金属材料增材制造研究与应用

乐方宾，叶 寒，刘 勇

(江西省轻质高强结构材料重点实验室/南昌大学，330031，南昌)

0 引言

根据美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials, ASTM)对增材制造(Additive Manufacturing, AM)的定义，增材制造是一种通过零件的三维模型数据一层一层的结合材料成形，与传统减材制造完全相反的一种制造方法[1]。增材制造技术通过计算机辅助设计技术(Computer Aided Design, CAD)将零件的三维模型进行切片分层，离散为一层一层的二维模型数据，采用高能热源(如激光、电子束、电弧等)将材料逐层熔融堆积成形，实现快速制造出具有复杂几何形状的零件。这项技术打破了传统制造技术的局限性，可在短期内制造出传统制造技术难以实现的零件，也为设计人员提供了全新的零件设计思路。

早期的增材制造技术主要应用于快速原型制造领域，材料主要是树脂和塑料。金属增材制造(Metal Additive Manufacturing, MAM)技术在近年来得到快速发展，已经成为增材制造中最具代表性的技术，德国、美国、中国等许多国家都对其展开了大量的研究[2]。目前该技术在医疗，航空航天领域等都表现出巨大的潜能，在特定应用领域该技术已颠覆了传统加工工艺[3-6]。金属增材制造技术按工艺方法可以分为粉末床熔融(Power Bed Fusion, PBF)和直接能量沉积(Directed Energy Deposition, DED)两大类。粉末床熔融工艺以选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)和电子束熔化成形(Electron Beam Melting, EBM)为代表，应用最为广泛。直接能量沉积则包括激光金属沉积(Laser Metal Deposition, LMD)和电弧增材制造(Wire+Arc Additive Manufacturing, WAAM)。本文主要根据工艺方法的不同介绍了金属增材制造技术的种类和实际应用情况，并对该技术存在的问题以及面临的挑战进行了探讨。

1 金属增材制造技术种类及应用

1.1 粉末床熔融工艺(PBF)

PBF工艺简而言之就是将金属粉末平铺到基板上进行熔融成形[7]，使用的金属粉末尺寸在20～100 μm之间。PBF工艺主要包括SLM和EBM。PBF工艺的特点是具有较高的成形精度，并且成形所需要的时间与零件复杂程度无关，与零件体积成正比。以下几项是构成PBF工艺的重要元素[8]。

能量源(热源)：激光束或者电子束，提供能量将粉末颗粒熔融。

扫描装置：控制热源在粉末床以设定好的路径精确移动。

送粉装置和刮刀：用于添加粉末，将粉末铺平。

成型缸：在每一层扫描完成后，控制床体下降，方便下一层粉末铺平。

封闭的成型腔：保证成形过程中的气体氛围，防止粉末熔化过程中与气体发生反应。

1.1.1 选区激光熔化(SLM) SLM是一种典型的PBF增材制造技术，其利用高能激光束，按预定的扫描路径，扫描速度，将铺好的金属粉末层快速熔化再快速冷却凝固成形[9]。其成形过程主要分为3步，首先电机控制成形缸下降，粉料缸上升，而后刮刀将粉末均匀的铺在成形缸上，最后激光根据CAD设计好的路径进行选择性扫描熔化粉末凝固成形。每一层都重复该过程，直到成形完成，图1是SLM成形过程示意图[10]。

SLM铺粉层厚在10～100 μm，为获得更好的表面质量和成形精度一般选择30 μm[9]。SLM并不会将成形缸内所用粉末全部熔化，剩余粉末经筛除大颗粒烧结杂质可重新使用。激光熔化材料使其膨胀，激光头移动后材料快速冷却凝固收缩，在零件内部产生较大的残余应力，过大的残余应力会使零件开裂失效[11]。为减少残余应力，对基板进行预热，成形完成后对零件进行热处理消除残余应力也是必要的。

图1 SLM成形过程示意图

SLM成形件性能良好，拉伸性能可超过铸件，达到锻件水平，成形精度高，适合汽车、医疗、航空航天等领域的应用。近年来国内外对SLM技术的研究及应用不断拓展与深入。美国航天公司SpaceX开发载人航天飞船Super Draco过程中使用SLM技术制造了载人航天飞船引擎，如图2(a)[12]，很好地解决了引擎冷却道、喷射头、节流阀等复杂结构的制造问题。图2(b)是美国GE航空公司使用SLM技术制造的燃油喷嘴，重量减轻25%，强度提高了约5倍[13]。比利时航空航天公司ASCO使用SLM技术制造大型鹅颈支架，经优化设计在保证承载载荷满足条件整体重量减小31%[14]。利用SLM技术制造汽车金属零件，在降低成本、缩短周期、提高工作效率、生产复杂零件等方面优势明显。SLM技术还适用于制造个性化定制的人体植入物，如牙齿，骨植入体等，如图2(c)[12]。

