激光选区熔化成形技术的发展现状及研究进展

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1、钐论坛激光选区熔化成形技术的发展现状及研究进展StatusandProgressofSelectiveLaserMeltingFormingTechnology中航工业成都飞机设计研究所赵志国柏林李黎黄建云赵志国中航工业成都飞机设计研究所材料室副主任。长期从事航空材料应用研究、热工艺制造技术研究工作，在金属热成形制造、铝加工技术等方面有一定经验。获中航工业集团科技进步三等奖1项，国防科技进步奖一等奖1项。立三等功1次。随着航空航天装备更加注重追求轻质、高效和高可靠性，设计中越来越多地采用复杂整体结构件和精密复杂结构件。由于单个结构件的尺寸和复杂性不断增加，对结构46航空制造技术·2014年第

2、19期激光选区熔化成形技术突破了传统制造工艺的变形成形和去除成形的常规思路，可根据零件三维数模，利用金属粉末无需任何工装夹具和模具，直接获得任意复杂形状的实体零件，实现“净成形”的材料加工新理念，特别适用于制造具有复杂内腔结构的难加工钛合金、高温合金等零件。件加工制造要求日趋苛刻。同时，航空航天用钛合金等材料具有高熔点、难变形和难加工等特点，使得复杂整体结构件和精密复杂结构件的制造尤其困难。特别是越来越多的异形结构，传统的锻造、铸造、焊接、机加等成形工艺已无法满足结构件的设计和制造要求。因此，研究开发能够解决航空航天整体复杂钛合金结构件难加工甚至无法加工问题的制造技术途径，已成为先进制造技术

3、的重要发展方向和前沿热点课题fl-2l。高能束流增材制造技术又称3D打印技术，是一种从三维数模概念设计到三维实体柔性制造一体化的高新技术，它以离散／堆积增材制造的成形思想为基础，综合利用高能束热源、计算机、数模、数控、冶金和新材料等多学科交叉融合的一项高新的先进制造技术13-51。根据材料和能量到达沉积点的先后顺序不同，可以分为选取熔化技术和熔覆沉积技术。工业制造中普遍采用激光束和电子束作为能量源。随着增材制造技术发展的不断推动，该技术在各个领域的应用也不断扩大，目前已形成了3种各具特点的直接成形技术：激光近净成形技术、激光选取熔化成形技术、电子束快速制造技术[6-710目前，SpeclaI

4、Process哪特种加工蒲西谥产一0jil百卜咐。-““川、一、¨，。彳丘蚶产。Ji¨I“叠。象『乏：l尝f、“。”{起求发日t*图2激光选区熔化成形基本原理示意图以上3种技术已发展到金属原型直接制造阶段，尤其是激光选区熔化成形技术在钛合金、铝合金、高温合金、结构钢、不锈钢等材料上的成功应用．已对航空航天工业产生了非常重要的影响。激光选区熔化成形技术1技术原理激光选区熔化成形技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方

5、式，制造三维实体零件。图l和图2分别是激光选区熔艇束发日t器化成形零件示意图和原理示意图。如图2所示，零件的三维数模完成切片分层处理并导人成形设备后，水平刮板首先把薄薄的一层金属粉末均匀地铺在基板上，高能量激光束按照三维数模当前层的数据信息选择性地熔化基板上的粉末，成形出零件当前层的形状，然后水平刮板在已加工好的层面上再铺一层金属粉末，高能束激光按照数模的下一层数据信息进行选择熔化，如此往复循环直至整个零件完成制造。2技术特点图3为激光选区熔化成形技术制造的零件。激光选区熔化成形技术突破了传统制造工艺的变形成形和去除成形的常规思路，可根据零件三维数模，利用金属粉末无需任何工装夹具和模具，直接

6、获得任意复杂形状的实体零件，实现“净成形”的材料加工新理念，特别适用于制造具有复杂内腔结构的难加工钛合金、高温合金等零件。激光选区熔化成形技术通常采用粒径309m左右的超细粉末为原材料，图4为激光选区熔化成形技术制造钛合金零件所使用的TC4超细球形粉，通常铺粉厚度<100斗m(最薄铺粉厚度可达20斗m)，每个加工层控制的很薄，可达到309m。另外该技术还使用了光斑很小的激光束，可使成形的零件具有很高的尺寸精度(可达0．1mm)以及优异的表面质量(粗糙度月。可达30～509m)17-81，图5为选区激光熔化成形TC4钛合金．：◆(h)激此选I‘J=；：i化f戍f

7、=三f岛温fj仑零f个图3激光

8、选区熔化成形技术制造的零件图4激光精密成形用TC4超细粉2014年第19期·航空制造技术47钐论坛謇乡论坛表面形貌。因此该技术具有精度高、表面质量优异等特点，制造的零件只需进行简单的喷砂或抛光即可直接使用。由于材料及切削加工的节省，其制造成本可降低20％～40％，生产周期也将缩短80％15I。从材料性能角度看，该技术制造的结构件具有微细、均匀的快速凝固组织，各项同性，且综合性能优异。表1为激光选区熔化成形、激