一年（nián）一度的亞洲3D打印、增材製造（zào）展覽會即TCT亞洲展於3月8日（rì）在上海新（xīn）國際博覽中心落（luò）下了（le）帷幕，全球範圍內的3D打印企業、學者（zhě）齊聚一堂。3月的上海微風和煦，3D打印盛事與百花齊放，這也與“中國製造（zào）2025”這片（piàn）肥沃土壤息息相關 。

 

　　2016年12月，在國務院印發的對“十三五”期間我國戰略性新興產業發展進行明確部署與安排的《“十三（sān）五”國家戰略性新興產業發展規（guī）劃》中，增材製造(3D打印)成為了推動製造業升級的重要技術之一。 早在2015年，李克強總理（lǐ）就加快發展先進製造與3D打（dǎ）印等問題主持（chí）了專題講座，並稱：“3D打印是製造（zào）業有代表性的顛覆性技術。它改變了傳統（tǒng）製造的理念和模（mó）式，具有重（chóng）大價值（zhí）。” 他認為工業製造是國民經濟的重要（yào）支柱，是實現發展升級（jí）的“國（guó）之重（chóng）器”。而發展3D打印等前沿性製造技術，正是李克強總理關於打造（zào）製造強國、實現經濟轉型的重要一步。

 

　　而3D打印的狂潮（cháo）於2011年就已在國外掀起。2011年2月，英國《經濟學人》雜誌發表題為《3D打印如何（hé）改變（biàn）世界》的封麵文（wén）章，文章（zhāng）認為3D打印技術將使單品製（zhì）造幾乎和大規模生產一（yī）樣便宜，影響堪與當年工（gōng）廠的出現相提並論。

 

　　2012年4月，《經濟學人》雜誌再登封麵文章《第三（sān）次工（gōng）業革命》，再（zài）次強調了3D打印技術的重要性。在此前後，《福布斯》、《紐約時報》、《連線》等諸多西方主流媒體都先後在頭版鼓吹3D打印，就連擔任《連線》雜誌主編11年的克裏斯·安德森也按捺不住，選擇辭職，親自投（tóu）身（shēn）到3D打印領域進行創業。

 

　　目（mù）前3D打印（yìn）已於汽車工業、醫學、航空航天（tiān）等領域有著重要應用（yòng）與（yǔ）突飛猛進的發展。而一個國家（jiā）的大型構件製造能力是工業重大（dà）裝備製造的基礎，體現了（le）國家的工業綜（zōng）合實（shí）力、競（jìng）爭力（lì）。本文就高性能（néng）金（jīn）屬結（jié）構件激光增材製造技術這一分枝進行詳（xiáng）細的（de）介紹，包（bāo）括發展曆史與技術特點、難點（diǎn），國外領先企業產品（pǐn）與應用現狀等。

 

激光增（zēng）材製造技術

 

　　增材製造（zào）技術是製造技術原（yuán）理的一（yī）次（cì）革命性突破，它形成了（le）最能代表信息化時（shí）代特征的製造技術，即以信（xìn）息技術為支撐，以柔性化的產品製造方（fāng）式最大限度地滿（mǎn）足無限豐富的個性化需求。激光增材製造（zào） (laser additive manufacturing，LAM) 技術是一種兼顧精確成形和高性能成性需求的一體化製造技術。LAM技術包括以同步材（cái）料送（sòng）進為主要技術特征的激光熔（róng）化沉積技術 (laser melting deposition，LMD)，和以粉末床為主（zhǔ）要技術特征（zhēng）的選區激光熔化技術 (selective laser melting，SLM)。

 

　　其（qí）中， 選（xuǎn）區激光熔化技術可以實現力學性能（néng）優於鑄件的高複雜性構件的（de）直接製造，但是（shì）通常（cháng）成形尺寸較小，隻能進行單種材料的直接成形，目前成熟的（de）商用化裝備的成形尺寸一般小於300 mm。另（lìng）外，選區激（jī）光熔（róng）化技術的（de）沉積效率要比激光熔化沉積技術低一個數量級，但成形件的複雜性基本不受限製。

