關于金屬材料激光立體成形技術探討

房東升　張帥　高揚

摘 要：激光立體成形技術是在三十多年前，八十年代末期出現的一項高新制造技術，到二十一世紀為止激光立體成形技術經過近幾十年的發展已經取得了很大進步，激光立體技術能夠實現高性能致密金屬零件的無模具快速近終成型。自八十年代起于美國的Sandia國家實驗室，Los Alamos國家實驗室，密歇根大學Mazumder教授的研究小組，相繼進行關于金屬材料激光立體成形技術探討。到目前為止還處于實驗研究階段，金屬材料激光立體成形技術的探討、發展狀況以及形成特性、凝固組織的形成規律已經進入了更加深入的研究。

關鍵詞：激光立體成形；工藝技術；金屬材料；精確度

引言：激光立體成形技術與以往的金屬鍛造過程相比來說，具有無模具、形成周期較短、低成本、高性能及快速響應能力。激光立體成形技術將為我國頂尖領域所研究的先進設備和先進發動機中的關鍵零件的生產提供前提條件，為我國乃至全世界開辟一條成形快速、經濟、高效質量的激光立體成形體系。

目前，以美國為首的國外激光立體成形技術快速發展，在立體成形技術方面依然走在世界先端。在制造業所使用的技術零件激光立體成形研究中所使用的材料有很多種類，其中包括鎳基超合金、不銹鋼、工具鋼、鈦合金、鎢等。通常我們利用激光立體成形技術。形狀復雜、使用性能高于其他鍛造制造的零件，在實際使用中可以增加金屬零件的使用壽命，從而增加經濟效益，進一步推動世界激光立體成形技術更加快速的發展。

1、激光立體成形技術的原理以及優點

激光立體成形技術的加工過程：首先必須在計算機中生成所需制造的金屬零件三維模型圖，按一定比例分層將其分割成為二維模型圖，然后用激光熔覆的方法將二維模型材料堆積為三維模型實體金屬零件或近似實體金屬零件，最后經過機械設備的簡單加工和處理，得到最終的實際金屬材料零件。這就是金屬材料激光立體成形技術。優點為：

（1）制造柔性化程度高，可以多品種、大批量的生產，推動了以往的金屬制造技術發展。

（2）生產過程中省去了使用模具的時間和費用，縮短的制造周期從而提升了加工速度。

（3）激光立體成形技術分為三個階段，計算機設計、激光立體成形和后期處理。制造過程完全符合了二十一世紀的發展節奏，信息化、現代化和智能化。

（4）激光成形技術利用計算機技術在很大程度上方便了金屬零件所處不同部位，以及不同部位零件的組成成分的轉變，實現最佳性能的搭配。

（5）由于激光成形技術完全由計算機操控，不需要模具成形，節約了經濟開支、方便了制造商。

（6）利用激光成形技術的快速融化及凝固過程，可以加工結構復雜的材料，并且提高材料的使用性能。

（7）激光成形技術的快速發展優化了工藝，成形件具有內部致 密無缺陷的優點。

激光成形技術所制造的金屬材料形狀的符合度和性能要高于普通的金屬鍛造技術。許多飛機的器械設備所需的金屬零件，幾乎全是由激光成形技術制造來完成的。激光器的制造功率也提高了很多，目前達到了18KW。制造的金屬零件的耐高溫和強壓能力也逐漸上升到一個新的層面，而且零件的制造不再局限于小金屬零件的制造，利用激光成形技術制造的最大零件尺寸已經達到了數米見方，已經在實際應用階段。

現如今中國在激光成形技術方面的發展也突飛猛進，但是相對于國外來說國內的激光成形技術和國外相比依然有些差距。國內激光成形技術在一九九五年才獨立提出構思，逐步摸索著進行探索工作。一九九七年，西北工業大學凝固技術國家重點實驗室與北京航空工藝研究所共同開展了對金屬材料立體成形技術系統性的基礎研究。一九九八年開始，國內乃至全球對激光立體成形技術的研究文獻報道大幅度增加，開辟了激光立體成形技術的新紀元。也引起了該領域研究的熱潮，清華大學和北京航空單位也相繼開展了金屬材料立體成形技術的研究工作。

2激光立體成形技術發展展望

2.1工藝技術研究進一步系統化

雖然激光立體成形技術帶來了很大的便捷但是在一定程度上也帶來了新的問題，如何控制工藝達到新的最佳成果，如何減少材料中裂紋的產生。有些金屬材料的制造將會應用到國防高科技領域，所以在文獻中不報道工藝的研究細節，如何消除工藝過程中的缺陷，如何提高工藝的精確度任然需要系統化。

2.2理論研究進一步深化

激光成形技術側重于實驗操作，但是要想得到準確精密的金屬材料就要有充分的理論基礎，在理論成熟的基礎上才可以進行實際的實驗操作。所以理論研究需要進一步深化。

2.3開發適用于激光成形技術的合金材料

金屬材料激光成形技術中常用的材料有鎳基超合金、不銹鋼、工具鋼、鈦合金、鎢等。這些材料都是實際應用比較多的材料，也許在某些程度上并不適合激光立體成形技術的加工過程，其加工過程或許會降低其性能，所以要在原有材料的基礎上開發適合于該技術的合金材料。

2.4成形精度與成形速率如何達到最佳匹配

眾所周知，激光成形技術加速了金屬的制造和批量生產 ，但是在一定程度上我們還面臨著激光成形技術的成形精度和成形速率的取舍問題，成形速率是關乎于經濟收益的問題，而成形精度關乎于金屬材料的精確性。如何達到其最佳匹配是當前的重要問題。

2.5粉末輸送系統的改進

根據實驗研究發現，需要用到粉末材料時在激光快速形成過程中時常發生堵塞，堵塞之后會在很大程度上影響其精確性和成形速率，因此減少粉末堆積就成了一項大問題，粉末輸送系統的改進工作還需要增加。

結語：

盡管激光成形技術存在一定的弊端，但是其優勢也不容小覷，激光成形技術修復了許多設備中的關鍵結構件，解決了鍛焊技術中達不到的關鍵技術難題。該技術還擴展到了修復口腔和醫學臨床研究，取得了很大的成就和突破，從1995年開始，迄今22年的時間里，持續金屬材料激光成形技術的研究和系統化工作，相信在以后的研究過程中激光成形技術將會走在世界的前端，成為一條重要的經濟產鏈。

參考文獻：

[1]黃衛東，李延民，馮莉萍，陳靜，楊海歐，林鑫.金屬材料激光立體成形技術[J].材料工程，2002（03）：40-43+27.

[2]劉業勝，韓品連，胡壽豐，柴象海，曹源.金屬材料激光增材制造技術及在航空發動機上的應用[J].航空制造技術，2014（10）：62-67.

作者簡介：

第一作者：房東升（1995-），男，籍貫：山東青島，當前職務：學生，學歷：本科，研究方向：材料成型及控制工程。

第二作者： 張帥（1996-），男，籍貫：湖北天門，當前職務：學生，學歷：本科，研究方向：材料成型及控制工程。

第三作者：高揚（1994-），，男，籍貫：河南洛陽，當前職務：學生，學歷：本科，研究方向：材料成型及控制工程。