激光定向能量沉積技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用進(jìn)展

摘 要：激光定向能量沉積（ＬＤＥＤ）技術(shù)作為一種前沿增材制造技術(shù)，在材料加工和產(chǎn)品制造領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，綜述了ＬＤＥＤ技術(shù)的發(fā)展歷程、基本原理、技術(shù)特點(diǎn)及其在多個工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。ＬＤＥＤ技術(shù)能夠有效提升材料利用率、縮短制造周期，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的直接制造，尤其在航空航天、汽車制造和醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。通過仿真分析、在線監(jiān)測和閉環(huán)控制策略，ＬＤＥＤ技術(shù)進(jìn)一步提高了成形精度和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著ＬＤＥＤ技術(shù)的成熟和優(yōu)化，該技術(shù)有望在降低成本、提升性能以及推動制造業(yè)綠色轉(zhuǎn)型方面發(fā)揮更大作用。

關(guān) 鍵 詞：增材制造；激光定向能量沉積；金屬材料加工；修復(fù)再制造；工藝研究；材料性能；模擬與仿真；在線監(jiān)測

中圖分類號：ＴＧ１４８ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２４）０５－０６３１－１５

增材制造（ａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＡＭ）技術(shù)，又名３Ｄ打?。ǎ簦瑁颍澹澹洌椋恚澹睿螅椋铮睿幔欤穑颍椋睿簦椋睿?，３ＤＰ）技術(shù)，是一種基于三維ＣＡＤ模型數(shù)據(jù)，通過逐層堆積材料實(shí)現(xiàn)快速實(shí)體化的工業(yè)技術(shù)［１］。自２０００年以來，憑借獨(dú)特優(yōu)勢，增材制造技術(shù)已在制造業(yè)中開拓出一條先進(jìn)技術(shù)路徑，并被多個國家視為未來產(chǎn)業(yè)增長的潛在動力。根據(jù)《時代》雜志、《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志以及麥肯錫咨詢公司的分析可知，增材制造技術(shù)有望成為一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，并對未來生產(chǎn)與生活方式產(chǎn)生重大影響［２］。

傳統(tǒng)制造業(yè)正面臨著轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，而增材制造技術(shù)為此提供了前所未有的機(jī)遇。該技術(shù)已逐步被全球主要制造國納入其國家戰(zhàn)略規(guī)劃中。例如，美國國防部聯(lián)合其他政府部門、多家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)共同創(chuàng)建了國家增材制造創(chuàng)新研究院，其目標(biāo)是在全球制造業(yè)科技競賽中占據(jù)領(lǐng)先地位，并通過實(shí)施ＡＭ Ｆｏｒｗａｒｄ計(jì)劃促進(jìn)高價值制造業(yè)本土化。此外，英國、德國、法國、日本等國家也紛紛制定實(shí)施了相應(yīng)的增材制造戰(zhàn)略，并成立專門研究機(jī)構(gòu)以推動該技術(shù)的發(fā)展。在這一背景下，我國通過“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃，將增材制造技術(shù)定位為工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域［３］。為了加強(qiáng)該技術(shù)的研究與應(yīng)用，我國還成立了國家增材制造創(chuàng)新中心，旨在推動增材制造技術(shù)在我國的發(fā)展和應(yīng)用。這些舉措表明，增材制造技術(shù)已成為推動制造業(yè)創(chuàng)新和提升國際競爭力的關(guān)鍵因素。特別是在材料加工領(lǐng)域內(nèi)，金屬材料的增材制造技術(shù)占據(jù)核心地位［４］。增材制造技術(shù)因具有較短生產(chǎn)周期、無須依賴模具以及對零件復(fù)雜性適應(yīng)性高等顯著特點(diǎn)，已經(jīng)成為制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的主要焦點(diǎn)［５］。根據(jù)工藝原理的差異可知，金屬材料的增材制造技術(shù)主要分為兩大類別：定向能量沉積（ｄｉｒｅｃｔｅｄｅｎｅｒｇｙｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＤＥＤ）技術(shù)和粉末床熔融（ｐｏｗｄｅｒｂｅｄｆｕｓｉｏｎ，ＰＢＦ）技術(shù)［６］。ＤＥＤ技術(shù)采用高能束流，如激光、等離子弧或電子束等，將金屬粉末或絲材引至熔化區(qū)域并同步進(jìn)行熔化與沉積，以此構(gòu)建零件；ＰＢＦ技術(shù)則通過相似熱源，對鋪設(shè)在粉末床層上的金屬材料進(jìn)行局部熔化，并逐層堆積從而形成所需零件。當(dāng)激光作為熱源時，定向能量沉積技術(shù)被稱為激光定向能量沉積（ｌａｓｅｒｄｉｒｅｃｔｅｄｅｎｅｒｇｙｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＬＤＥＤ）技術(shù)。ＬＤＥＤ技術(shù)因其高效性和精確性，已經(jīng)成為增材制造領(lǐng)域的一個主要技術(shù)路徑［７］。ＬＤＥＤ技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛，包括但不限于快速制造特定零件、對現(xiàn)有構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)添加，以及對損傷部件進(jìn)行直接修復(fù)等。這些應(yīng)用使得ＬＤＥＤ技術(shù)在航空航天、汽車制造、軌道交通、石油化工、船舶工業(yè)以及模具制造等眾多行業(yè)中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景和成長潛力［８－９］。

１ 激光定向能量沉積技術(shù)的概述

１.１ 基本原理

ＬＤＥＤ技術(shù)是ＤＥＤ技術(shù)的一個分支，屬于３Ｄ打印或增材制造范疇。ＬＤＥＤ技術(shù)通過激光束逐層熔化金屬粉末或金屬絲材并在熔池中固化，以此構(gòu)建復(fù)雜三維金屬構(gòu)件［１０］。在典型ＬＤＥＤ過程中，激光束與粉末噴嘴協(xié)同工作，將金屬粉末送入熔化區(qū)域并進(jìn)行沉積，因而該過程可被稱為“送粉工藝”。本文將重點(diǎn)探討與此相關(guān)的技術(shù)和應(yīng)用。與此相對應(yīng)的另一種技術(shù)是激光粉末床熔融（ｌａｓｅｒｐｏｗｄｅｒｂｅｄｆｕｓｉｏｎ，ＬＰＢＦ）技術(shù)，也采用激光作為熱源，工藝上的區(qū)別在于其選區(qū)熔化預(yù)先鋪設(shè)在粉床上的金屬粉末，通過這種方式逐層堆積金屬粉末從而形成零件。這一過程通常被稱為“鋪粉工藝”。盡管ＬＰＢＦ技術(shù)在增材制造領(lǐng)域同樣重要，但本文研究重點(diǎn)并不包括對ＬＰＢＦ技術(shù)及其應(yīng)用的深入討論。