(a)载人飞船Super Draco引擎；(b)燃油喷嘴；(c)牙齿和人体植入物

1.1.2 电子束熔化成形(EBM) EBM的原理与SLM类似，主要区别在于热源不同：EBM采用电子束代替激光作为热源熔化金属粉末。激光容易被金属反射，而电子束的能量更容易被金属吸收，粉末熔化时形成的熔池温度也高，因此EBM适用于高熔点材料，如高熔点陶瓷[15]。与SLM相比EBM扫描速度更快[16]，但也导致EBM成形件表面质量不如SLM。EBM制造过程中为避免气体对电子束的干扰，需在真空条件下进行。成形过程中存在高压放电，会产生较强的X射线，EBM在成形过程中也会产生较大的残余应力。这些条件阻碍了EBM技术的发展和应用，导致EBM技术远没有SLM技术应用广泛。

1.2 直接能量沉积(DED)

DED是将热源(激光或者电弧)直接聚焦在基材和金属材料(金属丝或粉末)上熔化，熔化的金属材料沉积到基材上与基材融合后冷却凝固。DED主要包括LMD和WAAM。DED不依赖成形缸，且与粉末床熔融工艺相比，具有更高的沉积速率，成形尺寸不受成型仓尺寸限制，能够进行大型金属件制造。DED不仅能够进行零件的制造，还能对损坏零件进行修复[17]。

1.2.1 激光金属沉积(LMD) LMD技术以激光为热源，以金属粉末或者金属丝为加工原材料。LMD使用的金属粉末粒径较大，约150 μm。其工作原理如图3，粉末材料从喷嘴中被保护气喷出，在激光焦点处受热熔化形成熔池，保护气包围着熔池，在激光向前移动，熔池冷却凝固与基材结合[18]。零件成形后不需进行后续的加工或者仅需少量处理就能满足使用要求。这是一项依托于新的制造技术，模拟分析和机械自动化等科技成果上发展而来的。相比SLM技术，LMD技术成形过程接近近净成型，材料利用率达 90%以上[19]。LMD成形过程中激光头可灵活移动，从而为增加设计自由度和生产大型金属结构件打开了大门。LMD沉积单层层厚可达 1 mm，沉积速率可达0.5 kg/h，且具有非常大的活动范围，但成形精度较低，表面质量较差[20]。

图3 激光金属沉积示意图

基于这一技术的诸多优点，国外发达国家在20世纪70年代就开始了该技术的研究和应用，如今在很多方面已经取得了巨大成就。欧洲Airbus公司A300机型和A350XWB机型使用LMD技术制造的一些支架类零件可以减重30%～50%，节省了大量的材料[21]。英国Rolls Royce公司使用LMD技术，生产Trent XWB-97涡轮风扇系列发动机由钛和铝的合金构成的前轴承座，其前轴承座包括48 片机翼叶，直径为1.5 m，长度为0.5 m，如图4(a)[22]。国内LMD技术虽起步较晚，但我国LMD技术具有巨大的潜力。西安铂力特增材制造技术公司使用LMD技术，为国产大飞机C919制造了一根长达3 m的大型钛合金中央翼缘条，如图4(b)[23]。北京航空航天大学的王华明团队也利用LMD技术制造了大型飞机钛合金主承力构件加强框，如图4(c)[22]，并获得国家技术发明一等奖。

(a)Rolls-Royce Trent XWB-97前轴承座及机翼叶；(b)C919中央翼缘条；(c)钛合金承力构件框

1.2.2 电弧增材制造(WAAM) WAAM原理与LMD类似，使用电弧作为热源。通过机械臂或机床结构控制能量头的移动，具有极大的灵活性，且允许多个机器臂同时工作，进一步加大工作范围。此外WAAM的沉积速率高达10 kg/h，为大型零件的制造提供了可能[24]。然而高的沉积速率带来的影响是成形件精度较低，无法制造具有复杂结构的零件。WAAM成形完成后往往还需要进一步的机械加工才能够满足使用条件。由于电弧产生的高热量，成形过程中产生的残余应力往往使得零件变形扭曲，加工过程中需要对残余应力进行控制。WAAM能减少制造大型零件的时间和成本，并且保证机械性能的稳定。欧洲Glenalmond Technologies公司使用WAAM技术成功生产出全尺寸钛合金压力容器原型，该容器高1 m，重8.5 kg，如图5[25]。相比传统制造方法，每个容器节约了200 kg的钛合金。

