一文讀懂：激光增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

增材制造技術(shù)是基于分層制造原理，采用材料逐層累加的方法，直接將數(shù)字化模型制造為實體零件的一 種新型制造技術(shù)。美國材料與試驗協(xié)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(jù)三維模型數(shù)據(jù)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。增材制造技術(shù)集成了數(shù)字化技術(shù)、制造技術(shù)、激光技術(shù)以及新材料技術(shù)等多個學(xué)科技術(shù)，可以直接將CAD數(shù)字模型快速而精密地制造成三維實體零件，實現(xiàn)真正的“自由制造”。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)具有柔性高、無模具、周期短、不受零件結(jié)構(gòu)和材料限制等一系列優(yōu)點，在航天航空、汽車、電子、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

增材制造技術(shù)已成為制造業(yè)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(rèn)為這項技術(shù)代表著制造業(yè)發(fā)展的新趨勢，被譽為有望成為“第三次工業(yè)革命”的代表性技術(shù)。激光增材制造（LAM）技術(shù)是一種以激光為能量源的增材制造技術(shù)，激光具有能量密度高的特點，可實現(xiàn)難加工金屬的制造，比如航空航天領(lǐng)域采用的鈦合金、高溫合金等，同時激光增材制造技術(shù)還具有不受零件結(jié)構(gòu)限制的優(yōu)點，可用于結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)所應(yīng)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，在航空航天領(lǐng)域中高性能復(fù)雜構(gòu)件和生物制造領(lǐng)域中多孔復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造具有顯著優(yōu)勢。 激光增材制造技術(shù)按照其成形原理進(jìn)行分類，最具代表性的為以粉床鋪粉為技術(shù)特征的激光選區(qū)熔化（ SLM）和以同步送粉為技術(shù)特征的激光金屬直接成形（ LMDF）技術(shù)。本文在闡述了這兩種典型的激光增材制造技術(shù)原理與特點的基礎(chǔ)上，著重歸納了這兩種技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，并探討了目前激光增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。

激光選區(qū)熔化技術(shù)的研究現(xiàn)狀
1 SLM技術(shù)的原理和特點
激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting， SLM）技術(shù)是利用高能量的激光束，按照預(yù)定的掃描路徑，掃描預(yù)先鋪覆好的金屬粉末將其完全熔化，再經(jīng)冷卻凝固后成形的一種技術(shù)。其技術(shù)原理如圖1所示。  

SLM技術(shù)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(xì)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(jīng)打磨、噴砂等簡單后處理即可達(dá)到使用精度要求。
（3）成形零件的力學(xué)性能良好，一般拉伸性能可超鑄件，達(dá)到鍛件水平。
（4）進(jìn)給速度較慢，導(dǎo)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(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
SLM技術(shù)實際上是在選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種激光增材制造技術(shù)。SLS技術(shù)最早由德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Deckard教授提出，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年德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的Meiners提出了基于金屬粉末熔凝的選區(qū)激光熔化技術(shù)構(gòu)思，并且在1999年與德國的Fockle和Schwarze一起研發(fā)了第一臺基于不銹鋼粉末的SLM成形設(shè)備，隨后許多國家的研究人員都對SLM技術(shù)展開了大量的研究。

目前，對SLM技術(shù)的研究主要集中在德國、美國、日本等國家，主要是針對SLM設(shè)備的制造和成形工藝兩方面展開。國外有許多專業(yè)生產(chǎn)SLM設(shè)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(chǎn)有性能優(yōu)越的SLM設(shè)備，目前德國EOS公司生產(chǎn)的EOS M400型SLM設(shè)備最大加工體積可達(dá)400mm×400mm×400mm。在中國對SLM設(shè)備的研究主要集中在高校，華中科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和華南理工大學(xué)等高校在SLM設(shè)備生產(chǎn)研發(fā)方面做了大量的研究工作，并且成功應(yīng)用，其中華中科技大學(xué)史玉升團隊以大尺寸激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備研究與應(yīng)用獲得 2011年國家技術(shù)發(fā) 明二等獎。但是國內(nèi)成熟的商業(yè)化設(shè)備依舊存在空白，目前國內(nèi)使用的SLM設(shè)備主要還是以國外的產(chǎn)品為主，這將是今后中國SLM技術(shù)發(fā)展的一個重點方向。 在SLM成形工藝方面，大量的研究機構(gòu)都對此進(jìn)行了深入研究。