ＬＤＥＤ的概念最早由美國學(xué)者ＭＥＨＴＡ于１９８８年在其專利文獻(xiàn)中提出，該文獻(xiàn)詳細(xì)闡述了利用激光熔化金屬粉末修復(fù)損傷部件的技術(shù)要領(lǐng)［１１］。自１９９０年以來，ＬＤＥＤ技術(shù)得到快速發(fā)展，不同研究機(jī)構(gòu)基于自身研究特點(diǎn)和對該技術(shù)的理解，賦予了這項(xiàng)技術(shù)多種不同稱謂，具體命名情況可參考表１［１２］。ＬＤＥＤ技術(shù)通過在基材表面產(chǎn)生熔池來實(shí)現(xiàn)金屬粉末或絲材的熔化和沉積［１１］。這一過程涉及采用送粉或送絲裝置同步將金屬粉末或絲材送入熔池中，隨后這些材料迅速熔化并凝固，與基材形成冶金結(jié)合。隨著三維實(shí)體模型（ＣＡＤ文件）的離散化（ＳＴＬ文件）與分層化（ＣＬＩ文件），結(jié)合工藝參數(shù)生成控制掃描路徑的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（ＣＮＣ）代碼，激光沉積頭在計(jì)算機(jī)的精確控制下沿著預(yù)定路徑移動，通過逐層堆積方式直接構(gòu)建三維實(shí)體零件，或形成接近最終形狀僅需少量后續(xù)加工的零件。ＬＤＥＤ技術(shù)工作原理如圖１［１２］所示?？紤]到沉積材料特性，整個沉積過程通常在惰性氣體如氬氣或氮?dú)獾沫h(huán)境中進(jìn)行，以保證沉積質(zhì)量。

１.２ 主要特點(diǎn)

相較于ＬＰＢＦ技術(shù)，ＬＤＥＤ技術(shù)展現(xiàn)出了更快的構(gòu)建速度，這一特點(diǎn)使其在縮短生產(chǎn)周期方面具有顯著優(yōu)勢。ＬＤＥＤ技術(shù)能夠替代傳統(tǒng)制造方法，用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，有效應(yīng)對加工挑戰(zhàn)、材料損耗以及工具損耗等問題［１３］。

ＬＤＥＤ技術(shù)的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于能夠制備包含中空結(jié)構(gòu)和具有材料梯度功能的零件。這些通過ＬＤＥＤ技術(shù)制造的零件通常展現(xiàn)出緊密微觀結(jié)構(gòu)和卓越機(jī)械性能，有時甚至能夠與模鍛產(chǎn)品相媲美。盡管如此，ＬＤＥＤ技術(shù)仍存在一些局限性。在材料利用效率方面，ＬＤＥＤ技術(shù)效率（約為２５％ ～３３％）遠(yuǎn)低于ＬＰＢＦ技術(shù)效率（最高可達(dá)９５％），但其仍然顯著高于傳統(tǒng)減材加工方法的材料利用率（通常只有５％）。此外，ＬＤＥＤ過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能較大，存在引起層間裂紋的風(fēng)險(xiǎn)［１３］。與ＬＰＢＦ技術(shù)相比，ＬＤＥＤ技術(shù)在粉材粒度、激光光斑直徑以及層厚方面通常數(shù)值較大，這些因素可能導(dǎo)致最終構(gòu)建的金屬零件在構(gòu)建速度上雖有優(yōu)勢，但在尺寸精度和表面光潔度方面表現(xiàn)較差。為了提升零件的制造精度并滿足工程應(yīng)用的需求，將ＬＤＥＤ技術(shù)與后續(xù)機(jī)械加工相結(jié)合是一種有效解決方案［１４］。

ＬＤＥＤ技術(shù)主要有以下特點(diǎn)：

１）基本不受成形金屬零件復(fù)雜程度限制

ＬＤＥＤ技術(shù)的制造原理所帶來的顯著優(yōu)勢，使其能夠直接構(gòu)建金屬零件或模具，當(dāng)這些零件和模具具有傾斜薄壁、懸垂結(jié)構(gòu)、復(fù)雜內(nèi)部空腔以及內(nèi)流道等幾何形狀時，無須額外支撐結(jié)構(gòu)［１５］。制造出的近凈成形零件僅需進(jìn)行有限后續(xù)機(jī)械加工即可滿足最終使用要求。

２）全面提高材料機(jī)械性能和耐腐蝕性能

通過激光與材料相互作用引發(fā)的熔化和隨后的凝固機(jī)制，金屬或合金能夠在內(nèi)部形成細(xì)小、均勻且致密的微觀結(jié)構(gòu)。這一過程有助于消除材料成分的不均勻性，從而顯著增強(qiáng)其機(jī)械性能和耐腐蝕能力［１６］。特別值得注意的是，ＬＤＥＤ技術(shù)能夠同時提升材料的強(qiáng)度和延展性，有效解決傳統(tǒng)加工技術(shù)中常見的強(qiáng)度與塑性之間的矛盾。ＬＤＥＤ技術(shù)克服了傳統(tǒng)成形技術(shù)中零件密度不足、性能低下的問題，使得最終產(chǎn)品能夠直接作為功能性零件使用，無須額外處理步驟。

３）無須模具直接成形金屬功能零件

ＬＤＥＤ技術(shù)通過直接利用金屬或合金材料進(jìn)行零件制造或近凈成形，實(shí)現(xiàn)了冶金與成形工藝的整合。該技術(shù)無須依賴傳統(tǒng)冶金、鑄造或鍛造流程，能夠迅速制備出完全致密的金屬零件或模具，即便產(chǎn)出的是近凈成形零件，所需要的進(jìn)一步機(jī)械加工也相對有限。因此，ＬＤＥＤ技術(shù)不僅顯著減少了原材料的使用，還節(jié)省了模具制作所需的時間和成本，從而極大提高了零件生產(chǎn)效率，縮短了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到投入市場的時間，并降低了整體制造成本［１７］。

４）方便靈活地成形異質(zhì)材料零件

ＬＤＥＤ技術(shù)通過逐層方式進(jìn)行三維實(shí)體零件構(gòu)建，根據(jù)零件各部位的性能需求，通過調(diào)整材料供給速率和類型來實(shí)現(xiàn)合金成分的局部變化。這種變化能夠在零件不同區(qū)域形成各異的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)，使得零件性能得到精確控制，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜形狀金屬零件的直接制造，滿足材料組分梯度變化的設(shè)計(jì)要求。該技術(shù)通過優(yōu)化材料組合和性能匹配，為制造具有特殊性能和形狀要求的關(guān)鍵零件以及異質(zhì)材料（如復(fù)合材料和功能梯度材料等）零件提供了一種有效制造手段［１８］，這種制造能力是傳統(tǒng)鑄造和鍛造技術(shù)所不具備的。

５）可對零件進(jìn)行修復(fù)與再制造

ＬＤＥＤ技術(shù)作為一種典型環(huán)保型再制造方法，能夠在保證高質(zhì)量、高效率、能源節(jié)約和環(huán)境友好的條件下，運(yùn)用其獨(dú)特的增材制造手段，對廢舊或陳舊產(chǎn)品損壞、失效部分進(jìn)行修復(fù)和再利用［１９］。這一過程不僅能夠恢復(fù)和維持產(chǎn)品的原有性能，甚至有可能對其性能進(jìn)行提升，而且顯著減少了資源消耗，并延長了產(chǎn)品使用周期。此外，該技術(shù)還能夠?qū)﹃P(guān)鍵金屬零件或模具進(jìn)行表面改性，從而增強(qiáng)其機(jī)械和物理性能［２０］。因此，推動發(fā)展快速、高效、精確的修復(fù)與再制造方法，對經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的提升具有重要意義。

