高性能金屬構(gòu)件的激光增材制造

高佳旺 譚樂(lè) 陳波 向娜 安渝黔

摘? 要：文章對(duì)激光增材制造的技術(shù)特點(diǎn)與類型進(jìn)行分析，并探究當(dāng)前該項(xiàng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，最后重點(diǎn)闡述金屬構(gòu)件增材制造中面臨的材料問(wèn)題，涉及到激光交互作用與利用、內(nèi)部冶金缺陷形成與處理、內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律與開(kāi)裂預(yù)防、非穩(wěn)態(tài)循環(huán)固態(tài)相變行為等多個(gè)方面，力求通過(guò)文章研究，為現(xiàn)代工業(yè)高端裝備制造提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：高性能;金屬構(gòu)件;激光增材

中圖分類號(hào)：TG665 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）15-0104-02

Abstract： This paper analyzes the technical characteristics and types of laser augmentation manufacturing， and probes into the current research status of this technology， and finally focuses on the material problems faced in metal component augmentation manufacturing. It involves many aspects， such as laser interaction and utilization， internal metallurgical defect formation and treatment， internal stress evolution and cracking prevention， unsteady cycle solid phase transformation behavior and so on， so as provide strong technical support for modern industrial high-end equipment manufacturing.

Keywords： high performance; metal components; laser reinforcement

引言

現(xiàn)階段，航空、船舶、石化等多個(gè)領(lǐng)域飛速發(fā)展，高端裝備也逐漸朝著高參數(shù)、大型化、高可靠性等方面發(fā)展，導(dǎo)致鈦合金、耐熱合金等核心構(gòu)建的尺寸逐漸增加，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，對(duì)制造技術(shù)提出更高要求。在此背景下，激光增材制造（LAM）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為現(xiàn)代工業(yè)制造的核心技術(shù)，對(duì)我國(guó)工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生極大助力。

1 LAM技術(shù)特點(diǎn)與類型

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

LAM技術(shù)以合金粉末為原料，在高功率激光熔化凝固后逐層堆積，從零件模型逐漸成為高性能、全密封的大型金屬結(jié)構(gòu)，與以往制造技術(shù)相比，該項(xiàng)技術(shù)具備以下特點(diǎn)：一是金屬材料制備與復(fù)雜構(gòu)件成型制造可融為一體，制造流程較短;二是零件的成分均勻、組織細(xì)密、可快速凝固，綜合性能較強(qiáng);三是無(wú)需引入大型鍛造設(shè)備與配套設(shè)備，后續(xù)加工難度較小、工作量較少、投入成本較低;四是柔性較強(qiáng)，可對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)變化快速響應(yīng)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)突破制造技術(shù)的制約;五是光束能量較大，可使許多難熔構(gòu)件快速溶解，如Ta、Mo、Ti、W等;六是結(jié)合零件工作條件與服役要求，通過(guò)靈活改變沉積材料的化學(xué)成分，使金屬構(gòu)件直接近凈成形。

