加工金属不仅仅只有机床中的车钳刨铣磨，还有…（一）

激光增材制造技术是一种以激光为能量源的增材制造技术，激光具有能量密度高的特点，可实现难加工金属的制造，比如航空航天领域采用的钛合金、高温合金等，同时激光增材制造技术还具有不受零件结构限制的优点，可用于结构复杂、难加工以及薄壁零件的加工制造。激光增材制造技术按照其成形原理进行分类，最具代表性的为以粉床铺粉为技术特征的激光选区熔化(SLM)和以同步送粉为技术特征的激光金属直接成形(LMDF)技术。

从今天起，夹具侠将通过一系列的文章为大家阐述这两种典型的激光增材制造技术原理与特点，共同探讨这两种技术的研究现状和发展趋势。

Part1 激光金属直接成形技术的研究现状

一、LMDF技术的原理与特点

激光金属直接成形(LMDF)技术是利用快速原型制造的基本原理，以金属粉末为原材料，采用高能量的激光作为能量源，按照预定的加工路径，将同步送给的金属粉末进行逐层熔化，快速凝固和逐层沉积，从而实现金属零件的直接制造。通常情况下，激光金属直接成形系统平台包括：激光器、CNC数控工作台、同轴送粉喷嘴、高精度可调送粉器及其他辅助装置。其原理如图1所示。

图1 LMDF系统原理图

激光金属直接成形技术集成了激光熔覆技术和快速成形技术的优点，具有以下特点：

①无需模具，可实现复杂结构的制造，但悬臂结构需要添加相应的支撑结构。

②成形尺寸不受限制，可实现大尺寸零件的制造。

③可实现不同材料的混合加工与制造梯度材料。

④可对损伤零件实现快速修复。

⑤成形组织均匀，具有良好的力学性能，可实现定向组织的制造。

二、LMDF技术的发展现状

LMDF技术是在快速原型技术的基础上结合同步送粉和激光熔覆技术发展起来的一项激光增材制造技术。LMDF技术起源于美国Sandai国家实验室的激光近净成形技术(LENS)，随后在多个国际研究机构快速发展起来，并且被赋予了很多不同的名称，虽然名称各不相同，但是技术原理却几乎是一致的，都是基于同步送粉和激光熔覆技术。目前，对于LMDF技术的研究主要是针对成形工艺以及成形组织性能两方面展开，美国的Sandai国家实验室和Los Alomos国家实验室针对镍基高温合金、不锈钢、钛合金等金属材料进行了大量的激光金属直接成形研究，所制造的金属零件不仅形状复杂，且其力学性能接近甚至超过传统锻造技术制造的零件。瑞士洛桑理工学院的Kurz等深入研究了激光快速成形工艺参数对成形过程稳定性，成形零件的精度控制，材料的显微组织以及性能的影响，并将该技术应用于单晶叶片的修复。

图2 复杂零件直接成型

我国清华大学在激光快速成形同轴送粉系统的研制及熔覆高度检测及控制方面取得了研究进展；西北工业大学通过对单层涂覆厚度、单道涂覆宽度、搭接率等主要参数进行精确控制，获得件内部致密，表面质量良好的成形件；西安交通大学研究了激光金属直接成形DZl25L高温合金零件过程中不同工艺参数(如激光功率、扫描速度、送粉率、Z轴提升量等)对单道熔覆层高度、宽度、宽高比和成形质量的影响规律，并优化了工艺参数。

三、材料与工艺

3.1：材料

对于金属材料激光增材制造技术来说，金属粉末就是其原材料，金属粉末的质量会直接影响到成形零部件最终的质量。然而，目前还没有专门为激光增材制造生产的金属粉末，现在激光增材制造工艺所使用的金属粉末都是之前为等离子喷涂、真空等离子喷涂和高速氧燃料火焰喷涂等热喷涂工艺开发的，基本都是使用雾化工艺制造。这类金属粉末在生产过程中可能会形成一些空心颗粒，将这些空心颗粒的金属粉末用于激光增材制造时，会导致在零件中出现孔洞、裂纹等缺陷，因此激光增材制造使用的金属粉末将成为今后的一个研究重点。

3.2：工艺

虽然目前对激光增材制造的工艺展开了大量研究，但是在零件的成形过程中依然存在许多问题。在SLM成形过程中伴随着复杂的物理、化学、冶金等过程，容易产生球化、孔隙、裂纹等缺陷，在LMDF成形过程中随着高能激光束长时间周期性剧烈加热和冷却、移动熔池在池底强约束下的快速凝固收缩及其伴生的短时非平衡循环固态相变，会在零件内部产生极大的内应力，容易导致零件严重变形开裂。进一步优化激光增材制造技术的工艺，克服成形过程中的缺陷，加强对激光增材制造过程中零件内应力演化规律、变形开裂行为及凝固组织形成规律以及内部缺陷形成机理等关键基础问题的研究，依然是今后的研究重点。

四、技术应用

近年来，LMDF技术同样也受到了许多国家的重视和大力发展，2013年欧洲空间局(ESA)提出了“以实现高技术金属产品的高效生产与零浪费为目标的增材制造项目”(AMAZE)计划，该计划于2013年1月正式启动，汇集28家机构来共同从事激光金属增材制造方面的研究，其首要目标是快速生产大型零缺陷增材制造金属零件，几乎实现零浪费。

美国国防航空航天局(NASA)喷气推进实验室开发出一种新的激光金属直接成形技术，可在一个部件上混合打印多种金属或合金，解决了长期以来飞行器尤其是航天器零部件制造中所面临的一大难题——在同一零件的不同部位具有不同性能。

图3 美国NASA多种金属混合激光成型

英国的罗·罗(Rolls·Rovce)公司计划利用激光金属直接成形技术，来生产TrentXWB一97(罗·罗研发的涡轮风扇系列发动机)由钛和铝的合金构成的前轴承座，其前轴承座包括48片机翼叶，直径为1.5m，长度为0.5m。

图4 直接成型引擎部件

北京航空航天大学也利用激光金属直接成形技术制造出了大型飞机钛合金主承力构件加强框。

图5 飞机钛合金主承力构件加强框

西安交通大学在国家“973项目”的资助下，展开了利用激光金属直接成形技术制造空心涡轮叶片方面的研究，并成功制备出了具有复杂结构的空心涡轮叶片。

图6 高温合金空心涡轮叶片

五、总结

激光增材制造带来的改变不止于此，该技术还可以与传统加工复合，例如德国DMGMORI旗下的Lasertec系列，通过整合激光增材制造技术与传统切削技术，不仅可以制造出传统工艺难以加工的复杂形状，还改善了激光金属增材制造过程中存在的表面粗糙问题，提高了零件的精度。这项金属成形技术，你了解了吗？

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