６）可加工的金屬或合金材料范圍廣

激光束在成形過程中展現(xiàn)出極高能量密度，且激光加工是一種非接觸式加工方式，這些特性使得ＬＤＥＤ技術(shù)不僅適用于常規(guī)金屬和合金材料的加工，同樣能夠有效地成形具有高熔點(diǎn)和較差加工性能的特殊材料［２１］。例如，鎢、鈦、鈮和超合金等材料通常難以通過傳統(tǒng)加工方法有效加工，但在ＬＤＥＤ技術(shù)下與普通材料加工難度相當(dāng)。因此，該技術(shù)在制備難加工和難熔材料方面具有顯著優(yōu)勢。

１.３ 重要意義

ＬＤＥＤ技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢，雖然該技術(shù)的成形精度不及ＬＰＢＦ技術(shù)，但對關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)和修復(fù)具有非常重要的意義。

１.３.１ 縮短加工周期并提高材料利用率

利用ＬＤＥＤ技術(shù)對大型整體結(jié)構(gòu)件、承力結(jié)構(gòu)件進(jìn)行加工時，可縮短加工周期，提高材料利用率。為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能、降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及精簡制造流程，大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)在國際航空器設(shè)計(jì)中得到了日益廣泛的應(yīng)用［２２］。然而，這類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對制造過程提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。例如，美國Ｆ３５戰(zhàn)斗機(jī)的主要承力部件目前仍需依賴巨型水壓機(jī)進(jìn)行成形，隨后還需經(jīng)歷切割、切削和拋光等多道工序。這一流程不僅耗時較長，而且伴隨大量原材料的浪費(fèi)，約７０％的鈦合金在加工過程中變成了廢料。此外，未來在組件裝配階段還需額外使用連接材料，使得最終構(gòu)件的質(zhì)量比采用增材制造技術(shù)制造的構(gòu)件重約３０％。圖２為北京航空航天大學(xué)在２０１３年北京科博會上展出的由ＬＤＥＤ技術(shù)制造的“眼鏡式”鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框［２２］。與傳統(tǒng)鍛造工藝相比，該技術(shù)顯著提升了大型復(fù)雜整體鈦合金構(gòu)件的材料利用率，同時將制造周期縮短至原來的１／３，并將制造成本降低了一半以上。

１.３.２ 減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量并節(jié)約費(fèi)用

ＬＤＥＤ技術(shù)通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，顯著減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，節(jié)約原材料和燃料費(fèi)用，降低加工及使用成本。降低航空航天器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量是該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的重要需求。面對傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制，ＬＤＥＤ技術(shù)以其獨(dú)特的特點(diǎn)，能夠在保持或提升性能的同時，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯著降低金屬構(gòu)件的質(zhì)量［２３］。據(jù)歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)公司（ＥＡＤＳ）透露，飛機(jī)質(zhì)量每減少１ｋｇ，每年可節(jié)約３０００美元的燃油開支。美國通用電氣公司（ＧＥ）已經(jīng)通過ＬＤＥＤ技術(shù)對航空航天部件進(jìn)行試制和技術(shù)驗(yàn)證。在發(fā)動機(jī)支架的設(shè)計(jì)與試制過程中，應(yīng)用ＬＤＥＤ技術(shù)實(shí)現(xiàn)了減重目標(biāo)，原始零件質(zhì)量為２０３３ｇ，而經(jīng)過優(yōu)化后的試制品質(zhì)量僅為３２７ｇ，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)如圖３［２３］所示。

１.３.３ 制造功能性部件

ＬＤＥＤ技術(shù)能夠制造復(fù)雜形狀、具有薄壁特征的功能性部件，突破傳統(tǒng)加工技術(shù)帶來的設(shè)計(jì)約束。增材制造技術(shù)的發(fā)展對計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ＣＡＤ）模型提出了新的設(shè)計(jì)要求，這一變化可能引發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域革命，使得設(shè)計(jì)理念能夠更好地適應(yīng)制造過程。特別是在航空航天領(lǐng)域，新型飛行器通常需要具備復(fù)雜的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，以獲得更佳溫度管理效果、優(yōu)化力學(xué)性能，并解決潛在共振問題，同時確保零件的不同區(qū)域能夠適應(yīng)各自的應(yīng)力環(huán)境［２４］。與傳統(tǒng)機(jī)械加工方法相比，增材制造技術(shù)不受零件形狀限制，能夠?qū)崿F(xiàn)更為合理的應(yīng)力分布。通過精心設(shè)計(jì)的復(fù)雜內(nèi)部流道，可以有效控制溫度，并利用多種材料組合來滿足零件各部分的功能要求［２５］。例如，孫輝磊［２６］利用ＬＤＥＤ技術(shù)制造的內(nèi)置流道的異質(zhì)材料火箭發(fā)動機(jī)推力室結(jié)構(gòu)件（見圖４［２６］）便是這種設(shè)計(jì)理念的典型應(yīng)用。該技術(shù)的應(yīng)用不僅提升了零件性能，也推動了航空航天器設(shè)計(jì)的創(chuàng)新和發(fā)展。

１.３.４ 實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工

ＬＤＥＤ技術(shù)可以改進(jìn)和提升傳統(tǒng)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工。一方面，ＬＤＥＤ技術(shù)具備實(shí)現(xiàn)不同材料之間高性能結(jié)合的能力，允許在由傳統(tǒng)鑄造、鍛造或機(jī)械加工方法制造的零件上制備精細(xì)結(jié)構(gòu)，而這些制備的精細(xì)結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到與原始整體零件相媲美的力學(xué)性能水平［２７］。另一方面，ＬＤＥＤ技術(shù)也能夠用于制造半成品毛坯，隨后通過減材制造手段進(jìn)行精細(xì)化加工。ＬＤＥＤ技術(shù)可以將增材制造技術(shù)在形成復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)近凈成形方面的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)制造技術(shù)在效率、成本、精度和表面質(zhì)量方面的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，從而形成一種綜合最優(yōu)制造策略。ＬＤＥＤ技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)組合生產(chǎn)的零件如圖５［２８］所示。

１.３.５ 實(shí)現(xiàn)高端裝備關(guān)鍵零部件快速修復(fù)

