激光快速成形在金屬材料中的應(yīng)用研究

（西安航天動(dòng)力機(jī)械廠，西安 710025）

激光快速成形（激光立體成形）技術(shù)最早產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代初，該技術(shù)通過高能激光束將金屬表面局部快速熔化，形成熔池，從而實(shí)現(xiàn)金屬原料與基體原子尺度的結(jié)合，能夠完成復(fù)雜金屬構(gòu)件的快速、無模具、近凈成形。激光快速成形具有快速凝固特征，使得制造出的金屬構(gòu)件枝晶組織細(xì)密，性能優(yōu)良，其性能指標(biāo)可與鍛件相當(dāng)[1]。激光快速成形滿足了材料加工技術(shù)追求短流程、低能耗、高柔性、環(huán)境友好、成形與組織性能控制一體化等主要需求[2]，因而在各種金屬材料研究應(yīng)用中倍受關(guān)注。

激光快速成形金屬材料的研究

激光快速成形技術(shù)自身具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如適用材料廣泛，凝固組織致密，高能量密度等，這些優(yōu)點(diǎn)有利于材料各方面性能的大幅提高，因此制造出來的零件性能高于鑄件水平，與鍛件相當(dāng)[3]。從20世紀(jì)90年代起，世界各國(guó)研究機(jī)構(gòu)相繼對(duì)多種金屬材料進(jìn)行了激光快速成形的設(shè)計(jì)和開發(fā)。本文主要介紹近些年國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同金屬材料所進(jìn)行的探索與研究。

1 鈦合金

鈦合金比強(qiáng)度高、耐腐蝕、熱強(qiáng)性好，在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。常規(guī)加工方式成形精度高、形狀復(fù)雜的鈦合金零件有很大難度，激光快速成形技術(shù)的發(fā)展開辟了鈦合金成形新思路，拓展了鈦合金的應(yīng)用空間。

美國(guó)的Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室最早開發(fā)了LENS激光快速成形技術(shù)，通過對(duì)鈦合金的大量快速成形試驗(yàn)，制造出了形狀復(fù)雜的鈦合金零件，且力學(xué)性能與傳統(tǒng)零件相比有顯著提高。AreoMet公司成立于1997年，在短短的幾年內(nèi)，其激光快速成形鈦合金（Ti-6Al-4V）技術(shù)已經(jīng)達(dá)到實(shí)際應(yīng)用階段[4]。在與濱州大學(xué)、約翰·霍普金斯大學(xué)共同開發(fā)“鈦合金的柔性制造”的基礎(chǔ)上，MTS公司發(fā)展了LasformTM技術(shù)，力求實(shí)現(xiàn)高性能大體積鈦合金零件尤其是大型整體帶筋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)零件的成形制造。

繼國(guó)外開始激光快速成形研究不到20年，國(guó)內(nèi)學(xué)者也意識(shí)到該技術(shù)的巨大發(fā)展前景。1995年，西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東教授首先提出了激光快速成形的技術(shù)構(gòu)想，并于1997年依附于凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究[5]，材料涉及 TC4、TC11、TC21 等鈦合金型號(hào)及其他多種金屬材料，研究?jī)?nèi)容包涵材料工藝參數(shù)選擇、組織演化規(guī)律、力學(xué)性能、裂紋形成機(jī)理以及成形件熱處理方面[6]。北京航空航天大學(xué)在王華明教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)努力下，成立了激光材料成形與制備實(shí)驗(yàn)室，在“十五”和“十一五”期間解決了大型鈦合金成立構(gòu)件在變形和開裂方面的技術(shù)難題，開發(fā)出鈦合金激光快速成形工藝，引進(jìn)成套工藝設(shè)備，突破了工程化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)[7]。北京有色金屬研究總院[8]也于1998年在LENS原理的基礎(chǔ)上開展了激光快速成形工藝的研究，主要內(nèi)容為TC4等鈦合金力學(xué)性能[9]。