 

　　激光熔化沉積（jī）技術可以實現力學（xué）性能與鍛（duàn）件（jiàn）相當的（de）複雜高性能構件的高效（xiào）率製造，並且成形尺寸基本不受限製，同時激光熔化沉積技（jì）術所具有的（de）同步材料送進特征，還可以實現同一（yī）構件上多材料的任意（yì）複合和梯度（dù）結構製造，便（biàn）於進行新型合金設計，並可用於損傷（shāng）構件的高性能成形修（xiū）複。需要指出的是，以同步（bù）材料送進為主要技術特征的激光熔化沉積技術還可方便地同傳統的加工技術，如鍛造、鑄造（zào）、機械加工或電化學加工等等材或減（jiǎn）材加工技術相結合，充分發揮各種（zhǒng）增材與等材及減材（cái）加工技術的優勢（shì），形成金屬結構件的整體高性能、高效率、低（dī）成本成形和修複新技術。

 

　　下（xià）麵（miàn）就（jiù）兩種技術（shù）進行詳細的（de）介（jiè）紹。

 

選區激（jī）光熔（róng）化技術

 

　　選（xuǎn）區激光熔化技術（shù）是在德克（kè）薩斯大學奧斯汀分校 (Universityof Texas at Austin)的 Deckard所發明的基於粉末床的（de）選區激光燒結 (selective laser sintering，SLS)技術上發展起來的。1995，德國 Fraunhofer 應用研究促進協會ILT激光（guāng）技術研究（jiū）所的Meiner等（děng）和（hé）日（rì）本大阪（bǎn）大學的 Abe 等為了解決（jué）選（xuǎn）區激光燒結過程中粉末的（de）連接強度不高的問題，提（tí）高材料致密度，提出（chū）了（le）基於粉（fěn）末激光（guāng）熔凝的選區激光（guāng）熔化技術構思。不過受（shòu）限於粉末在（zài）成形過程中易出現的部分（fèn）熔化現（xiàn）象，以及粉末在熔化後易（yì）發生的球化問題，選區激光（guāng）熔化技術早期成形構件的致密度和強度並不太高，直（zhí）到2010年前後，隨著工藝的優化，金屬材料致密度顯著提高，選區激光熔化技（jì）術（shù）才在有限的幾種典型鈦合金、高溫（wēn）合金、鋼、鋁合金材料致密（mì）度方麵取得重要突破，並隨著選區激光熔（róng）化裝備的快速商業化，開始應用於醫學、汽車和（hé）航空領域。下圖為選區激光熔化係統的組成（chéng）示意圖。

　　

 

　　由於選區激（jī）光熔化裝備（bèi）是在選區激光燒結裝備的基礎上進行的進一（yī）步（bù）開發，因此目前的（de）裝備成熟度較高。同（tóng）時，選區（qū）激（jī）光熔化過程中激光的束斑尺（chǐ）寸較小（xiǎo），粉末床易於構造支撐結構，因（yīn）此成形的構件複雜程度較高，而且表麵粗糙度接近鑄件。該技術的最大優點（diǎn）是可成形複雜形狀結構零件，成形精度和表麵光潔度較高。

 

　　目前美國材料與試驗協會（huì） (American Society for Testing andMaterials，ASTM)發布相關的增材製造標準大部分是針對選區激光熔化成形的。不過，目前選區激光熔化成形製造構件（jiàn）的尺寸較小，而且粉末熔化（huà）易發生球化，使得目前選（xuǎn）區激光熔化成形的構件內部難以避免有一些微小孔（kǒng）洞，對其疲勞性能有一（yī）定損傷。由於選區激光熔化成形對工藝控製相對（duì）要求較為苛刻，目前適（shì）用於選區激光熔化（huà）成形（xíng）的材料種類還較少。並（bìng）且（qiě）該技術的成形速率為2-30mm3/s，成形效率過低，這是該技術不適用於成形（xíng）大型金屬構件的原因之（zhī）一。另外，對於大型構件的選區激光熔化成形，由於難以在粉末床（chuáng）中獲得均勻的溫度場，如何有效地控製應力分布和構件（jiàn）變形同樣是一個關（guān）鍵問題。成形尺寸的增大還將導致未熔殘留粉末數（shù）量的急劇增加（jiā），因此，如何提（tí）高粉末的有效利用率（lǜ）及（jí）再利用率也是一個必須解決的重（chóng）要問題。