通過與逆向工程等技術(shù)的融合，ＬＤＥＤ技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高端裝備關(guān)鍵零部件的快速修復(fù)。在飛機(jī)維修過程中，更換零件通常需要較長拆卸時間。通過采用增材制造技術(shù)，將損傷部件作為基底，并在其上進(jìn)行修復(fù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速修復(fù)，而且修復(fù)后的部件性能可以達(dá)到甚至超越鍛造件的性能標(biāo)準(zhǔn)［２９］。以整體葉盤為例，這類部件因其制造成本高昂而備受關(guān)注。近年來，多家研究機(jī)構(gòu)，包括美國ＧＥ公司、Ｈ＆Ｒ公司、Ｏｐｔｏｍｅｃ公司和德國Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ研究所，已經(jīng)開展整體葉盤的ＬＤＥＤ修復(fù)技術(shù)研究。２００９年３月，Ｏｐｔｏｍｅｃ公司宣布，采用激光成形修復(fù)技術(shù)修復(fù)的Ｔ７００整體葉盤通過了軍方振動疲勞測試。圖６為Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ研究所ＬＤＥＤ修復(fù)葉片效果［３０］。

２ 激光定向能量沉積技術(shù)的發(fā)展歷史

２.１ 國外發(fā)展歷史

２.１.１ 技術(shù)起源和早期發(fā)展

ＬＤＥＤ技術(shù)的起源可以追溯到２０世紀(jì)８０年代中期，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的ＣＡＲＬＤＥＣＫＡＲＤ博士和ＪＯＥＢＥＡＭＡＮ博士首次開發(fā)了選擇性激光燒結(jié)（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＳＬＳ）工藝，并于１９８９年獲得了第一個ＳＬＳ技術(shù)專利［３１］。ＳＬＳ技術(shù)利用高功率激光逐層燒結(jié)粉末材料（通常是尼龍／聚酰胺等聚合物），用于創(chuàng)建簡單零件和原型，可被看作是金屬３Ｄ打印的前身。該類技術(shù)在發(fā)展的初始階段又被稱為材料累加制造、快速原型或分層制造。

在２０世紀(jì)９０年代初期，由美國人ＣＡＲＬＤＥＣＫＡＲＤ提出的直接金屬激光燒結(jié)（ｄｉｒｅｃｔｍｅｔａｌｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＤＭＬＳ）技術(shù)問世，將金屬３Ｄ打印提升至直接成形金屬功能零件的新高度。該技術(shù)由ＤａｓｓａｕｌｔＳｙｓｔｅｍｓ和ＥＯＳ等公司推廣應(yīng)用，迅速成為航空航天和汽車工業(yè)中苛刻環(huán)境下應(yīng)用的理想選擇［３２－３３］。ＤＭＬＳ技術(shù)是ＬＤＥＤ技術(shù)的重要里程碑，利用激光束逐層燒結(jié)金屬粉末（金屬粉末顆粒處于受熱融合而非完全熔化狀態(tài)），實(shí)現(xiàn)高精度的金屬零部件制造。這一技術(shù)的誕生促進(jìn)了金屬３Ｄ打印領(lǐng)域的快速發(fā)展。

進(jìn)入２０世紀(jì)９０年代末期和２１世紀(jì)初期，金屬３Ｄ打印技術(shù)不斷發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，被廣泛用于航空航天、醫(yī)療、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。制造商開始認(rèn)識到其巨大潛力，因此，投入更多資源用于研發(fā)和改進(jìn)金屬３Ｄ打印技術(shù)，同時該類技術(shù)改稱為快速成形制造或自由實(shí)體制造。

２.１.２ 技術(shù)創(chuàng)新與改進(jìn)

進(jìn)入２１世紀(jì)初，金屬３Ｄ打印技術(shù)經(jīng)歷了快速發(fā)展和創(chuàng)新時期。越來越多的公司投資于這一領(lǐng)域，推動該技術(shù)的快速革新。新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)，包括航天領(lǐng)域發(fā)動機(jī)零部件的制造和醫(yī)療領(lǐng)域人體植入物的生產(chǎn)等。此時該類技術(shù)改稱為增材制造或３Ｄ打印并沿用至今。

近十年來，金屬３Ｄ打印技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，成為現(xiàn)代制造業(yè)的一項(xiàng)重要技術(shù)。隨著該技術(shù)的不斷改進(jìn)，制造商可以更快速地生產(chǎn)高質(zhì)量金屬零部件。這一時期也見證了金屬３Ｄ打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用，包括用于飛機(jī)引擎零部件的制造、骨科植入物的生產(chǎn)以及汽車工業(yè)的改進(jìn)等。此時以激光為高能束流的金屬３Ｄ打印逐漸形成兩個分支：ＬＤＥＤ（俗稱送粉）工藝和ＬＰＢＦ（俗稱鋪粉）工藝，二者的區(qū)別主要是金屬粉末是由送粉噴嘴同步供給（ＬＤＥＤ）還是由預(yù)先鋪設(shè)的粉床供給（ＬＰＢＦ）。這兩種金屬３Ｄ打印技術(shù)各有其優(yōu)勢和適用場景，具體工藝選擇取決于特定的應(yīng)用需求以及所制造零部件的尺寸和形狀等參數(shù)。

２.２ 國內(nèi)發(fā)展歷史

２.２.１ 技術(shù)早期探索

國內(nèi)對金屬３Ｄ打印技術(shù)雛形的開創(chuàng)可以追溯到２１世紀(jì)初，當(dāng)時一些研究機(jī)構(gòu)和高校開始進(jìn)行相關(guān)研究，例如，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所率先引進(jìn)國外激光技術(shù)并開展相關(guān)研究。最初嘗試主要集中在金屬材料、激光系統(tǒng)和工藝參數(shù)的研究，以尋找適合國內(nèi)需求的解決方案。在這一時期，國內(nèi)一些高校和研究機(jī)構(gòu)開始在金屬３Ｄ打印技術(shù)上取得一些初步成果，研發(fā)了不同金屬材料、激光設(shè)備和控制系統(tǒng)，為該技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，其中西安交通大學(xué)盧秉恒院士在２０００年完成“激光快速成形若干關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目，并獲得國家科技進(jìn)步二等獎。

２.２.２ 技術(shù)應(yīng)用爆發(fā)式增長

進(jìn)入２０１０年后，我國在金屬３Ｄ打印技術(shù)領(lǐng)域的投資顯著增加，這為該技術(shù)的快速進(jìn)步提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。國內(nèi)眾多企業(yè)和政府機(jī)構(gòu)開始積極推廣金屬３Ｄ打印技術(shù)，并將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過程。例如，北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司成功研發(fā)了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的ＬＤＥＤ設(shè)備，并在航空航天等行業(yè)獲得多項(xiàng)應(yīng)用成果。在科研層面，北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊(duì)在高性能難加工金屬大型復(fù)雜關(guān)鍵部件的激光增材制造工藝、成套設(shè)備和工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重大突破，還開辟了ＬＤＥＤ多元金屬硅化物高溫耐蝕耐磨特種涂層這一新研究領(lǐng)域，相關(guān)研究成果已在飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等高端裝備的研制和生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。２０１０年后，我國一些企業(yè)開始涉足金屬３Ｄ打印技術(shù)領(lǐng)域，例如西安鉑力特、湖南華曙高科、南京中科煜宸等。這些企業(yè)投資研發(fā)３Ｄ打印設(shè)備，開發(fā)金屬打印材料，探索在行業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。我國制造業(yè)逐漸開始認(rèn)可并采用該技術(shù)，應(yīng)用范圍以航空航天、國防軍工和汽車工業(yè)為主。我國政府對ＬＤＥＤ技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用，通過政策支持、資金投入和研發(fā)計(jì)劃推動了ＬＤＥＤ技術(shù)的發(fā)展并加速了ＬＤＥＤ技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