白俄羅斯科學(xué)院的Tolcochko研究了在選區(qū)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(xué)的Meier研究了不銹鋼粉末在激光選區(qū)熔化成形的相對密度與工藝參數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)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(xù)，促進(jìn)致密化。英國利茲大學(xué)Badrossamay等對不銹鋼和工具鋼合金粉末進(jìn)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(zhì)量的影響。華中科技大學(xué)Shi等對SLM成形過程中熔池邊界對成形件性能的影響進(jìn)行了深入的研究，研究表明熔池邊界對成形件的力學(xué)性能尤其是延展性與韌性有很大的影響。華南理工大學(xué)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(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)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(xué)處理提高表面精度的方法。

近年來SLM技術(shù)發(fā)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(qū)熔化成形創(chuàng)新聯(lián)盟（NAMII），國防部、能源部、商務(wù)部、國家科學(xué)基金會（NSF）以及國防航空航天局（NASA）共同承諾向激光選區(qū)熔化成形試點聯(lián)盟投資4500萬美元，創(chuàng)新聯(lián)盟共包括40家企業(yè)、9個研究型大學(xué)、5個社區(qū)學(xué)院以及11個非營利機構(gòu)[18]。眾所周知的美國Boeing公司、Lockheed Martin公司、GE航空發(fā)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(xué)研究中心等大型公司、國家研究機構(gòu)以及我國的華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校也都對SLM技術(shù)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(shè)備與工藝技術(shù)制造出了噴氣式飛機專用的發(fā)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(shù)認(rèn)定為推動未來航空發(fā)動機發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。同時SLM技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用，西班牙的Salamanca大學(xué)利用澳大利亞科學(xué)協(xié)會研制的Arcam型 SLM設(shè)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(nèi)。西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)和華南理工大學(xué)是我國從事SLM技術(shù)研究較早較深入的科研單位，在SLM技術(shù)的研究中取得了許多可喜的成果，他們分別應(yīng)用SLM技術(shù)制造出了大量的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零件，如圖2（d）~（f）所示。

激光金屬直接成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1 LMDF技術(shù)的原理與特點
激光金屬直接成形（ LMDF）技術(shù)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(yù)定的加工路徑，將同步送給的金屬粉末進(jìn)行逐層熔化，快速凝固和逐層沉積，從而實現(xiàn)金屬零件的直接制造。通常情況下，激光金屬直接成形系統(tǒng)平臺包括：激光器、CNC數(shù)控工作臺、同軸送粉噴嘴、高精度可調(diào)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(shù)集成了激光熔覆技術(shù)和快速成形技術(shù)的優(yōu) 點，具有以下特點：
（1）無需模具，可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，但懸臂結(jié)構(gòu)需要添加相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)。
（2）成形尺寸不受限制，可實現(xiàn)大尺寸零件的 制造。
（3）可實現(xiàn)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(xiàn)快速修復(fù)。
（5）成形組織均勻，具有良好的力學(xué)性能，可實 現(xiàn)定向組織的制造。

2 LMDF技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
LMDF技術(shù)是在快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合同步送粉和激光熔覆技術(shù)發(fā)展起來的一項激光增材制造技術(shù)。LMDF技術(shù)起源于美國Sandai國家實驗室的激光近凈成形技術(shù)（  LENS） ，隨后在多個國際研究機構(gòu)快速發(fā)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（ DLF） ，斯坦福大學(xué)的形狀沉積制造（SDM），密西根大學(xué)的直接金屬沉積（ DMD） ，德國弗勞恩霍夫（Fraunhofer）激光技術(shù)研究所的激光金屬沉積（ LMD），中國西北工業(yè)大學(xué)的激光立體成形技術(shù)（ LSF） 等，雖然名稱各不相同，但是技術(shù)原理卻幾乎是一致的，都是基于同步送粉和激光熔覆技術(shù)。