2 不銹鋼

國(guó)內(nèi)對(duì)激光快速成形鐵鎳系合金進(jìn)行了廣泛的研究工作，其中以316L不銹鋼的研究最為全面細(xì)致。顧冬冬等[10]通過金屬激光燒結(jié)的方法對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行了一系列燒結(jié)試驗(yàn)，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)316L不銹鋼在激光的直接作用下容易產(chǎn)生球化現(xiàn)象，適當(dāng)減小激光功率或者提高掃描速度時(shí)，316L不銹鋼粉末的球化效應(yīng)可以在一定程度上減小。陳靜[11]等為了研究316L不銹鋼熔覆層在成形過程中的熱裂機(jī)理，進(jìn)行了激光快速成形裂紋試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在熔覆組織凝固過程中，晶界處的殘余液相受到拉伸應(yīng)力的作用，導(dǎo)致液膜分離，最終導(dǎo)致了熔覆層裂紋的產(chǎn)生。張永忠[12]等采用激光快速成形技術(shù)制備出致密無缺陷的316L不銹鋼試樣（圖1），成形參數(shù)為：激光功率600W，送粉速率7.2g/min，運(yùn)動(dòng)速度3mm/s。通過對(duì)其組織和力學(xué)性能的分析測(cè)試，最大抗拉強(qiáng)度可達(dá)694MPa，延伸率40%，得出激光快速成形316L不銹鋼試樣的力學(xué)性能高于對(duì)應(yīng)的鑄態(tài)和鍛造退火態(tài)組織，可以滿足直接使用要求。楊健[13]則利用鉆孔試驗(yàn)的方法，對(duì)激光快速成形316L不銹鋼薄板的二維殘余應(yīng)力分布情況進(jìn)行了研究，并進(jìn)一步繪制出了二維薄板的應(yīng)力分布曲線。

圖1 激光快速成形316L不銹鋼組織Fig.1 Microstructure of 316L stainless steel by laser rapid forming

3 高溫合金

高溫合金具有耐高溫、高強(qiáng)度等一系列優(yōu)點(diǎn)，適用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件，主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的熱鍛部分，其成形性非常重要。在發(fā)動(dòng)機(jī)高功重、高推比指標(biāo)的發(fā)展下，傳統(tǒng)的鑄鍛工藝制造出來的高溫合金已經(jīng)不能滿足更高的可靠性能、疲勞性能及耐久性能等要求，其進(jìn)一步的應(yīng)用受到阻礙。激光快速成形技術(shù)制造的高溫合金則可以滿足更高性能的要求。

對(duì)于高溫合金的激光快速成形，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在進(jìn)行不斷的探索。早在1979年，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心（United Technologies Research Center）的Snow等就進(jìn)行了鎳基高溫合金零件的研究工作[14]。試驗(yàn)采用激光多層熔覆的方法，對(duì)成形的零件進(jìn)行組織分析中發(fā)現(xiàn)，激光快速成形制造高溫合金的關(guān)鍵是其在成形過程中的的抗裂性，而對(duì)抗裂性有顯著影響的是合金成分，合金成分的細(xì)微變化都會(huì)對(duì)其抗裂性產(chǎn)生影響。G?umann[15]等通過外延生長(zhǎng)技術(shù)，成功制造出了在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用的耐高溫鎳基超合金單晶葉片，該技術(shù)也可以用于單晶葉片的修復(fù)工作。目前，國(guó)內(nèi)研究者[16-18]一直在對(duì)高溫合金激光快速成形進(jìn)行研究，研究重點(diǎn)依然是激光快速成形過程中的裂紋缺陷，這也是阻礙其進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵，同時(shí)還涉及高溫合金成形中熔凝組織的控制、熱處理對(duì)組織的影響及力學(xué)性能檢測(cè)等方面[19]。

國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)陳靜[16]等通過試驗(yàn)得出了激光成形高溫合金適用的粉末粒度范圍，對(duì)成形的Rene95和Rene88DT沿沉積方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到1264MPa和910MPa，延伸率為8%和13%；進(jìn)行固溶時(shí)效處理后，抗拉強(qiáng)度分別提高了50MPa和150MPa，塑性指標(biāo)也相應(yīng)有較大幅度提高。通過對(duì)成形工藝的控制，觀察Rene95高溫合金開裂行為，指出開裂發(fā)生在高溫環(huán)境下，屬于熱裂紋范疇。席明哲[20]等研究了Rene80高溫合金厚壁件凝固組織以及裂紋形成機(jī)理，對(duì)高溫合金激光成形機(jī)理研究工作進(jìn)行了補(bǔ)充和完善。黃因慧課題組[21]是國(guó)內(nèi)較早展開激光直接燒結(jié)制備鎳基高溫合金結(jié)構(gòu)件的單位之一。該課題組針對(duì)FGH95鎳基高溫合金進(jìn)行了系統(tǒng)的激光燒結(jié)試驗(yàn)，詳細(xì)分析了激光功率、掃描速度、掃描路徑等燒結(jié)參數(shù)對(duì)燒結(jié)性能的影響。

