高性能金属构件的激光增材制造

高佳旺 谭乐 陈波 向娜 安渝黔

摘  要：文章对激光增材制造的技术特点与类型进行分析，并探究当前该项技术的研究现状，最后重点阐述金属构件增材制造中面临的材料问题，涉及到激光交互作用与利用、内部冶金缺陷形成与处理、内应力演化规律与开裂预防、非稳态循环固态相变行为等多个方面，力求通过文章研究，为现代工业高端装备制造提供强有力的技术支持。

关键词：高性能;金属构件;激光增材

中图分类号：TG665 文献标志码：A 文章编号：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

現阶段，航空、船舶、石化等多个领域飞速发展，高端装备也逐渐朝着高参数、大型化、高可靠性等方面发展，导致钛合金、耐热合金等核心构建的尺寸逐渐增加，结构日益复杂，对制造技术提出更高要求。在此背景下，激光增材制造（LAM）技术应运而生，成为现代工业制造的核心技术，对我国工业发展产生极大助力。

1 LAM技术特点与类型

1.1 技术特点

LAM技术以合金粉末为原料，在高功率激光熔化凝固后逐层堆积，从零件模型逐渐成为高性能、全密封的大型金属结构，与以往制造技术相比，该项技术具备以下特点：一是金属材料制备与复杂构件成型制造可融为一体，制造流程较短;二是零件的成分均匀、组织细密、可快速凝固，综合性能较强;三是无需引入大型锻造设备与配套设备，后续加工难度较小、工作量较少、投入成本较低;四是柔性较强，可对构件设计变化快速响应，使结构设计突破制造技术的制约;五是光束能量较大，可使许多难熔构件快速溶解，如Ta、Mo、Ti、W等;六是结合零件工作条件与服役要求，通过灵活改变沉积材料的化学成分，使金属构件直接近净成形。

1.2 主要类型

上世纪80年代，LAM原理由美国率先提出，从原型到快速工具，最后变为直接制造，该技术所应用的材料包括两种类型，即金属与非金属，其中前者主要包括粉末与丝材、后者包括薄膜、液态树脂等等。在制造过程中，可将粘结、烧结等制造原型样件与电子束等熔化堆积，形成高性能的金属构件。该技术的主要类型如下：（1）快速原型制造技术。该技术包括3D打印、熔融沉积、激光烧结等等，制造尺寸相对较小，包括纸张、石蜡、树脂等构成的原型样件，而“非致密”原件则由金属粉末构成，此类原件不可直接应用到装备制造之中，而是为新产品设计、评估和宣传提供支持，具有缩短产品研发周期、节约研发成本、降低制造价格等作用。从上世纪80年代初开始，此项技术逐渐完善，近年来开始逐渐应用到教育、娱乐、文化创意等多个领域之中。（2）高性能金属构件制造技术。该技术采用的是高功率激光束进行逐层熔化和堆积，适用于致密金属零件制造中，该技术的研发难度相对较大，截止今日，世界上只有少数国家突破了小型构件激光制造技术，并且很少有国家能够将构件激光制造直接应用到关键领域之中。对于金属构件来说，增材制造成为其发展的主要方向[1]。

2 增材制造技术的研究进展

每次工业革命的开展都是国家工业实力的一次提升，是对发达国家的一次“赶超”。当前，新一代工业革命已经初露端倪，我国应积极提高国际竞争力，构建强大的新工业体系，促进国防工业的迅速发展。同时，在新科技的发展之下，生产制造逐渐朝着数字化、智能化的方向发展，引领着国防工业的主要发展潮流，对新技术提出更高要求，主要体现在效率与成本等方面。对于新技术来说，如何顺着时代潮流决定着自身未来的发展情境，加强LAM技术的研究与利用，成为国防工业制造的重点话题，对制造能力的提升具有促进作用。

2.1 快速原型制造技术

自从上世纪90年代开始，我国各大院校便开始迈出研究步伐，主要体现在技术研究、设备研发与工业应用三个方面，其中西安交大主要从事光固化快速成形、陶瓷增材制造与装备研究，并构建了专门的研究机构;华中科主要从事激光烧结、叠层制造等方面的研究，并取得突出进展;清华大学侧重于融沉积造型研究，经过二十余年的不懈探索与努力，技术达到国际前沿，在航空航天、医疗卫生、军工、汽车等多个领域得到广泛应用。

2.2 金属构件增材制造

在该项技术的研究中，以西北工业大学、北京航空航天大学为代表的625所高校致力于激光熔化沉积制造技术研究，并取得国际领先成果。近年来，华中科大、北京工业大学先后开展金属激光精密成形技术研究，同样取得突破性进展。值得注意的是，我国有625所高校在大型金属构件激光增材方面的研究，做出国际先进研究工作。尤其是北航大学，该校与飞机工业集团等单位构建合作关系，走产学研相结合的道路，有效研究出高强度、高性能关键构件的激光熔沉积制造工艺，以及其他30余种钛合金主承力构建，在多种类型飞机生产与研制中进行应用，有效突破飞机研制的技术障碍，使我国拥有国际唯一的激光成形主承力构建的飞机，通过不断的钻研与探索，使增材制造技术不断更新优化，为中国制造增光添彩[2]。

3 激光增材制造面临的材料基础问题与解决

对于高性能金属构件来说，经过激光扫描、搭接与熔化堆积后，形成“近净成形”。从本质上来看，在此过程中材料中的激光与金属相互作用，需要对材料物理与化学性能进行分析，使增材制造中面临的瓶颈问题得到有效解决。