 

　　德國EOS公司在激（jī）光選區熔（róng）化（huà）成形（xíng）技術研發方麵處於世界領先地位，該（gāi）公司最新EOS-M400設備可加工零件尺寸為 0.4m?0.4m?0.4m，且開發出的TC4合金的細粉末非常（cháng）適用於飛機發動（dòng）機等組件製造。另外兩家在該領域（yù）領（lǐng）先的公司分（fèn）別是歐洲的MTT公司和（hé） Concept Laser公司。采用激光選區熔化成形技術生產的鈦合金零部件，可以應（yīng）用（yòng）於飛機關鍵（jiàn）零部件的製造，零部件機械性能要優於鍛造材料。激光選區熔化成（chéng）形技術（shù）整個（gè）過程包括工程設計、CAD、選區成形加工過程和後續的熱處理。

 

　　美國航天局采（cǎi）用精密激光（guāng）選區熔化成形技術製（zhì）造了 15.62cm 的火箭發動機微型噴射器，此（cǐ）前測試的同類噴射器由 115 個零件組成，而該（gāi）噴射器僅由兩個零件組成（chéng），成本減少了70% 以（yǐ）上，並且極大縮短了開發（fā）時間，測試表明該噴射器（qì）工作正常。通用電氣公司在其 Leap 發動機中使用（yòng）精密激（jī）光選區熔化成形技術製造了（le）燃油噴嘴，以取代傳統的由20個單獨部分通過焊接或（huò）組裝而成的燃油噴嘴，新零（líng）件的重量減輕25%，GE公司在2015~2016年將精密激光選區熔化成形技術應用於Leap 發動機的全部噴嘴生產中，希望到 2020 年能夠具備每年生（shēng）產40000個噴嘴的能力。美國霍尼（ní）韋爾公司的航空航（háng）天部采用精（jīng）密激光選區熔化成形技術（shù）製造了熱交換器和金屬支架。美國聯合技術公司使用該技術製造了噴射發動機內壓（yā）縮機葉片（piàn），如（rú）下圖所示，並在康涅狄格大學（xué）成立了選區熔化成形研究中心。

 

　　在國外由於政府、國防機構、學（xué）術界、企業界等的高度重視，精密激光選區熔化成形技術獲（huò）得了快速發展，已初（chū）步形（xíng）成（chéng）了集裝備-材料-工藝-服務為（wéi）一體的完整產業鏈（liàn）條。

　　

 

激光（guāng）熔化沉積技術

 

　　需要指出的是（shì），相比於選區激光熔化技術，激光（guāng）熔（róng）化沉積技術於20 世紀90年代在國際多個（gè）研究機構相對獨立地發展起來，並且被賦予了（le）不同的名稱，如直（zhí）接金屬沉積 (direct metal deposition，DMD)、激光固化 (laser consolidation，LC)、激光金屬成（chéng）形 (laser metal forming，LMF)、激光工程化淨成形 (laser engineered net shaping，LENSTM)、受控光製造（zào） (directed light fabrication，DLF)、激光成形 (laser forming，LF)、激光增材製造 (laser additive manufacturing，LAM)、基（jī）於激光的自由實體製造 (laser babsed free-form fabrication，LBFFF)、直接（jiē）激光製造 (direct laser fabrication，DLF)、形狀沉積製造 (shape deposition manufacturing，SDM)和激（jī）光快速成形 (laser rapid forming，LRF)等。這些技術名稱雖然（rán）不同，但基本的技術原理卻是完全相同的，都可以稱之為激光3D打印。技術借鑒了快速原型技術“離散+堆積”的原理，在零件CAD三維實（shí）體模型（xíng）切片數據的指導下，通過高功率激光熔化（huà）同步輸送的金屬粉末並且在基材表麵熔（róng）化部分材料，兩者混合形成熔池，激光（guāng）束掃過（guò）後熔池發生快速凝固，從而沉積在已（yǐ）凝固的（de）基材上，以此逐層堆積，最終得到三（sān）維零件。該技術能實現大型致密複雜結構金（jīn）屬零件的快速、無模具的（de）近淨成形。激光熔（róng）化沉積技（jì）術示意圖（tú）如下圖所示（shì）。

