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激光增材制造技術(shù)是一種以激光為能量源的增材制造技術(shù),，激光具有能量密度高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)難加工金屬的制造,，比如航空航天領(lǐng)域采用的鈦合金,、高溫合金等，同時(shí)激光增材制造技術(shù)還具有不受零件結(jié)構(gòu)限制的優(yōu)點(diǎn),，可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、難加工以及薄壁零件的加工制造,。激光增材制造技術(shù)按照其成形原理進(jìn)行分類(lèi)，最具代表性的為以粉床鋪粉為技術(shù)特征的激光選區(qū)熔化(SLM)和以同步送粉為技術(shù)特征的激光金屬直接成形(LMDF)技術(shù),。 從今天起,，夾具俠將通過(guò)一系列的文章為大家闡述這兩種典型的激光增材制造技術(shù)原理與特點(diǎn)，共同探討這兩種技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),。 Part1 激光金屬直接成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀 一,、LMDF技術(shù)的原理與特點(diǎn) 激光金屬直接成形(LMDF)技術(shù)是利用快速原型制造的基本原理，以金屬粉末為原材料,，采用高能量的激光作為能量源,，按照預(yù)定的加工路徑，將同步送給的金屬粉末進(jìn)行逐層熔化,，快速凝固和逐層沉積,，從而實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接制造。通常情況下,，激光金屬直接成形系統(tǒng)平臺(tái)包括：激光器,、CNC數(shù)控工作臺(tái)、同軸送粉噴嘴,、高精度可調(diào)送粉器及其他輔助裝置,。其原理如圖1所示。
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2018-3-26 16:23 上傳
圖1 LMDF系統(tǒng)原理圖 激光金屬直接成形技術(shù)集成了激光熔覆技術(shù)和快速成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),，具有以下特點(diǎn)： ①無(wú)需模具,，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，但懸臂結(jié)構(gòu)需要添加相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu),。 ②成形尺寸不受限制,，可實(shí)現(xiàn)大尺寸零件的制造。 ③可實(shí)現(xiàn)不同材料的混合加工與制造梯度材料,。 ④可對(duì)損傷零件實(shí)現(xiàn)快速修復(fù),。 ⑤成形組織均勻，具有良好的力學(xué)性能,，可實(shí)現(xiàn)定向組織的制造,。 二、LMDF技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 LMDF技術(shù)是在快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合同步送粉和激光熔覆技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)激光增材制造技術(shù),。LMDF技術(shù)起源于美國(guó)Sandai國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的激光近凈成形技術(shù)(LENS),，隨后在多個(gè)國(guó)際研究機(jī)構(gòu)快速發(fā)展起來(lái)，并且被賦予了很多不同的名稱(chēng),，雖然名稱(chēng)各不相同,，但是技術(shù)原理卻幾乎是一致的，都是基于同步送粉和激光熔覆技術(shù)。目前,，對(duì)于LMDF技術(shù)的研究主要是針對(duì)成形工藝以及成形組織性能兩方面展開(kāi),，美國(guó)的Sandai國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Los Alomos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室針對(duì)鎳基高溫合金、不銹鋼,、鈦合金等金屬材料進(jìn)行了大量的激光金屬直接成形研究,，所制造的金屬零件不僅形狀復(fù)雜，且其力學(xué)性能接近甚至超過(guò)傳統(tǒng)鍛造技術(shù)制造的零件,。瑞士洛桑理工學(xué)院的Kurz等深入研究了激光快速成形工藝參數(shù)對(duì)成形過(guò)程穩(wěn)定性,，成形零件的精度控制，材料的顯微組織以及性能的影響,，并將該技術(shù)應(yīng)用于單晶葉片的修復(fù),。
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圖2 復(fù)雜零件直接成型 我國(guó)清華大學(xué)在激光快速成形同軸送粉系統(tǒng)的研制及熔覆高度檢測(cè)及控制方面取得了研究進(jìn)展；西北工業(yè)大學(xué)通過(guò)對(duì)單層涂覆厚度,、單道涂覆寬度,、搭接率等主要參數(shù)進(jìn)行精確控制，獲得件內(nèi)部致密,，表面質(zhì)量良好的成形件,；西安交通大學(xué)研究了激光金屬直接成形DZl25L高溫合金零件過(guò)程中不同工藝參數(shù)(如激光功率、掃描速度,、送粉率,、Z軸提升量等)對(duì)單道熔覆層高度,、寬度,、寬高比和成形質(zhì)量的影響規(guī)律，并優(yōu)化了工藝參數(shù),。 