加工金屬不僅僅只有機(jī)床中的車鉗刨銑磨，還有…（一）

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激光增材制造技術(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。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)。

從今天起，夾具俠將通過一系列的文章為大家闡述這兩種典型的激光增材制造技術(shù)原理與特點，共同探討這兩種技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

Part1 激光金屬直接成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀

一、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1所示。

圖1 LMDF系統(tǒng)原理圖

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。

二、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(jī)構(gòu)快速發(fā)展起來，并且被賦予了很多不同的名稱，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)。

圖2 復(fù)雜零件直接成型

我國清華大學(xué)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)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)研究了激光金屬直接成形DZl25L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)。

三、材料與工藝

3.1：材料

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，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。

3.2：工藝

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(qiáng)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(qiáng)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(jī)理等關(guān)鍵基礎(chǔ)問題的研究，依然是今后的研究重點。

四、技術(shù)應(yīng)用

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28家機(jī)構(gòu)來共同從事激光金屬增材制造方面的研究，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。

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。

圖3 美國NASA多種金屬混合激光成型

英國的羅·羅(Rolls·Rovce)公司計劃利用激光金屬直接成形技術(shù)，來生產(chǎn)TrentXWB一97(羅·羅研發(fā)的渦輪風(fēng)扇系列發(fā)動機(jī))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(jī)翼葉，直徑為1.5m，長度為0.5m。

圖4 直接成型引擎部件

北京航空航天大學(xué)也利用激光金屬直接成形技術(shù)制造出了大型飛機(jī)鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框。

圖5 飛機(jī)鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框

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。

圖6 高溫合金空心渦輪葉片

五、總結(jié)

激光增材制造帶來的改變不止于此，該技術(shù)還可以與傳統(tǒng)加工復(fù)合，例如德國DMGMORI旗下的Lasertec系列，通過整合激光增材制造技術(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。這項金屬成形技術(shù)，你了解了嗎？

yangjunjie4

激光熔覆，當(dāng)年我畢業(yè)設(shè)計的東西~~~沈陽自動化所有做那個

韓寒11

德瑪吉的那臺增材制造機(jī)床，費用可不低啊，如果增材制造的設(shè)備成本能降低的話，將來可能會對鑄造行業(yè)產(chǎn)生一定的沖擊

麥田守望者bj

學(xué)習(xí)了

universal

只不過是3D打印的一種，還有離子束呢