２.２.３ 技術(shù)突破與拓展

近年來，我國逐漸成為推動金屬３Ｄ打印技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)導(dǎo)者之一。國內(nèi)企業(yè)不僅在技術(shù)研發(fā)方面取得了重大突破，還在推廣應(yīng)用方面表現(xiàn)出色。改進(jìn)了３Ｄ打印設(shè)備的性能和穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)效率。北京理工大學(xué)姜瀾院士獲批了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“增材制造與激光制造”重點(diǎn)專項(xiàng)，其研究成果達(dá)到國際先進(jìn)水平。金屬３Ｄ打印技術(shù)在我國的應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、國防軍工、生物醫(yī)療、船舶制造和汽車工業(yè)等。我國航空業(yè)制造發(fā)動機(jī)零部件、國防領(lǐng)域制造精密零件、醫(yī)療行業(yè)制造植入物和假肢以及汽車工業(yè)改進(jìn)零部件生產(chǎn)都已經(jīng)開始采用金屬３Ｄ打印技術(shù)（包括ＬＤＥＤ和ＬＰＢＦ技術(shù)）。我國企業(yè)在國際市場上也展現(xiàn)了較強(qiáng)競爭力，同時還在國際合作方面發(fā)揮了重要作用。通過積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定、國際專利的申請，與國際伙伴合作開展研究項(xiàng)目，推動了金屬３Ｄ打印技術(shù)在國際舞臺上的不斷發(fā)展。

３ 激光定向能量沉積技術(shù)的研究現(xiàn)狀

３.１ 模型建立與數(shù)據(jù)處理

構(gòu)建零件的三維模型主要采用兩種策略：直接構(gòu)建和逆向工程。在直接構(gòu)建法中，利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ、Ｐｒｏ／Ｅ、ＵＧ、Ｉｎｖｅｎｔｏｒ、Ｒｈｉｎｏ等軟件，可以在計(jì)算機(jī)上直接創(chuàng)建零件的三維幾何模型。逆向工程法則利用Ｉｍａｇｅｗａｒｅ、ＧｅｏｍａｇｉｃＳｔｕｄｉｏ、ＣｏｐｙＣＡＤ、ＲａｐｉｄＦｏｒｍ等逆向工程軟件對現(xiàn)有零件進(jìn)行掃描，進(jìn)而在計(jì)算機(jī)中重建三維模型。目前，三維模型數(shù)據(jù)處理的主要流程包括將ＣＡＤ模型轉(zhuǎn)換成ＳＴＬ格式，隨后對ＳＴＬ文件進(jìn)行診斷修復(fù)、分層切割、路徑規(guī)劃以及數(shù)控代碼生成。分層切割算法基于ＳＴＬ模型可以采用等厚分層、自適應(yīng)分層或曲面分層等多種方式［３４］。路徑規(guī)劃技術(shù)則包括光柵掃描、輪廓偏置掃描和分區(qū)分形掃描等方法。當(dāng)前，分層切割算法和路徑規(guī)劃的研究重點(diǎn)在于提升其精確度、穩(wěn)定性和效率。金宇鵬［３５］改進(jìn)了ＳＴＬ模型的曲面分層算法，提升了分層效率，并通過基于中軸線的輪廓偏置掃描方法，顯著減少了路徑中斷頻率。田仁強(qiáng)等［３６］提出了一種基于ｘ-ｙ分辨率的ＳＴＬ模型自適應(yīng)分層算法，簡化了分層參數(shù)處理，并提高了分層輪廓精細(xì)度，具體示例如圖７所示。

３.２ 材料與工藝

ＬＤＥＤ技術(shù)普遍選用直徑范圍為４５～１５０μｍ的球形金屬粉末或直徑介于０.８～３ｍｍ的金屬絲材作為原料。目前，廣泛應(yīng)用于該技術(shù)的合金材料主要包括Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ（ＴＣ４）鈦合金、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ鋁合金、３１６Ｌ不銹鋼、３００Ｍ 高強(qiáng)鋼、Ｈ１３模具鋼、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８（ＧＨ４１６９）鎳基超高溫合金、銅合金和鎢合金等［３７］。針對ＬＤＥＤ過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度、掃描策略、光斑大小、送粉／送絲速率和搭接率等［３８］，結(jié)合輔助工藝如鍛造軋制、電磁感應(yīng)、超聲振動、元素添加和熱處理等，對整個工藝過程的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行了深入優(yōu)化。

２０世紀(jì)末，美國Ｓａｎｄｉａ和ＬｏｓＡｌａｍｏｓ國家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開始利用ＬＥＮＳ技術(shù)和ＤＬＦ技術(shù)對Ｈ１３模具鋼、３１６不銹鋼、Ｉｎｃｏｎｅｌ６９０鎳基超高溫合金、Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ鈦合金等材料的成形工藝進(jìn)行了研究。近期，德國Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ研究所詳細(xì)闡述了ＬＤＥＤ技術(shù)的工藝步驟，并通過不同工藝參數(shù)制造Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ圓柱體和Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８方塊，以評估各種工藝參數(shù)的適用性，并成功將優(yōu)化后的工藝應(yīng)用于Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ合金渦輪葉片的縱樹形榫頭制造。西安交通大學(xué)盧秉恒院士團(tuán)隊(duì)［３９］研究了懸垂結(jié)構(gòu)空間可變?nèi)∠虻模蹋模牛募夹g(shù)，成功制造出具有懸垂結(jié)構(gòu)的“花瓶”形金屬零件，其最大懸垂角度達(dá)到８０°，如圖８所示。霍浩等［４０］利用ＬＤＥＤ技術(shù)制備Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ合金過程中通過添加變質(zhì)劑（硼和硅），并結(jié)合感應(yīng)加熱和熱處理，實(shí)現(xiàn)了晶粒細(xì)化和微觀組織的改善，制備出了性能優(yōu)異的鈦合金樣品，還探討了超聲沖擊鍛造輔助ＬＤＥＤ工藝對Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ合金微觀組織和各向異性的影響。楊膠溪等［４１］采用ＬＤＥＤ技術(shù)進(jìn)行了無磁復(fù)合材料、鎳基耐磨抗腐蝕材料和軟磁材料的制備工藝及冶金機(jī)理研究。運(yùn)用固體與分子經(jīng)驗(yàn)電子理論（ＥＥＴ理論）、第一性原理等方法研究磁性控制機(jī)理，并通過添加合金元素調(diào)控材料性能，制備出高性能梯度結(jié)構(gòu)材料。