三,、材料與工藝 3.1：材料 對(duì)于金屬材料激光增材制造技術(shù)來(lái)說(shuō)，金屬粉末就是其原材料,，金屬粉末的質(zhì)量會(huì)直接影響到成形零部件最終的質(zhì)量,。然而，目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)為激光增材制造生產(chǎn)的金屬粉末,，現(xiàn)在激光增材制造工藝所使用的金屬粉末都是之前為等離子噴涂,、真空等離子噴涂和高速氧燃料火焰噴涂等熱噴涂工藝開(kāi)發(fā)的，基本都是使用霧化工藝制造,。這類(lèi)金屬粉末在生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)形成一些空心顆粒,，將這些空心顆粒的金屬粉末用于激光增材制造時(shí)，會(huì)導(dǎo)致在零件中出現(xiàn)孔洞,、裂紋等缺陷,，因此激光增材制造使用的金屬粉末將成為今后的一個(gè)研究重點(diǎn)。 3.2：工藝 雖然目前對(duì)激光增材制造的工藝展開(kāi)了大量研究，但是在零件的成形過(guò)程中依然存在許多問(wèn)題,。在SLM成形過(guò)程中伴隨著復(fù)雜的物理,、化學(xué)、冶金等過(guò)程,，容易產(chǎn)生球化,、孔隙、裂紋等缺陷,，在LMDF成形過(guò)程中隨著高能激光束長(zhǎng)時(shí)間周期性劇烈加熱和冷卻,、移動(dòng)熔池在池底強(qiáng)約束下的快速凝固收縮及其伴生的短時(shí)非平衡循環(huán)固態(tài)相變，會(huì)在零件內(nèi)部產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力,，容易導(dǎo)致零件嚴(yán)重變形開(kāi)裂,。進(jìn)一步優(yōu)化激光增材制造技術(shù)的工藝，克服成形過(guò)程中的缺陷,，加強(qiáng)對(duì)激光增材制造過(guò)程中零件內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律,、變形開(kāi)裂行為及凝固組織形成規(guī)律以及內(nèi)部缺陷形成機(jī)理等關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題的研究，依然是今后的研究重點(diǎn),。 四,、技術(shù)應(yīng)用 近年來(lái)，LMDF技術(shù)同樣也受到了許多國(guó)家的重視和大力發(fā)展,，2013年歐洲空間局(ESA)提出了“以實(shí)現(xiàn)高技術(shù)金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)與零浪費(fèi)為目標(biāo)的增材制造項(xiàng)目”(AMAZE)計(jì)劃,，該計(jì)劃于2013年1月正式啟動(dòng)，匯集28家機(jī)構(gòu)來(lái)共同從事激光金屬增材制造方面的研究,，其首要目標(biāo)是快速生產(chǎn)大型零缺陷增材制造金屬零件,，幾乎實(shí)現(xiàn)零浪費(fèi)。 美國(guó)國(guó)防航空航天局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出一種新的激光金屬直接成形技術(shù),，可在一個(gè)部件上混合打印多種金屬或合金,，解決了長(zhǎng)期以來(lái)飛行器尤其是航天器零部件制造中所面臨的一大難題——在同一零件的不同部位具有不同性能。
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圖3 美國(guó)NASA多種金屬混合激光成型 英國(guó)的羅·羅(Rolls·Rovce)公司計(jì)劃利用激光金屬直接成形技術(shù),，來(lái)生產(chǎn)TrentXWB一97(羅·羅研發(fā)的渦輪風(fēng)扇系列發(fā)動(dòng)機(jī))由鈦和鋁的合金構(gòu)成的前軸承座,，其前軸承座包括48片機(jī)翼葉，直徑為1.5m,，長(zhǎng)度為0.5m,。
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圖4 直接成型引擎部件 北京航空航天大學(xué)也利用激光金屬直接成形技術(shù)制造出了大型飛機(jī)鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框。
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圖5 飛機(jī)鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框 西安交通大學(xué)在國(guó)家“973項(xiàng)目”的資助下,，展開(kāi)了利用激光金屬直接成形技術(shù)制造空心渦輪葉片方面的研究,，并成功制備出了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片。
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圖6 高溫合金空心渦輪葉片 五,、總結(jié) 激光增材制造帶來(lái)的改變不止于此,，該技術(shù)還可以與傳統(tǒng)加工復(fù)合,，例如德國(guó)DMGMORI旗下的Lasertec系列，通過(guò)整合激光增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)切削技術(shù),，不僅可以制造出傳統(tǒng)工藝難以加工的復(fù)雜形狀,，還改善了激光金屬增材制造過(guò)程中存在的表面粗糙問(wèn)題，提高了零件的精度,。這項(xiàng)金屬成形技術(shù),，你了解了嗎？
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發(fā)表于 2018-3-26 16:23:25
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