關(guān)于金屬材料激光立體成形技術(shù)探討

房東升　張帥　高揚(yáng)

摘 要：激光立體成形技術(shù)是在三十多年前，八十年代末期出現(xiàn)的一項(xiàng)高新制造技術(shù)，到二十一世紀(jì)為止激光立體成形技術(shù)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，激光立體技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高性能致密金屬零件的無模具快速近終成型。自八十年代起于美國(guó)的Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，密歇根大學(xué)Mazumder教授的研究小組，相繼進(jìn)行關(guān)于金屬材料激光立體成形技術(shù)探討。到目前為止還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，金屬材料激光立體成形技術(shù)的探討、發(fā)展?fàn)顩r以及形成特性、凝固組織的形成規(guī)律已經(jīng)進(jìn)入了更加深入的研究。

關(guān)鍵詞：激光立體成形；工藝技術(shù)；金屬材料；精確度

引言：激光立體成形技術(shù)與以往的金屬鍛造過程相比來說，具有無模具、形成周期較短、低成本、高性能及快速響應(yīng)能力。激光立體成形技術(shù)將為我國(guó)頂尖領(lǐng)域所研究的先進(jìn)設(shè)備和先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零件的生產(chǎn)提供前提條件，為我國(guó)乃至全世界開辟一條成形快速、經(jīng)濟(jì)、高效質(zhì)量的激光立體成形體系。

目前，以美國(guó)為首的國(guó)外激光立體成形技術(shù)快速發(fā)展，在立體成形技術(shù)方面依然走在世界先端。在制造業(yè)所使用的技術(shù)零件激光立體成形研究中所使用的材料有很多種類，其中包括鎳基超合金、不銹鋼、工具鋼、鈦合金、鎢等。通常我們利用激光立體成形技術(shù)。形狀復(fù)雜、使用性能高于其他鍛造制造的零件，在實(shí)際使用中可以增加金屬零件的使用壽命，從而增加經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)一步推動(dòng)世界激光立體成形技術(shù)更加快速的發(fā)展。

1、激光立體成形技術(shù)的原理以及優(yōu)點(diǎn)

激光立體成形技術(shù)的加工過程：首先必須在計(jì)算機(jī)中生成所需制造的金屬零件三維模型圖，按一定比例分層將其分割成為二維模型圖，然后用激光熔覆的方法將二維模型材料堆積為三維模型實(shí)體金屬零件或近似實(shí)體金屬零件，最后經(jīng)過機(jī)械設(shè)備的簡(jiǎn)單加工和處理，得到最終的實(shí)際金屬材料零件。這就是金屬材料激光立體成形技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)為：

（1）制造柔性化程度高，可以多品種、大批量的生產(chǎn)，推動(dòng)了以往的金屬制造技術(shù)發(fā)展。

（2）生產(chǎn)過程中省去了使用模具的時(shí)間和費(fèi)用，縮短的制造周期從而提升了加工速度。

（3）激光立體成形技術(shù)分為三個(gè)階段，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、激光立體成形和后期處理。制造過程完全符合了二十一世紀(jì)的發(fā)展節(jié)奏，信息化、現(xiàn)代化和智能化。

（4）激光成形技術(shù)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)在很大程度上方便了金屬零件所處不同部位，以及不同部位零件的組成成分的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)最佳性能的搭配。

（5）由于激光成形技術(shù)完全由計(jì)算機(jī)操控，不需要模具成形，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)開支、方便了制造商。

（6）利用激光成形技術(shù)的快速融化及凝固過程，可以加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料，并且提高材料的使用性能。

（7）激光成形技術(shù)的快速發(fā)展優(yōu)化了工藝，成形件具有內(nèi)部致 密無缺陷的優(yōu)點(diǎn)。

激光成形技術(shù)所制造的金屬材料形狀的符合度和性能要高于普通的金屬鍛造技術(shù)。許多飛機(jī)的器械設(shè)備所需的金屬零件，幾乎全是由激光成形技術(shù)制造來完成的。激光器的制造功率也提高了很多，目前達(dá)到了18KW。制造的金屬零件的耐高溫和強(qiáng)壓能力也逐漸上升到一個(gè)新的層面，而且零件的制造不再局限于小金屬零件的制造，利用激光成形技術(shù)制造的最大零件尺寸已經(jīng)達(dá)到了數(shù)米見方，已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用階段。

