L-SS:大功率金属激光熔覆-熔化-烧结成形制造平台

江苏永年激光技术有限公司 颜永年 张定军 陈振东 荆 红 黄晓峰

清华大学老科协先进制造技术项目部 张人佶 汪复兴 卢清萍 程萌芊

在激光三维增材成形技术领域中，激光熔覆沉积成形——LCD*LCD即激光工程净成形——LENS(Laser Engineering Net Shaping)，该技术在1999年被评为世界最有活力的25项高新技术之一。(Laser Cladding Deposition)和选择性激光熔化成形——SLM(Selective Laser Melting)是最为重要的无偏析和高柔性金属成形技术。LCD可将金属熔滴沉积在任意界面，可完成尺寸大、重量重、高性能、高可靠性的金属结构件，因而受到航空等高端制造界的青睐。SLM是三维打印家族中，在成形件的复杂程度方面，名列第一，可完成嵌套性、蜂窝性和三维曲线腔管性结构的成形。

LCD、SLM两种成形工艺，根据CIMS(计算机集成制造系统)的原理，在一个主控计算机管理和控制系统的管控下，可以采用同一种激光器系统 (同一个激光器件、冷水机、电源、控制器)以及同一套真空系统、惰性气氛系统等，通过光纤和光闸“全功率分时”或“分功率同时”，传输给LCD的熔覆头和SLM的振镜，分时或同时完成激光熔覆和激光熔化工艺。根据微粒融化与微滴沉积的先后关系，可分为:“之前熔化”、“同时熔化”和“之后熔化”三类。

“之前熔化”:合金粉末微粒从离开喷嘴孔至熔池的沉降路径上已被激光完全熔化 (也有部分熔化)，熔化的微滴进入熔池组装成形，粉末先熔化后沉积组装，属LCD范畴，常见于同轴送粉LCD。

“同时熔化”:粉末微粒到达熔池的瞬间才即刻融化，也就是边熔化成液态微滴边沉积组装，常见偏轴送粉LCD等。

“之后熔化”:激光根据扫描路径对当前层粉末微粒——已舖在粉床上并被压实的粉末微粒(已先沉积)进行聚焦熔化 (之后熔化)，功率足够的激光束，完全熔化被聚焦的粉末微粒及已成形的上一层金属实体的表层，使其熔为一体，冶金结合而成形，即SLM。“之后熔化”的另一种情况，被称为选择性激光烧结，即降低激光的功率，其仅能熔化被聚焦的金属粉末微粒的表层，并与已成形金属实体表层相冶金结合，类似粉末冶金烧结过程，从而得名选择性激光烧结，即SLS——Selective Laser Sintering。

由于SLS与SLM具有相同的成形机理，仅激光功率大小不同。采用SLS与SLM一样，可完成复杂的，其他工艺难以完成的嵌套性、蜂窝性、三维曲线腔管性结构，SLS适用于非金属，SLM适用于金属。本平台将SLS也纳入集成平台系统，使其功能更强大，用途更广泛。集成LCD、SLS、SLM形成一个统一的平台，简称L-SS平台，属于国际首创 (见图1)。

大功率金属激光熔覆-熔化-烧结成形制造平台由“计算机集成管理-控制系统” (控制系统)、“成形-修复子平台”(简称子平台)和“部件”所组成。控制系统由总控计算机 (总控PC)、激光PLC、SLM/SLS PLC(即熔化-烧结PLC)、熔覆-机器人PLC、机床PLC(包括三轴数控机床、卧式花盘车床、立式花盘台架的PLC)、气体净化PLC(包括真空系统PLC)和LCD PLC(即激光熔覆沉积成形PLC)共七个控制子系统组成 (见图2)。

图1 LCD、SLM/SLS示意图

图2 计算机集成管理-控制系统框图

子平台有轴杆类子平台、盘类子平台、LCD子平台、SLM子平台和SLS子平台，LCD和SLM子平台共用一个惰性气氛成形室以及相应的支持子系统。部件有激光器部件熔覆-机器人部件和气体净化 (包括真空系统)部件。