３.３ 過程模擬與仿真

ＬＤＥＤ技術(shù)仿真分析涉及宏觀、介觀、微觀以及多尺度多物理場的模擬，常用仿真軟件包括ＡＮＳＹＳ、ＣＯＭＳＯＬ、ＳＩＭＵＦＡＣＴ、ＦＬＯＷ-３Ｄ和ＡＭ-ＰｒｏＳｉｍ等。計(jì)算機(jī)輔助模擬仿真技術(shù)能夠深入探究ＬＤＥＤ過程中的熔池形態(tài)、溫度分布、微觀結(jié)構(gòu)演變、部件變形、殘余應(yīng)力狀況以及可能產(chǎn)生的冶金缺陷等關(guān)鍵因素［４２］。

美國Ｓａｎｄｉａ國家實(shí)驗(yàn)室［４３］運(yùn)用有限元分析（ＦＥＡ）方法構(gòu)建了３０４Ｌ不銹鋼管的三維仿真模型，模擬了ＬＤＥＤ成形過程中的溫度場，預(yù)測了殘余應(yīng)力和微觀組織的發(fā)展趨勢，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。ＷＡＬＫＥＲ等［４４］開發(fā)了新的仿真模型，用于預(yù)測Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８鎳基超高溫合金在成形過程中沉積層幾何形狀和熱－力場的變化。該模型對沉積層高度和寬度的預(yù)測誤差分別為６.５％和７.６％，而對溫度和殘余應(yīng)力的預(yù)測誤差分別為６.２％和１１.４％。張吉平等［４５］利用三光束光內(nèi)送絲技術(shù)，通過ＡＮＳＹＳ軟件對不同工藝參數(shù)下ＬＤＥＤ成形碳鋼材料的熔池溫度場進(jìn)行了仿真研究。通過仿真和實(shí)驗(yàn)綜合分析，對工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，仿真得到的熔池溫度分布如圖９所示。

３.４ 成形質(zhì)量檢測與分析

當(dāng)評估ＬＤＥＤ工藝參數(shù)的有效性時，通常需要對成形件的質(zhì)量進(jìn)行全面檢測與分析。包括對成形精度、微觀組織、機(jī)械性能（如硬度、摩擦磨損性能、抗拉強(qiáng)度、殘余應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度等）以及冶金缺陷（如未熔合、裂紋和孔洞等）的評估。檢測方法可分為機(jī)械測試（如拉伸、壓縮和沖擊測試等）和無損檢測技術(shù)（如超聲波檢測、射線檢測、工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描（ＣＴ）和熒光滲透檢測等）［４６］。

目前，針對Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８等材料的ＬＤＥＤ制備工藝已經(jīng)較為成熟，經(jīng)過適當(dāng)熱處理后零件能夠達(dá)到與傳統(tǒng)制造工藝相媲美的機(jī)械性能［４７－４８］。美國Ｓａｎｄｉａ國家實(shí)驗(yàn)室［４９］與Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ大學(xué)［５０］合作研究了ＬＤＥＤ工藝參數(shù)對３１６Ｌ不銹鋼成形質(zhì)量、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響，并探討了微觀結(jié)構(gòu)的演變和冶金缺陷的形成機(jī)制。北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊(duì)［５１］對高性能大型鈦合金構(gòu)件的ＬＤＥＤ技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，并建立了硬度、強(qiáng)度、微觀組織與工藝參數(shù)之間的相關(guān)性。圖１０為采用ＬＤＥＤ技術(shù)與鍛造方法制備的超高強(qiáng)度鈦合金Ｔｉ-４-５Ａｌ-５Ｍｏ-５Ｖ-６Ｃｒ-１Ｎｂ試樣組織的電子背散射衍射（ＥＢＳＤ）對比圖［５１］。相關(guān)研究結(jié)果可為鈦合金增材制造件的組織優(yōu)化和強(qiáng)塑性匹配提供理論依據(jù)。

３.５ 在線監(jiān)測與閉環(huán)控制

在ＬＤＥＤ過程中，誤差累積可能會導(dǎo)致成形精度降低。為了將成形過程精度控制在可接受的誤差范圍內(nèi)，采用閉環(huán)控制策略顯得尤為重要。對熔池溫度、成形尺寸（寬度或高度）、送粉／送絲速率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并通過實(shí)時反饋調(diào)整激光功率、掃描速度等，以確保成形過程的穩(wěn)定性［５２］。

ＺＡＶＡＬＯＶ等［５３］對ＬＤＥＤ過程中激光與氣粉混合物相互作用產(chǎn)生的溫度分布進(jìn)行了深入分析，并提出了一種熔池溫度在線監(jiān)測方法。日本三菱先進(jìn)技術(shù)研發(fā)中心與大阪大學(xué)的合作研究團(tuán)隊(duì)［５４］開發(fā)了一套激光沉積高度在線測量和送絲速度反饋控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效確保沉積高度和送絲速度處于最優(yōu)狀態(tài)。劉鵬偉等［５５］設(shè)計(jì)了一種基于狀態(tài)空間模型的控制系統(tǒng)，用于精確控制ＬＤＥＤ過程中的熔池溫度，并通過預(yù)測控制策略減少了熔池溫度波動和基板變形。圖１１為熔池溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖［５５］。上述研究成果對提升ＬＤＥＤ技術(shù)的可靠性具有重要意義。

４ 激光定向能量沉積技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

４.１ 快速成形

ＬＤＥＤ技術(shù)在快速成形方面的應(yīng)用主要集中于大型金屬構(gòu)件的直接制造和難加工材料的沉積成形，旨在減少制造成本和縮短生產(chǎn)時間［５６］。早在２０００年，美國國防部和海軍研究院主導(dǎo)的“鈦合金柔性制造”項(xiàng)目便成功制造了Ｆ／Ａ-１８Ｅ／Ｆ戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼翼根吊環(huán)和降落連桿。這些部件的性能優(yōu)于傳統(tǒng)制造方法，生產(chǎn)成本降低了２０％，生產(chǎn)周期縮短了７５％。英國ＧＫＮ公司利用ＬＤＥＤ技術(shù)加固Ｖｕｌｃａｉｎ２.１火箭噴嘴，并制造關(guān)鍵連接部件，選用超過５０ｋｇ的鎳基超高溫合金，使得零件數(shù)量減少９０％，生產(chǎn)成本降低４０％，生產(chǎn)周期縮短３０％。

部分ＬＤＥＤ快速成形零件如圖１２［５６］所示。美國國家航空航天局（ＮＡＳＡ）采用ＬＤＥＤ技術(shù)制造了火箭噴嘴部件，如圖１２ａ所示。ＲＰＭ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ公司使用ＬＤＥＤ技術(shù)制造了一體成形彎管零件，該零件包含４個９０°彎折處，如圖１２ｂ所示。德國ＤＭＧＭＯＲＩ公司采用ＬＤＥＤ技術(shù)制造多個３１６Ｌ不銹鋼零件，如圖１２ｃ所示。西北工業(yè)大學(xué)利用激光熔覆成形技術(shù)為國產(chǎn)Ｃ９１９大型客機(jī)制造長達(dá)３０７０ｍｍ的鈦合金中央翼緣條，如圖１２ｄ所示。北京航空航天大學(xué)通過ＬＤＥＤ技術(shù)制造多種大型鈦合金部件，包括飛機(jī)鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框，如圖１２ｅ所示。南京中科煜宸公司利用自主研發(fā)的增材制造設(shè)備成功沉積成形發(fā)動機(jī)葉輪，如圖１２ｆ所示。上述應(yīng)用表明，ＬＤＥＤ技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的快速成形應(yīng)用已經(jīng)取得顯著經(jīng)濟(jì)和時間雙重效益。