1.2 主要類型

上世紀(jì)80年代，LAM原理由美國(guó)率先提出，從原型到快速工具，最后變?yōu)橹苯又圃?，該技術(shù)所應(yīng)用的材料包括兩種類型，即金屬與非金屬，其中前者主要包括粉末與絲材、后者包括薄膜、液態(tài)樹(shù)脂等等。在制造過(guò)程中，可將粘結(jié)、燒結(jié)等制造原型樣件與電子束等熔化堆積，形成高性能的金屬構(gòu)件。該技術(shù)的主要類型如下：（1）快速原型制造技術(shù)。該技術(shù)包括3D打印、熔融沉積、激光燒結(jié)等等，制造尺寸相對(duì)較小，包括紙張、石蠟、樹(shù)脂等構(gòu)成的原型樣件，而“非致密”原件則由金屬粉末構(gòu)成，此類原件不可直接應(yīng)用到裝備制造之中，而是為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、評(píng)估和宣傳提供支持，具有縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)成本、降低制造價(jià)格等作用。從上世紀(jì)80年代初開(kāi)始，此項(xiàng)技術(shù)逐漸完善，近年來(lái)開(kāi)始逐漸應(yīng)用到教育、娛樂(lè)、文化創(chuàng)意等多個(gè)領(lǐng)域之中。（2）高性能金屬構(gòu)件制造技術(shù)。該技術(shù)采用的是高功率激光束進(jìn)行逐層熔化和堆積，適用于致密金屬零件制造中，該技術(shù)的研發(fā)難度相對(duì)較大，截止今日，世界上只有少數(shù)國(guó)家突破了小型構(gòu)件激光制造技術(shù)，并且很少有國(guó)家能夠?qū)?gòu)件激光制造直接應(yīng)用到關(guān)鍵領(lǐng)域之中。對(duì)于金屬構(gòu)件來(lái)說(shuō)，增材制造成為其發(fā)展的主要方向[1]。

2 增材制造技術(shù)的研究進(jìn)展

每次工業(yè)革命的開(kāi)展都是國(guó)家工業(yè)實(shí)力的一次提升，是對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家的一次“趕超”。當(dāng)前，新一代工業(yè)革命已經(jīng)初露端倪，我國(guó)應(yīng)積極提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，構(gòu)建強(qiáng)大的新工業(yè)體系，促進(jìn)國(guó)防工業(yè)的迅速發(fā)展。同時(shí)，在新科技的發(fā)展之下，生產(chǎn)制造逐漸朝著數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展，引領(lǐng)著國(guó)防工業(yè)的主要發(fā)展潮流，對(duì)新技術(shù)提出更高要求，主要體現(xiàn)在效率與成本等方面。對(duì)于新技術(shù)來(lái)說(shuō)，如何順著時(shí)代潮流決定著自身未來(lái)的發(fā)展情境，加強(qiáng)LAM技術(shù)的研究與利用，成為國(guó)防工業(yè)制造的重點(diǎn)話題，對(duì)制造能力的提升具有促進(jìn)作用。

2.1 快速原型制造技術(shù)

自從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)各大院校便開(kāi)始邁出研究步伐，主要體現(xiàn)在技術(shù)研究、設(shè)備研發(fā)與工業(yè)應(yīng)用三個(gè)方面，其中西安交大主要從事光固化快速成形、陶瓷增材制造與裝備研究，并構(gòu)建了專門的研究機(jī)構(gòu);華中科主要從事激光燒結(jié)、疊層制造等方面的研究，并取得突出進(jìn)展;清華大學(xué)側(cè)重于融沉積造型研究，經(jīng)過(guò)二十余年的不懈探索與努力，技術(shù)達(dá)到國(guó)際前沿，在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、軍工、汽車等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2.2 金屬構(gòu)件增材制造

在該項(xiàng)技術(shù)的研究中，以西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)為代表的625所高校致力于激光熔化沉積制造技術(shù)研究，并取得國(guó)際領(lǐng)先成果。近年來(lái)，華中科大、北京工業(yè)大學(xué)先后開(kāi)展金屬激光精密成形技術(shù)研究，同樣取得突破性進(jìn)展。值得注意的是，我國(guó)有625所高校在大型金屬構(gòu)件激光增材方面的研究，做出國(guó)際先進(jìn)研究工作。尤其是北航大學(xué)，該校與飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)等單位構(gòu)建合作關(guān)系，走產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的道路，有效研究出高強(qiáng)度、高性能關(guān)鍵構(gòu)件的激光熔沉積制造工藝，以及其他30余種鈦合金主承力構(gòu)建，在多種類型飛機(jī)生產(chǎn)與研制中進(jìn)行應(yīng)用，有效突破飛機(jī)研制的技術(shù)障礙，使我國(guó)擁有國(guó)際唯一的激光成形主承力構(gòu)建的飛機(jī)，通過(guò)不斷的鉆研與探索，使增材制造技術(shù)不斷更新優(yōu)化，為中國(guó)制造增光添彩[2]。