本平台采用先进碟片式激光器，保证了高质量、标准化、稳定的激光束，恒定不变的发散角，采用光纤传导外光路传导系统、管路LCD送粉系统和SLM/SLS舖粉系统，为激光融覆-烧覆-烧结过程提供金属粉末。LCD子平台和SLM子平台均安装在密封的惰性气氛加工室内，分别执行LCD和SLM工艺，通过充入氩气和氮气排除密封加工室内的空气，利用净化系统去除加工室内的氧和水，使整个激光融覆-熔化过程处于惰性气氛工作环境，减少氧化，保证质量。执行SLM和LCD工艺时，激光束通过光导纤维分别传输给扫描振镜系统和LCD熔覆头，激光聚焦在粉床的粉面上熔化粉末，或聚焦已熔覆成形的界面上，而逐层堆积成形。通过CCD云台摄像监视系统监视观察加工过程。

目前，我公司正在研发、设计制造一台4000W和一台10000W的L-SS平台，其中4000W L-SS平台为永年公司自己使用;另一台10000W LSS平台为某单位定制设备，已签署订购合同。预计两台设备于2014年8月份运行 (见图3)。本平台的可达到的技术指标为:

图3 大功率激光金属熔覆-熔化-烧结3D打印平台系统三维示意图

(1)LCD:①沉积速率16至320立方厘米/小时;②沉积速度:500到2400毫米/分钟;③光束直径 (光斑大小):0.5毫米到6毫米直径;④层厚度:0.1毫米到1.6毫米;⑤硬度:完全硬化“淬火”;⑥粉末效率:40% ～80%(取决于产品);⑦激光功率:1000～4000W;⑧材料:不锈钢、高强钢、高温合金、钛合金、铝合金、高碳钢、结构钢等。

(2)SLM/SLM:①成形空间:400mm×400mm×450mm(或根据用户要求确定);②光束直径 (光斑大小):0.5毫米到2毫米直径;③成形精度:±0.1～0.2mm/100mm;④成形层厚:0.1mm～0.2mm;⑤激光功率:100～4000W;⑥材料:金属材料——不锈钢、高强钢、高温合金、钛合金、铝合金、高碳钢、结构钢等，非金属材料——陶瓷、覆膜砂、生物材料等。

本平台的应用范围很广，其中子平台SLS/SLM属“之后熔化”范畴，金属微滴受到未熔化金属微粒的支撑，从成形的角度分析，相当于熔化的金属受到砂型的支撑——铸造，这是复杂结构成形的前提;更为重要的是，这是一种微滴沉积过程中的实时的支撑，完全不需要预先制造砂型 (芯)，因而具有最大的制造柔性，可完成非常复杂的、精细的、表面粗糙度很低的 (如12.5级)各种合金材料结构，可用于各高端制造领域;SLM/SLS中间结构制造优点是随型冷却流道发模具和发动机成形制造的利器。LCD属本平台将制造功能与修复功能统一起来，即通过金属微滴在支撑结构或磨损的零件上沉积组装，而完成成形制造和修复制造，适用的领域也很广，如航空、核电、石油、军工装备、模具以及矿山和钢铁企业。

目前中国模具产量逐年上升，已达世界第一(见图4)，全球超过40%的模具产品都是在中国制造。但模具平均寿命却只有欧美产品的1/3，甚至更少。中国模具行业每年存在10亿元左右的贸易逆差，如图5所示，而且出口产品多为短寿命、低档次模具，高质量模具严重依赖进口。3D打印技术是提高模具水平的核心和关键技术。国内外合金钢模具寿命对比图见图6。硬质合金模具寿命对比图见图7。性能差距见表1。该表说明国外采用3D打印技术提升模具全面质量的情况。

从上述中国模具行业一般情况可看出，我国急需金属3D打印技术和装备，以提升模具水平。

图4 中国模具产量逐年上升图

图5 中国模具行业贸易逆差图

图6 国内外合金钢模具寿命对比图

图7 国内外硬质合金模具寿命对比

表1 采用3D打印技术提升模具质量对比表

L-SS平台的LCD技术在航空航天制造领域同样具有巨大的应用意义，航空航天高温合金涡轮盘和叶片是航空、航天发动机中最重要的零部件，高温合金涡轮盘、叶片属高端结构件，采用LCD技术修复可获得再制造的极佳效果。LCD修复和直接制造技术，修复制造高温合金涡轮盘和叶片，具有最高的材料特性，最完整的修复性，最小的热影响区，最高的性能质量，最小的原件损伤和最小的材料消耗。图8是美国Optomec公司采用LENS(即LCD)技术修复的喷气发动机钛合金压气机涡轮盘。图9为高温合金涡轮盘。图10为钛合金整体涡轮盘的直接制造。图11为该公司公布的发动机叶片。