４.２ 結(jié)構(gòu)添加

ＬＤＥＤ技術(shù)在提升現(xiàn)有零件性能方面具有顯著作用，通過在零件表面沉積不同材料，能夠增強(qiáng)其耐腐蝕、耐磨損和耐高溫等特性［２０］。例如，美國ＤＭ３Ｄ公司利用銅基金屬進(jìn)行沉積，制造汽車部件模具，不僅能確保模具在注塑過程中的強(qiáng)度和耐磨損性，同時也能夠提升冷卻效率。圖１３為部分ＬＤＥＤ結(jié)構(gòu)添加零件［２０］。德國ＴＲＵＭＰＦ公司通過ＬＤＥＤ技術(shù)在鋁壓鑄件表面添加鋁合金結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)零件整體性能，如圖１３ａ所示；法國ＢｅＡＭ公司在３０４不銹鋼零件表面沉積Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５鎳基高溫合金網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖１３ｂ所示；北京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合鐵道科學(xué)研究院及特冶（北京）科技發(fā)展有限公司，在Ｕ７５Ｖ和Ｕ２０Ｍｎ貝氏體鋼軌上進(jìn)行高性能材料沉積，旨在提升新型轍叉的抗沖擊和抗?jié)L動接觸疲勞性能，如圖１３ｃ所示；中國科學(xué)院沈陽自動化研究所與一重集團(tuán)天津重工有限公司合作，采用ＬＤＥＤ技術(shù)在軸盤類關(guān)鍵部位的外表面沉積高硬度和耐磨損涂層，與傳統(tǒng)手工ＴＩＧ焊接相比，該技術(shù)顯著降低變形量（僅為傳統(tǒng)手工ＴＩＧ焊的３０％），同時耐磨性提高１倍，耐腐蝕性提升３０％，如圖１３ｄ所示。上述應(yīng)用展示了ＬＤＥＤ技術(shù)在提升材料性能方面的巨大潛力和實(shí)際應(yīng)用價值。

４.３ 修復(fù)再制造

ＬＤＥＤ技術(shù)在修復(fù)再制造領(lǐng)域展現(xiàn)了其作為一種高效手段的潛力，能夠?qū)κ軗p零件特定區(qū)域進(jìn)行修復(fù)和重建，顯著減少了更換零件的相關(guān)成本［２２］。圖１４為部分ＬＤＥＤ 修復(fù)再制造零件［２２］。美國Ｏｐｔｏｍｅｃ公司運(yùn)用ＬＤＥＤ技術(shù)成功修復(fù)磨損的齒輪軸頸，如圖１４ａ所示；沈陽工業(yè)大學(xué)利用ＬＤＥＤ技術(shù)為沈陽精新再制造有限公司修復(fù)受損的機(jī)床直線導(dǎo)軌，使得再制造后的機(jī)床關(guān)鍵零部件的綜合力學(xué)性能超過新件的９０％，如圖１４ｂ所示；美國羅切斯特理工學(xué)院采用ＬＤＥＤ技術(shù)為漢斯福德零部件產(chǎn)品公司修復(fù)受損的齒輪，如圖１４ｃ所示。西北工業(yè)大學(xué)采用ＬＤＥＤ技術(shù)對某型號發(fā)動機(jī)的高壓一級渦輪葉片進(jìn)行修復(fù)，并已在超過５０臺發(fā)動機(jī)上得到應(yīng)用，如圖１４ｄ所示。上述應(yīng)用證明了ＬＤＥＤ技術(shù)在修復(fù)和再制造領(lǐng)域的有效性和實(shí)用性。

５ 展 望

ＬＤＥＤ技術(shù)在原理上打破了傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制，使得材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀形狀的精確控制成為可能。這一技術(shù)革新了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，從“制造先行、可造性優(yōu)先、經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)向”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸O(shè)計(jì)主導(dǎo)、功能優(yōu)先、拓?fù)鋬?yōu)化”，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和制造的真正融合。ＬＤＥＤ技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋鈦合金、鋁合金、銅合金、鎂合金、高溫合金、不銹鋼等多種金屬材料，以及添加了無機(jī)非金屬增強(qiáng)相（如陶瓷、碳、石墨、硼等）的金屬基復(fù)合材料等。制造尺度也呈現(xiàn)兩極化發(fā)展，一方面向大尺寸復(fù)雜構(gòu)件發(fā)展，另一方面向微納精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)展。制造環(huán)境也從地表走向星際和太空，產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境從常規(guī)條件向高溫、高壓、大載荷、強(qiáng)腐蝕等極端條件延伸，應(yīng)用領(lǐng)域從傳統(tǒng)制造業(yè)（如機(jī)械、航空航天、船舶等）拓展到新能源、生物醫(yī)療、康復(fù)產(chǎn)業(yè)、文物保護(hù)、文化創(chuàng)意、教育等新興行業(yè)。

ＬＤＥＤ技術(shù)近年來取得了顯著發(fā)展，對各行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級起到了關(guān)鍵推動作用。國內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)通過產(chǎn)學(xué)研用的立體合作模式，探索出了一條具有中國特色的增材制造發(fā)展道路，為技術(shù)創(chuàng)新、軍民融合、新興產(chǎn)業(yè)和國防事業(yè)的發(fā)展提供了廣闊空間。ＬＤＥＤ技術(shù)作為增材制造領(lǐng)域的前沿技術(shù)，突破了傳統(tǒng)制造在材料、形狀、尺寸、功能等方面的限制，能夠在無須模具的情況下制造出復(fù)雜的近凈成形結(jié)構(gòu)，應(yīng)用范圍涵蓋全彩色、異質(zhì)、功能梯度材料等，跨越多個尺度，實(shí)現(xiàn)整體成形并滿足復(fù)雜部件的裝配需求。因此，該技術(shù)被廣泛認(rèn)為是未來制造方式中最具潛力和應(yīng)用前景的技術(shù)之一。加強(qiáng)ＬＤＥＤ技術(shù)的科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，充分發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢，將為提升國家綜合實(shí)力和推動高新技術(shù)發(fā)展提供強(qiáng)有力支持。

６ 結(jié)束語

ＬＤＥＤ技術(shù)作為一種前沿增材制造技術(shù)，已經(jīng)在多個工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，其發(fā)展趨勢表明，ＬＤＥＤ技術(shù)將繼續(xù)在材料科學(xué)、制造工藝和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。隨著技術(shù)的不斷成熟和優(yōu)化，ＬＤＥＤ技術(shù)有望進(jìn)一步降低制造成本、縮短生產(chǎn)周期并提升產(chǎn)品性能。此外，ＬＤＥＤ技術(shù)的環(huán)境友好性和對資源的高效利用，預(yù)示著其將在推動制造業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展中扮演關(guān)鍵角色。