4 功能梯度材料

功能梯度材料（Functionally Gradient Material, FGM）的概念產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代末，最早由日本科學(xué)家提出。之后不久，德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯也先后開始了這方面的研究，我國(guó)的研究緊隨其后。激光技術(shù)制備功能梯度材料很早就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，而利用激光快速成形技術(shù)來制備功能梯度材料則興起時(shí)間尚短[22]。

國(guó)外Abboud等[23]以鎳基和鐵基材料為基板，利用雙路送粉多層激光涂覆的方法得到了鎳鋁氧化物和鐵鋁氧化物功能梯度圖層。Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[24]經(jīng)過研究也完成了不銹鋼-鎳基高溫合金梯度漸變材料的激光快速成形。Shin等[25]探究了成形工藝對(duì)梯度材料成形性的影響規(guī)律，同時(shí)制造出了Cu/Ni二元梯度材料。Yakovlev等[26]研究了316L SS/Stellite 12的組織結(jié)構(gòu)特征。Yadroitsev[27]成形出了Stellite 12/430L SS/Stellite12+FeCu/Stellite 12+FeCu+WC/Co薄壁件，該薄壁件實(shí)現(xiàn)了同一零件不同部位采用不同材料的功能。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也認(rèn)識(shí)到了激光快速成形梯度材料的可行性及其廣闊的應(yīng)用前景，紛紛開展研究工作。王殿武等[28]采用激光快速成形技術(shù)成形出Rene 95/316L 不銹鋼梯度材料，觀察了梯度材料組織結(jié)構(gòu)和成分變化，測(cè)試了維氏硬度在梯度方向上的分布，并將維氏硬度與相應(yīng)組織結(jié)構(gòu)和成分變化聯(lián)系起來進(jìn)行了分析研究。楊海鷗等[29]在自制的激光快速成形系統(tǒng)上成形了316L 不銹鋼/Rene 88DT梯度材料（圖2），所制備的梯度材料組織致密，成分、組織和硬度在過度層連續(xù)變化。席明哲等[30]成功制備了316L不銹鋼/鎳基合金/Ti6Al4V梯度薄壁件，組織觀察發(fā)現(xiàn)，不同相之間達(dá)到良好冶金結(jié)合，薄壁件組織致密，無裂紋、孔洞等缺陷，性能良好。

圖2 梯度材料的激光快速成形件Fig.2 FGMs sample made by laser rapid forming

激光快速成形技術(shù)在金屬材料領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

激光快速成形技術(shù)在國(guó)外很多國(guó)家已經(jīng)發(fā)展成熟，達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用階段，其中美國(guó)一直走在世界前列。美國(guó)的AeroMet公司于2000年利用激光快速成形技術(shù)制造了鈦合金機(jī)翼結(jié)構(gòu)件，并完成了地面試車試驗(yàn)；2002年，該公司制造出鈦合金次承力構(gòu)件如F/A-18E/F艦載聯(lián)合機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙推力拉梁、翼梁等（如圖3），并且在F/A-18等戰(zhàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)際裝機(jī)應(yīng)用[31]。

圖3 F/A-18E/F翼根吊環(huán)、鈦合金翼梁Fig.3 Wing root rings, titanium SPAR of F/A-18E/F

美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在豐富的理論和完善的設(shè)備基礎(chǔ)上，完成了某衛(wèi)星上TC4鈦合金零件毛坯的制造，使得該零件成形周期由傳統(tǒng)機(jī)械加工的11周縮減到1周，大大提高了成形效率。2013年，GE公司利用激光快速成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Leap-X發(fā)動(dòng)機(jī)離心式燃油噴嘴的制造，該項(xiàng)技術(shù)被評(píng)為全球2013年十大技術(shù)突破之一。同年，美國(guó)的普惠·洛克達(dá)因公司采用激光選區(qū)成形技術(shù)制造了J-2X火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣孔蓋（圖4），在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)取得成功。NASA馬歇爾航天中心近期采用SLS技術(shù)完成了RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)彈簧Z隔板的成形，傳統(tǒng)的加工和焊接工藝需要10個(gè)月左右，而利用該技術(shù)建造僅需9天，明顯節(jié)省了成本，縮短了制造周期[32]。國(guó)外的激光快速成形技術(shù)在經(jīng)歷了十幾年的大力探索研究下，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的商業(yè)化，取得了顯著成果。