图8 钛合金盘

图9 高温合金盘

图10 钛合金整体盘

图11 叶片

采用LENS技术，完成航空合金结构件制造，可大量节省贵重合金材料，材料消耗减少90%左右，此外开发时间大幅缩短，特别是减少第一件制造时间，具有重大意义。LCD(LENS)技术经14年的发展，不但精度大大提高，达到直接制造的水平，而且钛合金件的尺寸已可达到3米水平。北京航空航天大学采用LCD技术完成C919大飞机翼肋，获国家一等奖，见图12;美国DM3D公司 (原名POM公司)采用LENS技术完成飞机翼肋，高度超过2米，见图13;西北工业大学采用相同的LCD技术完成航天飞行器舵的一体化制造，图14为熔复过程的照片。

图12 C919大飞机翼肋 (中国)

图13 DM3D大机肋(美国)

图14 航天飞行器舵(中国)

由于LCD技术是基于金属的“微粒熔化-微滴组装”的直接制造原理，LCD技术具有极其光明的应用前景，采用LCD技术还可完成材料梯度结构成分的快速筛选 (Screening)，包括快速合金组分确定 (rapid alloy discovery)，MMC制造 (局部金属或陶瓷制造。LCD技术与其他技术相比，是最节省合金材料的制造技术。

据调查，我国飞机制造企业，如沈阳黎明航空发动机 (集团)有限责任公司、江西洪都航空工业和集团有限责任公司、航宇救生装备有限公司、陕西飞机工业 (集团)有限公司、江西洪都航空工业股份有限公司、江西昌河航空工业有限公司、庆安集团有限公司、贵州黎阳机械厂、深圳市中集天达空港设备有限公司、贵州新艺机械厂，均希望采用LCD技术。

同时，钢铁企业的炼钢、热轧、冷轧、镀锌等生产过程中使用着大量的高载荷、低转速、高合金的承载设备，其零部件在生产工况环境下服役，产生腐蚀、磨损和疲劳损伤或失效报废，为钢铁生产中形成了最大的备件消耗，占据着很大的生产成本。据初步估算，全国钢铁行业每年仅各种轧钢生产线上的重要零部件消耗达100亿元。传统办法主要是更换这些设备零部件，甚至因零部件无法使用报废或者更换整机，必须储备大量的备件，占用巨额的资金、仓储资源。同时，损伤失效和报废的零部件或者整机基本上作为废品处理，如此连锁损失，造成了更大的浪费。本平台之LCD技术是一种激光熔覆仿形修复技术，在钢铁行业用处极为广泛。

采用LCD激光熔覆沉积技术，既能使失效或报废设备及零部件重新使用，又可以使新品延长使用寿命，甚至可以多次修复。据调查，宝钢、鞍钢、本钢、首钢、武钢、唐钢、太钢、攀钢、包钢，都对沉积技术非常感兴趣，有的已从中受益。图15、图16和图17分别为修复轧辊、表面硬化和辊件端部强化照片。从图18可看出表面熔覆的细节。

图15 修复轧辊

图16 表面硬化

图18 表面熔覆的细节

同样本平台也在应用于医疗器械中，钛合金(Titanium Alloy)是生物相容极性好的合金，其蜂窝结构、轻量化结构、一体化结构，被大量用于医疗器械:支架置入体、蜂窝置入体，修复损伤骨组织，疏松骨组织，组织工程支架等。本平台具有优良的各类钛合金成形和修复能力。图19钛合金胯关节，图20钛合金蜂窝颅骨支架，图21钛合金蜂窝置入体，图22钛合金蜂窝支架。

图19 钛合金胯关节图

图20 钛合金蜂窝颅骨支架

图21 钛合金蜂窝置入

图22 钛合金 (Titanium)蜂窝支架