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［３７］ＳＶＥＴＬＩＺＫＹＤ，ＺＨＥＮＧＢＬ，ＶＹＡＴＳＫＩＫＨＡ，ｅｔａｌ．Ｌａｓｅｒｂａｓｅｄｄｉｒｅｃｔｅｄｅｎｅｒｇｙｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＤＥＤＬＢ）ｏｆａｄｖａｎｃｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ａ，２０２２，８４０：９６７－９７５．

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（ＷＡＮＧＹ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｎｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｌａｙｅｒａｎｄｍｏｌｔｅｎｐｏｏｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＩＮ７１８ｃｏａｘｉａｌｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇｌａｓｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ［Ｄ］．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ：ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０．）

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（ＱＩＡＮ ＳＸ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｎｉｃｋｅｌｂａｓｅｄａｌｌｏｙａｎｄｉｔｓｓｕｒｆａｃｅｌａｓｅｒｐｅｅｎｉｎｇ［Ｄ］．Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ：ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０２１．）

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（ＣＨＥＮＺＫ，ＪＩＡＮＧＪＸ，ＷＡＮＧＹＪ，ｅｔａｌ．Ｄｅｆｅｃｔｓ， ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｍｅｔａｌａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，２０２１， ５３（１２）：３１９０－３２０５．）

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（ＺＨＡＮＧＺＱ，ＹＡＮＧＱ，ＹＵＺＭ，ｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｌａｓｅｒｐｏｗｅｒｏｎｍａｃｒｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＴｉ６Ａｌ４Ｖ／ＮｉＣｒＣｒ３Ｃ２ｃｌａｄｄｉｎｇｃｏａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｐｏｒｔｓ，２０２４，３８（２）：１８２－１８８．）

［４８］桂萬元，畢文亞，鐘誠，等．高速激光熔覆Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５／Ｙ２Ｏ３復(fù)合涂層高溫耐磨性能研究［Ｊ］．材料研究與應(yīng)用，２０２２，１６（６）：９０５－９１１．

（ＧＵＩＷ Ｙ，ＢＩＷ Ｙ，ＺＨＯＮＧＣ，ｅｔａｌ．ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆＩｎｃｏｎｅｌ６２５／Ｙ２Ｏ３ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇｂｙｈｉｇｈｓｐｅｅｄｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２０２２，１６（６）：９０５－９１１．）

［４９］ＹＡＮＧＮ，ＹＥＥＪ，ＺＨＥＮＧＢ，ｅｔａｌ．Ｐｒｏｃｅｓｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｙｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｆｏｒ３１６Ｌｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄｉｔｓｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅｒｍａｌＳｐｒａｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１７，２６（４）：６１０－６２６．

［５０］ＺＨＥＮＧＢ，ＨＡＬＥＹ ＪＣ，ＹＡＮＧ Ｎ，ｅｔａｌ．Ｏｎｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｄｅｆｅｃｔｃｏｎｔｒｏｌｉｎ３１６ＬＳＳｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｖｉａｄｉｒｅｃｔｅｄｅｎｅｒｇｙｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ａ，２０１９， ７６４：２４３－２４９．

［５１］ＹＡＮＧＪＷ，ＴＡＮＧＨＢ，ＷＥＩＰＹ，ｅｔａｌ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｎｕｌｔｒａｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ Ｔｉ４５Ａｌ５Ｍｏ５Ｖ６Ｃｒ１Ｎｂ ｐｒｅｐａｒｅｄｕｓｉｎｇｌａｓｅｒｄｉｒｅｃｔｅｄｅｎｅｒｇｙｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｆｏｒｇｉｎｇ：ａｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＦｒｏｎｔｉｅｒｓ，２０２３， ２（１）：６４－７７．

［５２］ＳＭＯＱＩＺ，ＢＥＶＡＮＳ Ｂ Ｄ，ＧＡＩＫＷＡＤ Ａ，ｅｔａｌ．Ｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｏｆｍｅｌｔｐｏｏｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｄｉｒｅｃｔｅｄｅｎｅｒｇｙｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｄｅｓｉｇｎ，２０２２，２１５：５０８－５１７．

［５３］ＺＡＶＡＬＯＶＹＮ，ＤＵＢＲＯＶ Ａ Ｖ，ＤＵＢＲＯＶ Ｖ Ｄ．Ｏｐｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｏｆｏｎｌｉｎｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｎｔｈｅｍｅｌｔｓｕｒｆａｃｅｉｎｌａｓｅｒｍｅｔａｌｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］／／ＯｐｔｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍｓｆｏｒＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＸＩ．Ｍｕｎｉｃｈ，Ｇｅｒｍａｎｙ：ＳＰＩＥ，２０１９：７９１－７９６．

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（ＬＩＵＰＷ，ＬＩＡＯＦＹ，ＺＨＡＯＹＪ，ｅｔａｌ．ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｉｎａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆＴＣ４ａｌｌｏｙｂａｓｅｄｏｎｐｈｙｓｉｃｓｉｎｆｏｒｍｅｄｄａｔａｄｒｉｖｅｎａｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｌａｓｔｉｃｉｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２３，３０（６）： １６６－１７５．）

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（責(zé)任編輯：尹淑英 英文審校：尹淑英）

特邀專家 劉偉軍，沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院院長，博士生導(dǎo)師，二級教授。獲中央組織部“萬人計(jì)劃”科技創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才、科技部創(chuàng)新人才推進(jìn)計(jì)劃創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才、遼寧省百千萬人才工程百人層次、遼寧省科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、遼寧最美科技工作者、沈陽市五一勞動獎?wù)碌葮s譽(yù)稱號。兼任國家數(shù)控重大專項(xiàng)總體組專家，中國計(jì)量測試學(xué)會在線檢測及智能制造專業(yè)委員會副主任委員，遼寧省機(jī)械工程學(xué)會自動化分會副理事長。長期致力于激光制造與智能制造技術(shù)研究和應(yīng)用推廣，主持完成國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國防９７３、國家９７３、數(shù)控重大專項(xiàng)、“８６３計(jì)劃”、國家自然科學(xué)基金等國家及省部級以上課題６０余項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文２００余篇，其中ＳＣＩ和ＥＩ收錄１００余篇，出版專著２部，獲發(fā)明專利１００余項(xiàng)。獲省級以上科技進(jìn)步獎等成果１０余項(xiàng)。突破大型復(fù)雜金屬構(gòu)件激光增材制造、激光沖擊強(qiáng)化、激光清洗、增減復(fù)合制造、自動化鉆鉚關(guān)鍵核心技術(shù)，研制系列化激光制造與智能制造成套裝備，在航空航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了工程化應(yīng)用，為提升航空發(fā)動機(jī)等高端裝備制造運(yùn)維能力與水平提供技術(shù)支撐與裝備保障。

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（２０２２ＹＦＢ４６０２２０２）；遼寧省高等學(xué)校重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目（ＪＹＴＺＤ２０２３１１３）。