圖4 J-2X火箭發(fā)動(dòng)機(jī)排氣孔蓋Fig.4 Engine vent cover of J-2X rocket

國(guó)內(nèi)在激光快速成形技術(shù)方面的研究要落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，還未達(dá)到大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用階段。從“十五”開始，在國(guó)家“973”計(jì)劃、總裝預(yù)研計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空制造工程研究所、北京有色金屬研究總院等國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)先后開始了激光快速成形與修復(fù)技術(shù)及設(shè)備的研發(fā)工作。其中，北京航空航天大學(xué)致力于激光快速成形及裝機(jī)應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)研究工作，成功研制出某型號(hào)飛機(jī)鈦合金前起落架整體支撐框、C919接頭框等零部件，2005年實(shí)現(xiàn)了TC4鈦合金飛機(jī)座椅支座、TA15腹鰭接頭等飛機(jī)承力件在3種飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過多年的探索研究，研制出C919大飛機(jī)翼肋TC4上、下緣條構(gòu)件。此外，該技術(shù)還成功應(yīng)用于多種材料的修復(fù)工作，比如鋁合金導(dǎo)向葉片、鈦合金壓氣機(jī)靜子葉片、不銹鋼機(jī)匣、鎳基合金高壓及渦輪葉片等[33]。中航工業(yè)北京航空制造工程研究所也在修復(fù)某型號(hào)TC11整體葉輪中取得成功，順利通過試車考核。

激光快速成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

激光快速成形技術(shù)正在迅速發(fā)展和推廣中，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，該技術(shù)在工藝、設(shè)備和材料方面都有了突破性的進(jìn)展。但是由于依然存在著生產(chǎn)成本高，制備零件的精度、強(qiáng)度不穩(wěn)定等問題，阻礙了該技術(shù)的進(jìn)一步推廣和普及。從上述激光快速成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀來看，未來的發(fā)展方向主要是以下幾方面：

（1）與多學(xué)科交叉融合發(fā)展。將激光快速成形技術(shù)與其他學(xué)科如生物技術(shù)、納米技術(shù)、信息科學(xué)等融合，可以結(jié)合兩種或多種學(xué)科優(yōu)勢(shì)，拓寬各學(xué)科的應(yīng)用空間。

（2）開發(fā)新工藝與新設(shè)備。激光快速成形工藝影響著成形過程的復(fù)雜程度、成形制件的精度、制造時(shí)間和成本，是該技術(shù)能否得到進(jìn)一步應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)。新設(shè)備的研發(fā)則是新工藝能順利進(jìn)行的保障。

（3）加快新材料的研發(fā)進(jìn)程。研發(fā)新材料（功能材料、納米材料、陶瓷材料等）是當(dāng)今材料學(xué)科發(fā)展的趨勢(shì)，將新材料應(yīng)用于激光快速成形技術(shù)，有利于該技術(shù)保持實(shí)用性與前沿性。

結(jié)束語

激光快速成形技術(shù)以其新穎的制造方式，創(chuàng)造了一種全新的制造理念。該技術(shù)以材料利用率高、機(jī)械加工量小、生產(chǎn)成本低、制造周期短等一系列特點(diǎn)，正在為機(jī)械加工領(lǐng)域帶來巨大變革。目前，激光快速成形技術(shù)已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注，但我國(guó)在國(guó)防工業(yè)整體、大型、超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)用中仍然采用傳統(tǒng)的制造手段，與國(guó)外先進(jìn)水平仍有一定差距。因此，迫切需要加快該領(lǐng)域核心技術(shù)的研究步伐，加大投入，使激光快速成形技術(shù)盡快進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段。

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