅速發展。同時，在新科技的發展之下，生產制造逐漸朝著數字化、智能化的方向發展，引領著國防工業的主要發展潮流，對新技術提出更高要求，主要體現在效率與成本等方面。對于新技術來說，如何順著時代潮流決定著自身未來的發展情境，加強LAM技術的研究與利用，成為國防工業制造的重點話題，對制造能力的提升具有促進作用。

2.1 快速原型制造技術

自從上世紀90年代開始，我國各大院校便開始邁出研究步伐，主要體現在技術研究、設備研發與工業應用三個方面，其中西安交大主要從事光固化快速成形、陶瓷增材制造與裝備研究，并構建了專門的研究機構;華中科主要從事激光燒結、疊層制造等方面的研究，并取得突出進展;清華大學側重于融沉積造型研究，經過二十余年的不懈探索與努力，技術達到國際前沿，在航空航天、醫療衛生、軍工、汽車等多個領域得到廣泛應用。

2.2 金屬構件增材制造

在該項技術的研究中，以西北工業大學、北京航空航天大學為代表的625所高校致力于激光熔化沉積制造技術研究，并取得國際領先成果。近年來，華中科大、北京工業大學先后開展金屬激光精密成形技術研究，同樣取得突破性進展。值得注意的是，我國有625所高校在大型金屬構件激光增材方面的研究，做出國際先進研究工作。尤其是北航大學，該校與飛機工業集團等單位構建合作關系，走產學研相結合的道路，有效研究出高強度、高性能關鍵構件的激光熔沉積制造工藝，以及其他30余種鈦合金主承力構建，在多種類型飛機生產與研制中進行應用，有效突破飛機研制的技術障礙，使我國擁有國際唯一的激光成形主承力構建的飛機，通過不斷的鉆研與探索，使增材制造技術不斷更新優化，為中國制造增光添彩[2]。

3 激光增材制造面臨的材料基礎問題與解決

對于高性能金屬構件來說，經過激光掃描、搭接與熔化堆積后，形成“近凈成形”。從本質上來看，在此過程中材料中的激光與金屬相互作用，需要對材料物理與化學性能進行分析，使增材制造中面臨的瓶頸問題得到有效解決。

3.1 激光交互作用與利用

LAM技術通過吸收激光能量，對金屬粉末同步輸送，實現三維致密的成形制造。但是，制造效率較低，對LAM技術發展起到阻礙作用，將其應用到金屬激光逐層熔沉積制造之中，金屬的激光吸收率與金屬熔化量相同，只有提高激光吸收率，減少或消除無效能量，才可使激光熔化效率得到顯著提升。從實際來看，上述基本問題也是解決表面合金化、表面重熔等問題得以解決的關鍵所在。要想使上述問題得到解決，人們應對激光增材制造中金屬與激光的交互作用、激光能量吸收等進行深入分析，通過加大研究力度尋找激光能量的主導機制，使熱傳導因素得到有效控制，使激光吸收率得以提升，能量利用率與增材效率均得到進一步突破。

3.2 內部冶金缺陷形成與處理

對于高性能光束來說，長期做著循環運動，即掃描熔化、掃描搭接與凝固堆積，在增材制造方面，包括外部環境、工藝參數、熔體波動、軌跡變換等等，這些均可能在零件內部沉積層之間形成多種特殊冶金缺陷，對零件成形的內部質量、構件使用安全、力學特點起到一定影響。由此可見，對冶金缺陷的控制成為核心技術之一。要想使冶金缺陷得到彌補，激光增材技術得到有效控制，可對內部缺陷進行有效控制，可通過構建缺陷無損檢驗的方式來實現，使金屬構件實現工程化應用，還要對多種金屬材料體系進行深入研究，主要包括以下內容：（1）LAM技術應用下的冶金缺陷特點、形成原因與控制措施。（2）LAM技術特有的冶金缺陷在外部物理場所、理化相應行為、無損檢驗特性與方法等等。（3）LAM技術特有缺陷的微觀力學行為、力學性能規律、缺陷損傷容限等多種特征[3]。

3.3 內應力演化規律與開裂預防

在LAM技術應用過程中，涉及到物理、化學等多種反應，冶金現象較為復雜，成形耗費時間較長。在制造過程中，零件長期受到激光束的輻射，具有非穩態、劇烈、冷卻等特點。在強約束情況下，快速凝固收縮等現象較為明顯，在構件內部形成較強的盈利，在演化交互作用下，約束應力與交互力較強，使構件容易出現嚴重變形或者開裂等情況。由于對LAM技術的應用原理、變化規律等現象缺乏認識，導致國內外主要的研究對象始終未突破技術瓶頸，只適應于小型構件應用，而大型構件在內應力、變形開裂等方面存在較大難題。對此，要想對LAM技術中的內應力進行控制，有效預防“變形與開裂”現象發生，使幾何形狀精度得以提升，應通過研究以下基礎問題進行解決。

（1）在長期持續運行、非穩態、周期性作用下，構件的耦合行為，熱應力規律與激光增材之間具有緊密聯系。（2）周期性、冷卻狀態下材料的耦合行為、形成規律與控制形式。（3）在高溫梯度影響下，移動熔池的凝固收縮應力的形成原理與變化規律。（4）在LAM技術應用中，組織應力與收縮之間相互作用，在應力集中演化規律下出現的構件變形或者開裂等情況。

3.4 非穩態循環固態相變行為

在高性能零件制造時，通常會采用高強鋁合金、鈦合金等金屬材料，此類金屬的合金化程度較高，力學性能具有較強的多變性、復雜性特點，是金屬材料潛力挖掘的主要方法。在LAM技術應用過程中，從本質上來看，屬于逐點掃描、逐層搭接與堆積的過程，在增材制造時，構件的不同位置每層固體材料在后續沉積時，均會經歷較大的變化，此種微熱處理的冷卻速度較快、相變持續時間較長，與循環頻率之間具有正比關系，故而對增材工藝具有較大的依賴性。此外，在增材制造時循環固態相變行為也為特殊顯微組織性能的增強提供新機遇，在制造過程中，可將粘結、燒結等制造原型樣件與電子束等熔化堆積，形成高性能的金屬構件。對此，要想使大型構件的力學性能得到充分控制，對固態相變學的潛力進行挖掘，可在金屬激光制造過程中，對循環固態相變相關的基本問題進行深入探究，具體如下：（1）在LAM技術應用時，金屬的循環固態相變熱力學與動力學特點。（2）在LAM技術應用中，穩態循環固態相變生長行為、演化規律與顯微組織等特點。（3）在LAM技術應用中，高應力與高溫梯度耦合影響下，短時循環固態與顯微組織構成的機理。

4 結論

綜上所述，對于金屬構件來說，對其進行激光增材制造可實現材料制備與成形一體化目標。在制造過程中，可將粘結、燒結等制造原型樣件與電子束等熔化堆積，形成高性能的金屬構件，具有綠色環保、節能、數字化等特點，為現代工業高端裝備制造提供強有力的技術支持。

參考文獻：

[1]王華明.高性能大型金屬構件激光增材制造：若干材料基礎問題[J].航空學報，2018，35（10）：2690-2698.

[2]王華明，張述泉，王韜，等.激光增材制造高性能大型鈦合金構件凝固晶粒形態及顯微組織控制研究進展[J].西華大學學報：自然科學版，2018（4）：9-14.

[3]陳勇，陳輝，姜亦帥，等.高性能金屬材料激光增材制造應力變形調控研究現狀[J].材料工程，2019，47（11）：1-10.