3 激光增材制造面臨的材料基礎(chǔ)問(wèn)題與解決

對(duì)于高性能金屬構(gòu)件來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)激光掃描、搭接與熔化堆積后，形成“近凈成形”。從本質(zhì)上來(lái)看，在此過(guò)程中材料中的激光與金屬相互作用，需要對(duì)材料物理與化學(xué)性能進(jìn)行分析，使增材制造中面臨的瓶頸問(wèn)題得到有效解決。

3.1 激光交互作用與利用

LAM技術(shù)通過(guò)吸收激光能量，對(duì)金屬粉末同步輸送，實(shí)現(xiàn)三維致密的成形制造。但是，制造效率較低，對(duì)LAM技術(shù)發(fā)展起到阻礙作用，將其應(yīng)用到金屬激光逐層熔沉積制造之中，金屬的激光吸收率與金屬熔化量相同，只有提高激光吸收率，減少或消除無(wú)效能量，才可使激光熔化效率得到顯著提升。從實(shí)際來(lái)看，上述基本問(wèn)題也是解決表面合金化、表面重熔等問(wèn)題得以解決的關(guān)鍵所在。要想使上述問(wèn)題得到解決，人們應(yīng)對(duì)激光增材制造中金屬與激光的交互作用、激光能量吸收等進(jìn)行深入分析，通過(guò)加大研究力度尋找激光能量的主導(dǎo)機(jī)制，使熱傳導(dǎo)因素得到有效控制，使激光吸收率得以提升，能量利用率與增材效率均得到進(jìn)一步突破。

3.2 內(nèi)部冶金缺陷形成與處理

對(duì)于高性能光束來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)期做著循環(huán)運(yùn)動(dòng)，即掃描熔化、掃描搭接與凝固堆積，在增材制造方面，包括外部環(huán)境、工藝參數(shù)、熔體波動(dòng)、軌跡變換等等，這些均可能在零件內(nèi)部沉積層之間形成多種特殊冶金缺陷，對(duì)零件成形的內(nèi)部質(zhì)量、構(gòu)件使用安全、力學(xué)特點(diǎn)起到一定影響。由此可見(jiàn)，對(duì)冶金缺陷的控制成為核心技術(shù)之一。要想使冶金缺陷得到彌補(bǔ)，激光增材技術(shù)得到有效控制，可對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行有效控制，可通過(guò)構(gòu)建缺陷無(wú)損檢驗(yàn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，使金屬構(gòu)件實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，還要對(duì)多種金屬材料體系進(jìn)行深入研究，主要包括以下內(nèi)容：（1）LAM技術(shù)應(yīng)用下的冶金缺陷特點(diǎn)、形成原因與控制措施。（2）LAM技術(shù)特有的冶金缺陷在外部物理場(chǎng)所、理化相應(yīng)行為、無(wú)損檢驗(yàn)特性與方法等等。（3）LAM技術(shù)特有缺陷的微觀力學(xué)行為、力學(xué)性能規(guī)律、缺陷損傷容限等多種特征[3]。

3.3 內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律與開(kāi)裂預(yù)防

在LAM技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，涉及到物理、化學(xué)等多種反應(yīng)，冶金現(xiàn)象較為復(fù)雜，成形耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。在制造過(guò)程中，零件長(zhǎng)期受到激光束的輻射，具有非穩(wěn)態(tài)、劇烈、冷卻等特點(diǎn)。在強(qiáng)約束情況下，快速凝固收縮等現(xiàn)象較為明顯，在構(gòu)件內(nèi)部形成較強(qiáng)的盈利，在演化交互作用下，約束應(yīng)力與交互力較強(qiáng)，使構(gòu)件容易出現(xiàn)嚴(yán)重變形或者開(kāi)裂等情況。由于對(duì)LAM技術(shù)的應(yīng)用原理、變化規(guī)律等現(xiàn)象缺乏認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外主要的研究對(duì)象始終未突破技術(shù)瓶頸，只適應(yīng)于小型構(gòu)件應(yīng)用，而大型構(gòu)件在內(nèi)應(yīng)力、變形開(kāi)裂等方面存在較大難題。對(duì)此，要想對(duì)LAM技術(shù)中的內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行控制，有效預(yù)防“變形與開(kāi)裂”現(xiàn)象發(fā)生，使幾何形狀精度得以提升，應(yīng)通過(guò)研究以下基礎(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行解決。