現(xiàn)如今中國(guó)在激光成形技術(shù)方面的發(fā)展也突飛猛進(jìn)，但是相對(duì)于國(guó)外來說國(guó)內(nèi)的激光成形技術(shù)和國(guó)外相比依然有些差距。國(guó)內(nèi)激光成形技術(shù)在一九九五年才獨(dú)立提出構(gòu)思，逐步摸索著進(jìn)行探索工作。一九九七年，西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與北京航空工藝研究所共同開展了對(duì)金屬材料立體成形技術(shù)系統(tǒng)性的基礎(chǔ)研究。一九九八年開始，國(guó)內(nèi)乃至全球?qū)す饬Ⅲw成形技術(shù)的研究文獻(xiàn)報(bào)道大幅度增加，開辟了激光立體成形技術(shù)的新紀(jì)元。也引起了該領(lǐng)域研究的熱潮，清華大學(xué)和北京航空單位也相繼開展了金屬材料立體成形技術(shù)的研究工作。

2激光立體成形技術(shù)發(fā)展展望

2.1工藝技術(shù)研究進(jìn)一步系統(tǒng)化

雖然激光立體成形技術(shù)帶來了很大的便捷但是在一定程度上也帶來了新的問題，如何控制工藝達(dá)到新的最佳成果，如何減少材料中裂紋的產(chǎn)生。有些金屬材料的制造將會(huì)應(yīng)用到國(guó)防高科技領(lǐng)域，所以在文獻(xiàn)中不報(bào)道工藝的研究細(xì)節(jié)，如何消除工藝過程中的缺陷，如何提高工藝的精確度任然需要系統(tǒng)化。

2.2理論研究進(jìn)一步深化

激光成形技術(shù)側(cè)重于實(shí)驗(yàn)操作，但是要想得到準(zhǔn)確精密的金屬材料就要有充分的理論基礎(chǔ)，在理論成熟的基礎(chǔ)上才可以進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作。所以理論研究需要進(jìn)一步深化。

2.3開發(fā)適用于激光成形技術(shù)的合金材料

金屬材料激光成形技術(shù)中常用的材料有鎳基超合金、不銹鋼、工具鋼、鈦合金、鎢等。這些材料都是實(shí)際應(yīng)用比較多的材料，也許在某些程度上并不適合激光立體成形技術(shù)的加工過程，其加工過程或許會(huì)降低其性能，所以要在原有材料的基礎(chǔ)上開發(fā)適合于該技術(shù)的合金材料。

2.4成形精度與成形速率如何達(dá)到最佳匹配

眾所周知，激光成形技術(shù)加速了金屬的制造和批量生產(chǎn) ，但是在一定程度上我們還面臨著激光成形技術(shù)的成形精度和成形速率的取舍問題，成形速率是關(guān)乎于經(jīng)濟(jì)收益的問題，而成形精度關(guān)乎于金屬材料的精確性。如何達(dá)到其最佳匹配是當(dāng)前的重要問題。

2.5粉末輸送系統(tǒng)的改進(jìn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，需要用到粉末材料時(shí)在激光快速形成過程中時(shí)常發(fā)生堵塞，堵塞之后會(huì)在很大程度上影響其精確性和成形速率，因此減少粉末堆積就成了一項(xiàng)大問題，粉末輸送系統(tǒng)的改進(jìn)工作還需要增加。

結(jié)語：

盡管激光成形技術(shù)存在一定的弊端，但是其優(yōu)勢(shì)也不容小覷，激光成形技術(shù)修復(fù)了許多設(shè)備中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，解決了鍛焊技術(shù)中達(dá)不到的關(guān)鍵技術(shù)難題。該技術(shù)還擴(kuò)展到了修復(fù)口腔和醫(yī)學(xué)臨床研究，取得了很大的成就和突破，從1995年開始，迄今22年的時(shí)間里，持續(xù)金屬材料激光成形技術(shù)的研究和系統(tǒng)化工作，相信在以后的研究過程中激光成形技術(shù)將會(huì)走在世界的前端，成為一條重要的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)鏈。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉業(yè)勝，韓品連，胡壽豐，柴象海，曹源.金屬材料激光增材制造技術(shù)及在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2014（10）：62-67.

作者簡(jiǎn)介：

第一作者：房東升（1995-），男，籍貫：山東青島，當(dāng)前職務(wù)：學(xué)生，學(xué)歷：本科，研究方向：材料成型及控制工程。

第二作者： 張帥（1996-），男，籍貫：湖北天門，當(dāng)前職務(wù)：學(xué)生，學(xué)歷：本科，研究方向：材料成型及控制工程。

第三作者：高揚(yáng)（1994-），，男，籍貫：河南洛陽(yáng)，當(dāng)前職務(wù)：學(xué)生，學(xué)歷：本科，研究方向：材料成型及控制工程。