目前，對于LMDF技術(shù)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(jìn)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(fù)雜，且其力學(xué)性能接近甚至超過傳統(tǒng)鍛造技術(shù)制造的零件。瑞士洛桑理工學(xué)院的Kurz等深入研究了激光快速成形工藝參數(shù)對成形過程穩(wěn)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(shù)應(yīng)用于單晶葉片的修復(fù)。

清華大學(xué)的鐘敏霖和寧國慶等在激光快速成形同軸送粉系統(tǒng)的研制及熔覆高度檢測及控制方面取得了研究進(jìn)展；西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東等通過對單層涂覆厚度、單道涂覆寬度、搭接率等主要參數(shù)進(jìn)行精確控制，獲得件內(nèi)部致密，表面質(zhì)量良好的成形件；西安交通大學(xué)的張安峰、李滌塵等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(shù)（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(zhì)量的影響規(guī)律，并優(yōu)化了工藝參數(shù)。

近年來，LMDF技術(shù)同樣也受到了許多國家的重視和大力發(fā)展，2013年歐洲空間局（ESA）提出了“以實現(xiàn)高技術(shù)金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)與零浪費為目標(biāo)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(wù)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(gòu)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(biāo)是快速生產(chǎn)大型零缺陷增材制造金屬零件，幾乎實現(xiàn)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(shù)研究所，我國的北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)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(jìn)實驗室開發(fā)出一種新的激光金屬直接成形技術(shù)，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(shù)，來生產(chǎn)Trent XWB-97（羅·羅研發(fā)的渦輪風(fēng)扇系列發(fā)動機）由鈦和鋁的合金構(gòu)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(xué)的王華明團隊也利用激光金屬直接成形技術(shù)制造出了大型飛機鈦合金主承力構(gòu)件加強框，如圖4（c）所示，并獲得了國家技術(shù)發(fā)明一等獎。西安交通大學(xué)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(shù)制造空心渦輪葉片方面的研究，并成功制備出了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片，如圖4（d）所示。

激光增材制造技術(shù)的 發(fā)展趨勢
1 設(shè)備方面
經(jīng)濟、高效的設(shè)備是激光增材制造技術(shù)廣泛推廣和發(fā)展的基礎(chǔ)[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(jīng)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(shè)備的價格也偏高，因此進(jìn)一步提高設(shè)備的加工效率同時降低設(shè)備的成本有著重要的意義。此外，激光增材制造設(shè)備還可以與傳統(tǒng)加工復(fù)合，例如德國DMG MORI旗下的Lasertec系列，整合了激光增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)切削技術(shù)，不僅可以制造出傳統(tǒng)工藝難以加工的復(fù)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(shù)來說，金屬粉末就是其原材料，金屬粉末的質(zhì)量會直接影響到成形零部件最終的質(zhì)量。然而，目前還沒有專門為激光增材制造生產(chǎn)的金屬粉末，現(xiàn)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(fā)的，基本都是使 用霧化工藝制造 。這類金屬粉末在生產(chǎn)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(dǎo)致在零件中出現(xiàn)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(xué)者的高度重視，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(fù)雜的物理、化學(xué)、冶金等過程，容易產(chǎn)生球化、孔隙、裂紋等缺陷，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(huán)固態(tài)相變，會在零件內(nèi)部產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力，容易導(dǎo)致零件嚴(yán)重變形開裂。進(jìn)一步優(yōu)化激光增材制造技術(shù)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(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律、變形開裂 行為及凝固組織形成規(guī)律以及內(nèi)部缺陷形成機理等關(guān)鍵基礎(chǔ)問題的研究，依然是今后的研究重點。

我國的激光增材制造技術(shù)起步較早，已經(jīng)取得了不少研究成果，但是仍然與國外存在一定的差距，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加大投入力度，加快研究進(jìn)展。激光增材制造技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，在今后的發(fā)展中應(yīng)該更注重“產(chǎn)、學(xué)、研”一體化發(fā)展，以市場需求為導(dǎo)向，制定出一系列工藝規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，并逐步解決關(guān)鍵的工藝問題，降低成本，使激光增材制造技術(shù)早日成為我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的一個重要工具。

編輯：南極熊
作者：楊 強，魯中良，黃福享，李滌塵 （西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室）