图5 WAAM制造钛合金压力容器

2 面临的挑战

尽管金属增材制造具有很多优点，如零件设计自由，快速响应，可制造复杂结构件等。但仍存在一些不足之处，阻碍了金属增材制造技术的推广应用。目前金属增材制造大规模应用所面临的主要挑战有原材料成本太高，材料的限制，成形件组织不均匀，存在缺陷，机械性能的各向异性。

金属增材制造使用的金属粉末会直接影响成形件的性能，目前国内使用的金属粉末是之前为等离子喷涂、真空等离子喷涂和高速氧燃料火焰喷涂等热喷涂工艺开发的，基本都是使用雾化工艺制造[26]。这种工艺生产出来的粉末价格高昂，而且在生产过程中会产生空心颗粒。这些空心颗粒用于金属增材制造会使成形件出现裂纹，孔洞等缺陷，严重影响力学性能。因此研发价格低廉，高性能的金属粉末将会是金属增材制造研究的一个重点。目前已开发的可用于增材制造的金属材料仍是有限的，这些材料包括铝合金,钛合金，镍基合金，钢等[27]，其它金属材料正在开发当中。材料的有限限制了该技术在某些领域的应用，故开发新的材料是有必要的。

金属增材制造成形过程中包含着复杂的物理、化学变化以及物理冶金过程，还伴随着复杂的形变过程，容易产生球化、孔隙和裂纹等缺陷，如图6(a)和图6(b)[27]。在一层一层融合过程中，热源会对前一层重新加热，形成独特温度场导致微观组织不均匀，结构存在各向异性，如图6(c)[28]。如何优化工艺，对成形过程形成的微观组织进行有效调控，从而得到理想的性能，仍是金属增材制造研究的重点。

(a)孔洞；(b)微裂纹；(c)组织不均匀

近年来，后处理工艺如热处理和表面技术不断被用于改善增材制造金属成形件的显微组织和力学性能。改进传统热处理工艺应用到增材制造成形件，可以一定程度上改善增材制造成形件的残余应力与缺陷等[29]，但热处理过程中往往伴随着晶粒粗化，将削弱增材制造本身细小晶粒对材料的强化作用。此外，增材制造成形件热处理温度高，耗时长，效率低，针对增材制造成形件的热处理工艺标准目前尚未建立，传统的热处理技术并不完全适用于增材制造成形件，选择不当将降低材料的力学性能[30]。增材制造表面后处理工艺，近年来不断得到应用与改进。美国最早开发了轧制微锻造技术，华中科技大学采用滚压微锻造技术对增材制造成形件施加高压力，产生塑性变形改善组织与性能[31]。南华大学等[32]采用高频冲击改善金属成形件组织和性能。但是轧制微锻造、滚压微锻造、高频冲击技术等加入的滚压头或冲击头只能对成形件表层定向施加压力，可针对规则形状结构相对简单的成形件，而难以处理结构复杂的成形件，无法满足增材制造金属成形件的后处理工艺需求。改善增材制造金属成形件微观组织和力学性能的后处理工艺和专用装备研发，也是制造高性能增材制造金属制件未来的发展方向之一。

3 结束语

现今，工业领域发展竞争激烈，金属增材制造技术可以缩短交货时间，降低成本，正受到业界内外的广泛关注。金属增材制造工艺不同，所适用的零件不同。例如SLM成本高，适合生产精度高且复杂的零件。LMD和WAAM成本低，生产速率高，可用于大型零件的制造，虽然精度低需要二次加工。增材制造要正式投入工业应用中，需要保证其生产的零件具有可靠的性能，已有大量的研究进行了相关的实验测试，证明满足拉伸，疲劳，韧性等性能要求。

随着增材制造技术的逐渐完善，这一新型加工制造技术正在以一个较快的发展速度向前发展，客观的来说这一加工技术的成熟度要远远落后于传统的铸、焊、锻、粉末冶金等制造技术，不论是在最终功能零件的组织与性能控制，还是最终的成形精度和可用的成形专用合金体系和后处理工艺等方面均存在较大差距。但随着更多人力物力的大量投入，这一差距会逐渐减小。尤其是近些年，全球均在这一技术的开发应用上投入了大量的资金，加上飞速发展的科学技术，增材制造技术在生产速度、原材料利用率等方面已取得了较大的进步。随着金属增材制造标准的建立与完善，更多的专门应用于增材制造的合金粉末的开发和针对增材制造成形件后处理工艺及专用装备的研发，增材制造技术的应用将会变得更加广泛，在不久的将来会实现从传统制造方法到增材制造的快速转变。