（1）在長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行、非穩(wěn)態(tài)、周期性作用下，構(gòu)件的耦合行為，熱應(yīng)力規(guī)律與激光增材之間具有緊密聯(lián)系。（2）周期性、冷卻狀態(tài)下材料的耦合行為、形成規(guī)律與控制形式。（3）在高溫梯度影響下，移動(dòng)熔池的凝固收縮應(yīng)力的形成原理與變化規(guī)律。（4）在LAM技術(shù)應(yīng)用中，組織應(yīng)力與收縮之間相互作用，在應(yīng)力集中演化規(guī)律下出現(xiàn)的構(gòu)件變形或者開(kāi)裂等情況。

3.4 非穩(wěn)態(tài)循環(huán)固態(tài)相變行為

在高性能零件制造時(shí)，通常會(huì)采用高強(qiáng)鋁合金、鈦合金等金屬材料，此類金屬的合金化程度較高，力學(xué)性能具有較強(qiáng)的多變性、復(fù)雜性特點(diǎn)，是金屬材料潛力挖掘的主要方法。在LAM技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，從本質(zhì)上來(lái)看，屬于逐點(diǎn)掃描、逐層搭接與堆積的過(guò)程，在增材制造時(shí)，構(gòu)件的不同位置每層固體材料在后續(xù)沉積時(shí)，均會(huì)經(jīng)歷較大的變化，此種微熱處理的冷卻速度較快、相變持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，與循環(huán)頻率之間具有正比關(guān)系，故而對(duì)增材工藝具有較大的依賴性。此外，在增材制造時(shí)循環(huán)固態(tài)相變行為也為特殊顯微組織性能的增強(qiáng)提供新機(jī)遇，在制造過(guò)程中，可將粘結(jié)、燒結(jié)等制造原型樣件與電子束等熔化堆積，形成高性能的金屬構(gòu)件。對(duì)此，要想使大型構(gòu)件的力學(xué)性能得到充分控制，對(duì)固態(tài)相變學(xué)的潛力進(jìn)行挖掘，可在金屬激光制造過(guò)程中，對(duì)循環(huán)固態(tài)相變相關(guān)的基本問(wèn)題進(jìn)行深入探究，具體如下：（1）在LAM技術(shù)應(yīng)用時(shí)，金屬的循環(huán)固態(tài)相變熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。（2）在LAM技術(shù)應(yīng)用中，穩(wěn)態(tài)循環(huán)固態(tài)相變生長(zhǎng)行為、演化規(guī)律與顯微組織等特點(diǎn)。（3）在LAM技術(shù)應(yīng)用中，高應(yīng)力與高溫梯度耦合影響下，短時(shí)循環(huán)固態(tài)與顯微組織構(gòu)成的機(jī)理。

4 結(jié)論

綜上所述，對(duì)于金屬構(gòu)件來(lái)說(shuō)，對(duì)其進(jìn)行激光增材制造可實(shí)現(xiàn)材料制備與成形一體化目標(biāo)。在制造過(guò)程中，可將粘結(jié)、燒結(jié)等制造原型樣件與電子束等熔化堆積，形成高性能的金屬構(gòu)件，具有綠色環(huán)保、節(jié)能、數(shù)字化等特點(diǎn)，為現(xiàn)代工業(yè)高端裝備制造提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

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