稀有難熔金屬材料近凈成形技術研究

任志東，李樹榮

（1.寧夏東方鉭業股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000；2.西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司稀有金屬特種材料國家重點實驗室，寧夏 石嘴山 753000）

近凈成形技術是指零件成形后，不需要再加工或只需少量加工即可滿足使用要求的成形技術。傳統的金屬材料加工主要采用冶煉、鍛壓、軋制、車削等工藝流程，傳統加工成形方法存在著工序繁多、工藝復雜、材料利用率低、機械加工量大、加工效率低、制造成本高、生產周期長等缺點，且生產出高指標要求的產品較困難。相比之下，近凈成形技術具有很大優勢，不僅可以直接制造高性能的金屬零部件，節約材料、降低成本，同時，還可以成形特殊、復雜的結構零部件，這對稀有難熔金屬材料的制備意義重大[1]。

金屬材料的近凈成形技術主要有以下幾種。

1 高能噴涂成形技術

高能噴涂成形技術是通過等離子、電弧、高速火焰等提供高能量，將經過處理的、滿足設計要求的金屬粉末粒子噴射到芯模表面，在芯模表面沉積，并經過致密化處理、表面拋光等處理后，得到具有特定形狀的薄壁零件產品的過程（圖1）。

圖1 高能噴射成形技術路線

噴涂成形的產品,在性能指標和經濟指標方面均有諸多優點。預處理后的金屬粉末（顆粒）在高能量下噴涂在芯模或基體上迅速固化,可以獲得細小、均勻的晶粒,從而獲得優良的物理和機械性能。而且通過噴涂成形后的產品已接近它的最終尺寸,基本不需要進行加工，僅需對表面稍作處理即可使用。高能噴涂成形技術適用于火箭發動機噴管喉襯、破甲彈藥型罩等薄壁復雜形狀結構零件的制造[2]。

2 增材制造技術

增材制造技術（Additive Manufacturing，AM）也就是經常所說的3D 打印技術，是將計算機輔助設計與材料加工、成形技術相結合，以數字模型為基礎，通過三維建模軟件對零部件形狀進行設計、建模，將符合要求的材料逐層熔合、燒結或黏合在一起，最終形成設定好的三維結構產品的技術，相對于傳統由多到少（減材）的切削加工方法，3D 打印是一個由少到多（增材）的累加成形技術[3]。

金屬材料增材制造技術一般采用激光、電子束或聚能光束等高密度能量熱源進行選區熔化，根據加熱方式的不同，以及原料形貌與成形方式的不同，通常有選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）、選擇性激光熔融（Selective Laser Melting，SLM）、電 子 束 選 區 熔 化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）以及激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）幾種常見的增材制造技術，具體介紹如下。

2.1 選擇性激光燒結（SLS）技術

選擇性激光燒結（SLS）技術是一種將CAD 模型等三維數值模型分解成一系列二維層片結構后，由計算機控制高能激光逐層熔化或燒結預先鋪附在工作腔表面的松散粉末，從而固結成致密的工件的成形過程。SLS 最初是由美國德克薩斯大學在1987年5 月提出的，5 年后美國DTM 公司在1992 年推出了SLS 的商業化生產設備，我國西北工業大學、華中科技大學、南京航空航天大學以及北京隆源自動成形有限公司等單位也在研發SLS 成形設備。與常規零件加工制造技術相比，SLS 具有以下優點：一是無需模具即可直接成形零件或進形件，加工周期短（縮短70%以上）、成本低（降低約50%）；二是CAD 模型可根據需要及時調整，靈活性較高；三是技術集成度高，可實現設計制造一體化。SLS 技術適用于原型設計驗證、鑄造型殼、模具母模等[4]。

