对金属増材制造技术发展的思考

对金属高性能增材制造技术发展的思考增材制造技术是采用材料累加方法制造实体的技术，与材料去除加工方法相反，这种技术能够减少加工工序、缩短加工周期，并且可以解决诸多复杂结构零件的成型难题。在金属增材制造过程中，由于金属熔点比较高，制造中存在多种复杂的物理过程，需要考虑很多参数，因而金属零部件的快速成型技术较为困难。但由于其独特优势而在航空航天、新材料、光电等领域发展迅猛，应用广泛，同时由于起步较晚，日前还面临一些科学问题，存在一些技术瓶颈。1、金属增材制造的原理及现有方法金属增材制造技术是一种基于离散/堆积成形思想的新型制造技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进产品研究与开发技术。其实质就是CAD软件驱动下的激光三维熔覆过程，基本过程是将三维模型沿一定方向离散成一系列有序的二维层片；根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码；成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体。金属增材制造技术现在有多种原型技术，其中高性能增材制造以选区激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)和同步材料送进激光立体成型(LaserSolidForming,LSF)较为典型。选区激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)技术：粉末材料预先铺展在沉积区域，其层厚一般为20-100Mm，利用高亮度激光按照预先规划的扫描路径轨迹逐层熔化金属粉末，冷却后对零件进行光整即可以得到净成形零件。同步材料送进激光立体成型（LaserSolidForming,LSF）技术：由激光在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状直接送入高温熔池，熔化后逐层沉积，也被称为激光直接沉积增材制造技术。2、金属增材制造的优势及特点金属零件激光增材制造技术以高功率或高亮度激光为热源，逐层熔化金属粉末或丝材，直接制造出任意复杂形状的零件，其优点有：（1）制造速度快，节省材料，降低成本；（2）不需采用模具，使得制造成本降低15%-30%，生产周期节省45%-70%；（3）可以生产用传统方法难于生产甚至不能生产的形状复杂的功能金属零件；（4）可在零件不同部位形成不同成分和组织的梯度功能材料结构，不需反复成形和中间热处理等步骤；（5）激光直接制造属于快速凝固过程，金属零件完全致密、组织细小，性能超过铸件；（6）近成形件可直接使用或者仅需少量的后续机加工便可使用。对于不同的金属增材制造技术，其技术特点还各有不同。如：选区激光熔化（SLM）制造技术仅适用于单一材料小尺寸的制造，且效率较低，但是具有成型近乎无限结构复杂性的零件；同步材料送进激光立体成型（LSF）技术相对具有较高的效率，可实现多种材料的复合，不受零件尺寸大小限制，具有高性能修复的能力，但是成型零件的结构复杂性受到一定的限制。3、金属增材制造发展状况及应用金属增材制造具有：（1）高柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；（2）CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；（3）成形过程无需专用夹具或工具；（4）无需人员干预或只需较少干预；（5）成型全过程的快速响应等特点，为金属零件制造提供了短周期、高柔性、低成本的加工手段，日前在国内外发展迅速且应用广泛。国外金属增材成型技术起步相对较早，发展较为成熟。以SLM技术为例，由于该技术可制备叠层材料、功能复合材料、裁缝式地制成“变成分”材料或研制零件整体叶盘、框、梁等关键构件，且其力学性能达到锻件的水平。其相关成果已在武装直升机、AIM导弹、波音7X7客机、F/A-18E/F、F22战机等方面均有实际应用，已成为美国航空航天国防武器装备金属结构件的核心制造新技术之一。近期，美国专门成立了国家增材制造技术中心，拟加快增材制造技术推广应用。另外先进激光技术的应用和相关商业化设备的应用促进了各国金属增材制造技术的发展。譬如德国EOSGmbH公司新开发的激光选区熔化设备EOSINTM280采用束源质量高的Yb光纤激光器，将激光束光斑直径聚焦到100〃m，大幅提高激光扫描的速度，减少成形时间，其成形零件性能与锻件相当，近几年来，英国、德国、法国、美国、瑞典等国外发达国家先后开发了GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4等合金金属复杂结构的选区激光熔化增材制造商业化设备，并开展应用基础研究。国外著名企业罗•罗、GE、普惠、MTU、波音、EADS、空客等在航空航天武器装备上已利用此技术开发商业化的金属零部件。国内金属增材制造技术虽起步稍晚，但是发展迅速，并取得了一定的成果。西北工业大学国家凝固重点实验室黄卫东老师领导的科研团队突破性完成长达三米的C919飞机中央翼肋上缘条毛坯试制，其力学性能已超过锻件水平，且室外放置一个月的最大变形量小于0.8mm；北京航空航天大学在飞机大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形及装机应用关键技术研究方面也取得突破性进展，研制出某型号飞机钛合金前起落架整体支撑框、C919接头窗框等金属零部件；中航工业北京航空制造工程研究所使用金属增材制造技术成功修复了某型号TC11钛合金整体叶轮，并通过试车考核。另外，其它金属增材制造技术近几年也取得一定进展oSandia国家实验室采用LENS(LaserEngineeredNetShaping,LENS)技术实现了某卫星TC4钛合金零件毛坯的成形，成形过程需要64h，完成零件的最终热处理，整个加工工序耗时1周。而此零件采用传统机械加工的方法则需要11周。美国铢公司则采用DLF(DirectedLaserFabrication，DLF)技术实现了SM3导弹三维导向和姿态控制系统中铢零件的快速制备，与传统技术相比，可降低成本50%，同时缩短50%的制造周期。4、对金属增材制造发展方向的一些思考金属增材制造技术由于其独特优势，在未来数十年时间还会保持甚至高于现有的热度继续发展，而未来的金属增材制造技术将在横向和技术纵深有更多的探索：（1）热源选择上将更具多元性，除激光束外，其他高能流束如电子束、电弧等可能会得到发展应用；（2）材料送进方式方面粉床技术和同步送粉技术运用将更加成熟，其它送材技术可能得到开发应用；（3）成型复杂结构零件的能力将会提高；（4）零件尺寸成型范围将会扩大；（5）成型质量、精度与效率将会优化协调以更适应工业应用和市场发展；（6）除现以大量钛合金外的，其它种类金属也可实现快速增材制造。金属增材制造技术由于其先进的制造理念和新颖的制造方法，现有的材料科学体系先关知识还不能回答其发展过程中的遇到的全部科学问题，如：（1） 晶粒结构与成分分布同力学性能的关系如何？与铸造组织和锻造组织有何异同？（2） 金属增材制造相结构与形态同力学性能的关系如何？是否同经典相理论完全一致？（3） 微观交变应力对增材制造的零件组织和性能有何影响？（4） 致密度的精确数据对零件力学性能有何影响？（5） 典型冶金缺陷对零件力学性能有何影响？典型冶金缺陷是否可以通过同类技术进一步修复?增材制造专用的金属材料体系是怎样的体系？它与减材制造体系差异有多大？伴随着这些问题，给定约束条件下的结构最优化设计的“功能优先”理念将为人们所熟知，工程人员将会围绕适合于增材制造的典型结构类型，增材制造成形过程的应力、变形与结构的关系，强度、刚度、振动特性、重量、结构类型的相互关系，结构的应力分布与传递特性，与声、光、电、磁、热等功能特性相关的结构设计原理及与组合制