3.1 激光交互作用与利用

LAM技术通过吸收激光能量，对金属粉末同步输送，实现三维致密的成形制造。但是，制造效率较低，对LAM技术发展起到阻碍作用，将其应用到金属激光逐层熔沉积制造之中，金属的激光吸收率与金属熔化量相同，只有提高激光吸收率，减少或消除无效能量，才可使激光熔化效率得到显著提升。从实际来看，上述基本问题也是解决表面合金化、表面重熔等问题得以解决的关键所在。要想使上述问题得到解决，人们应对激光增材制造中金属与激光的交互作用、激光能量吸收等进行深入分析，通过加大研究力度寻找激光能量的主导机制，使热传导因素得到有效控制，使激光吸收率得以提升，能量利用率与增材效率均得到进一步突破。

3.2 内部冶金缺陷形成与处理

对于高性能光束来说，长期做着循环运动，即扫描熔化、扫描搭接与凝固堆积，在增材制造方面，包括外部环境、工艺参数、熔体波动、轨迹变换等等，这些均可能在零件内部沉积层之间形成多种特殊冶金缺陷，对零件成形的内部质量、构件使用安全、力学特点起到一定影响。由此可见，对冶金缺陷的控制成为核心技术之一。要想使冶金缺陷得到弥补，激光增材技术得到有效控制，可对内部缺陷进行有效控制，可通过构建缺陷无损检验的方式来实现，使金属构件实现工程化应用，还要对多种金属材料体系进行深入研究，主要包括以下内容：（1）LAM技术应用下的冶金缺陷特点、形成原因与控制措施。（2）LAM技术特有的冶金缺陷在外部物理场所、理化相应行为、无损检验特性与方法等等。（3）LAM技术特有缺陷的微观力学行为、力学性能规律、缺陷损伤容限等多种特征[3]。

3.3 内应力演化规律与开裂预防

在LAM技术应用过程中，涉及到物理、化学等多种反应，冶金现象较为复杂，成形耗费时间较长。在制造过程中，零件长期受到激光束的辐射，具有非稳态、剧烈、冷却等特点。在强约束情况下，快速凝固收缩等现象较为明显，在构件内部形成较强的盈利，在演化交互作用下，约束应力与交互力较强，使构件容易出现严重变形或者开裂等情况。由于对LAM技术的应用原理、变化规律等现象缺乏认识，导致国内外主要的研究对象始终未突破技术瓶颈，只适应于小型构件应用，而大型构件在内应力、变形开裂等方面存在较大难题。对此，要想对LAM技术中的内应力进行控制，有效预防“变形与开裂”现象发生，使几何形状精度得以提升，应通过研究以下基础问题进行解决。

（1）在长期持续运行、非稳态、周期性作用下，构件的耦合行为，热应力规律与激光增材之间具有紧密联系。（2）周期性、冷卻状态下材料的耦合行为、形成规律与控制形式。（3）在高温梯度影响下，移动熔池的凝固收缩应力的形成原理与变化规律。（4）在LAM技术应用中，组织应力与收缩之间相互作用，在应力集中演化规律下出现的构件变形或者开裂等情况。

3.4 非稳态循环固态相变行为

在高性能零件制造时，通常会采用高强铝合金、钛合金等金属材料，此类金属的合金化程度较高，力学性能具有较强的多变性、复杂性特点，是金属材料潜力挖掘的主要方法。在LAM技术应用过程中，从本质上来看，属于逐点扫描、逐层搭接与堆积的过程，在增材制造时，构件的不同位置每层固体材料在后续沉积时，均会经历较大的变化，此种微热处理的冷却速度较快、相变持续时间较长，与循环频率之间具有正比关系，故而对增材工艺具有较大的依赖性。此外，在增材制造时循环固态相变行为也为特殊显微组织性能的增强提供新机遇，在制造过程中，可将粘结、烧结等制造原型样件与电子束等熔化堆积，形成高性能的金属构件。对此，要想使大型构件的力学性能得到充分控制，对固态相变学的潜力进行挖掘，可在金属激光制造过程中，对循环固态相变相关的基本问题进行深入探究，具体如下：（1）在LAM技术应用时，金属的循环固态相变热力学与动力学特点。（2）在LAM技术应用中，稳态循环固态相变生长行为、演化规律与显微组织等特点。（3）在LAM技术应用中，高应力与高温梯度耦合影响下，短时循环固态与显微组织构成的机理。

4 结论

综上所述，对于金属构件来说，对其进行激光增材制造可实现材料制备与成形一体化目标。在制造过程中，可将粘结、烧结等制造原型样件与电子束等熔化堆积，形成高性能的金属构件，具有绿色环保、节能、数字化等特点，为现代工业高端装备制造提供强有力的技术支持。

参考文献：

[1]王华明.高性能大型金属构件激光增材制造：若干材料基础问题[J].航空学报，2018，35（10）：2690-2698.

[2]王华明，张述泉，王韬，等.激光增材制造高性能大型钛合金构件凝固晶粒形态及显微组织控制研究进展[J].西华大学学报：自然科学版，2018（4）：9-14.

[3]陈勇，陈辉，姜亦帅，等.高性能金属材料激光增材制造应力变形调控研究现状[J].材料工程，2019，47（11）：1-10.