2.2 選擇性激光熔融（SLM）技術

選擇性激光熔融（SLM）技術由德國Froounholfer 研究院在1995 年首次提出，工作原理與SLS 相似，是將設計好的金屬粉末預處理后鋪在工作臺上，利用計算機控制激光對其進行選擇性照射加熱，金屬粉末加熱到完全熔化后成形，以此類推，進行反復鋪粉、逐層熔化成形，最終形成完整的零部件產品。SLM 與SLS 的主要區別在于：SLS 技術使用的是設計成形金屬材料與低熔點金屬或者高分子材料（黏接劑）的混合粉末，在加工過程中低熔點的材料熔化但設計成形金屬粉末是不熔化的；SLM 在加工過程中利用激光使粉末完全熔化，不需要黏結劑，成形的精度和力學性能都比SLS 要好。SLM 的主要有以下優點：一是成形的金屬零件致密度高（可達90%以上）；二是抗拉強度等機械性能指標優于鑄件，甚至可以達到鍛件水平，顯微維氏硬度可高于鍛件；三是打印過程中完全熔化，尺寸精度較高。SLM 適用于精度要求高、致密度與硬度要求高的復雜零件的制造[5]。

2.3 電子束選區熔化（EBSM）技術

電子束選區熔化技術（EBSM）是一種采用高能高速的電子束在計算機程序控制下選擇性地轟擊金屬粉末，將粉末材料熔化成最終零部件的快速制造技術。EBSM 最早是瑞典ARCAM公司在1994 年提出，并在2003 年首次推出第一代設備，此后美國航空航天局、麻省理工學院以及我國北京航空制造工程研究所、清華大學也開發出了基于電子束選區熔化的快速制造系統。EBSM 技術的工藝過程為：將預處理后符合設計要求的金屬粉末鋪在工作臺上，然后通過計算機控制電子束進行選區熔化，在電子束高能轟擊下金屬粉末熔化成形，以此類推，再一次鋪粉、轟擊熔化，并與下面已成形的部分粘接，層層堆積，直至整個零件全部熔化完成；最后，將多余的粉末去除干凈，便得到所需的三維產品。與激光相比，電子束具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高、穩定及運行維護成本低等優點，其成形過程效率高，零件變形小，成形過程不需要金屬支撐，微觀組織更致密，且可適用于較大尺寸零件的成形[6]。

2.4 激光近凈成形（LENS）技術

激光近凈成形（LENS）技術是由美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratory）于上世紀90 年代提出，隨后美國Optomec 公司將LENS 技術進行商業開發和推廣。LENS 是在激光熔覆技術的基礎上發展起來的一種金屬零件3D 打印技術，由激光在沉積區域產生熔池并高速移動，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區，熔化后逐層沉積，最終形成金屬零件一種成形技術。與上述鋪粉成形技術相比，LENS 技術具有可直接打印功能梯度材料、零部件的修復和再制造、較小的熱影響區等優點，適用于組織致密，力學性能高，非均質和梯度材料零件的制造[7]。

3 金屬注射成形技術

金屬注射成形(Metal Injection Molding，MIM)是一種新型粉末冶金近凈成形技術，最早是在1973 年由美國加州Parmatech 公司提出，80 年代初日本以及歐洲一些國家也都開始研究該技術，并得到迅速推廣。在80 年代中期以后，MIM 技術每年都以驚人的速度遞增。MIM 技術是將符合要求的金屬粉末和粘結劑混合均勻制作成顆粒狀，然后通過加熱、注射成形（類似塑料注射成形），最后獲得的成形坯經過脫脂處理后燒結致密化成為最終成品（圖2）。MIM 技術克服了傳統粉末冶金工藝制品機械性能低、材質不均勻、不易成形薄壁、結構復雜等缺點，可適合于大批量生產具有特殊要求的小型、復雜金屬零件。與其它近凈成形技術相比，MIM 技術指標的產品具有高密度、高沖擊韌性、耐疲勞、耐腐蝕等特點[8-10]。

圖2 金屬注射成形技術路線

4 結語

隨著國防工業、航空航天、能源化工以及核工業等領域的迅速發展，耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等稀有難熔金屬材料的需求日趨增加，且均要求其具備薄壁、曲面等復雜結構。高能噴涂成形、激光增材制造、金屬注射成形等近凈成形技術將會是未來材料成形技術的發展趨勢。