　　

 

　　美國聯合（hé）技術公司(United TechnologiesCorporation)的Snow等針對高溫合金渦輪（lún）盤的製造難題，發展了同（tóng）步送粉（fěn）激（jī）光熔（róng）覆方法（fǎ），采用激光熔化沉積方法製造了徑向對稱鎳基高溫合金零件，並（bìng）取得了相關專利。不（bú）過受限於當時的計算機技術水平，當（dāng）時的激光增材製造技術還隻能製造一些板型件或回（huí）轉件。盡管如此，其初步的（de）研究結果已（yǐ）經顯示出了激光增（zēng）材製（zhì）造技術的（de）光明前景（jǐng）。不過直到（dào）2000年，美國波音公司首先宣布采用激光（guāng）熔（róng）化沉積技（jì）術製造的3個 Ti-6Al-4V 合金零件在F-22和F/A-l8E/F飛機上獲（huò）得（dé）應用，才在全（quán）球掀起了金屬零件的直接增（zēng）材製造的第一次熱潮。針（zhēn）對LSF技術的應用，美國汽車工程師協會 (Society of Automotive Engineers，SAE)在 2002 年（nián）製（zhì）定了激光熔化沉積成形Ti-6Al-4V合金零件的美國航空材料規範。該技術製備的Ti-6Al-4V構件已成功應用於洛克希德?馬丁公司生產的F-22戰鬥機大（dà）尺寸懸臂和波音（yīn）公（gōng）司生產的F/A-18E/F戰鬥機機翼拚（pīn）接板。除進行零件的直接成形外，激光增材製（zhì）造另（lìng）外一項重（chóng）要應（yīng）用是進行受損零件（jiàn）的修複。Optomec Design公司將LENSTM技術用於T700美國海軍飛機發動機零件的磨損修複（fù），實現了已（yǐ）失效零（líng）件的快速、低成本再生製造。美國陸軍安（ān）尼斯頓部隊采用LENSTM技術對M1 Abrams坦克的燃氣渦輪發動機零件進行了修複，每年節省費用500萬（wàn）美（měi）元。在2012年西方國家提出“3D打印將（jiāng）推動第三次工（gōng）業革命”的論斷後，激光增材製造技術製備金屬結構件在我國獲得（dé）了極大的發展並逐步實現產業化，相關報道與（yǔ）研（yán）究也（yě）逐年增加。

 

現狀與技術難（nán）點

 

　　目前，激光熔化沉（chén）積（jī）技術所應用的材料已涵蓋鈦合金、鎳基高溫合金、鐵基合金、鋁合金、難（nán）熔合金、非晶合金以及（jí）梯度材料等。但目前鈦合金的激光熔化沉積技術（shù）最為成熟，其他合（hé）金激（jī）光熔（róng）化沉積技術的成熟度遠不如鈦合金。同時，激光熔化沉積過程中盡管成形效率高，但通常（cháng）成形件的表麵較為粗糙，需要進（jìn）行進一步的加工（gōng）。此外，激光熔化沉積過程中一般無支撐（chēng）結（jié）構，同時所（suǒ）采用（yòng）的激光束斑尺寸較大（dà），因此（cǐ），成形（xíng）複雜程度與鑄件相比還有一定（dìng）差距（jù）。特別是對於大型構件的激光熔化沉積，如何有效地控製內部應力分布和變形仍然是一個亟（jí）待（dài）解決的問（wèn）題。