激光定向能量沉積技術的研究現狀與應用進展

摘 要：激光定向能量沉積（ＬＤＥＤ）技術作為一種前沿增材制造技術，在材料加工和產品制造領域展現出顯著優勢，綜述了ＬＤＥＤ技術的發展歷程、基本原理、技術特點及其在多個工業領域的應用現狀。ＬＤＥＤ技術能夠有效提升材料利用率、縮短制造周期，并實現復雜零件的直接制造，尤其在航空航天、汽車制造和醫療等領域具有廣泛應用前景。通過仿真分析、在線監測和閉環控制策略，ＬＤＥＤ技術進一步提高了成形精度和產品質量。隨著ＬＤＥＤ技術的成熟和優化，該技術有望在降低成本、提升性能以及推動制造業綠色轉型方面發揮更大作用。

關 鍵 詞：增材制造；激光定向能量沉積；金屬材料加工；修復再制造；工藝研究；材料性能；模擬與仿真；在線監測

中圖分類號：ＴＧ１４８ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２４）０５－０６３１－１５

增材制造（ａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＡＭ）技術，又名３Ｄ打印（ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｒｉｎｔｉｎｇ，３ＤＰ）技術，是一種基于三維ＣＡＤ模型數據，通過逐層堆積材料實現快速實體化的工業技術［１］。自２０００年以來，憑借獨特優勢，增材制造技術已在制造業中開拓出一條先進技術路徑，并被多個國家視為未來產業增長的潛在動力。根據《時代》雜志、《經濟學人》雜志以及麥肯錫咨詢公司的分析可知，增材制造技術有望成為一項顛覆性技術，并對未來生產與生活方式產生重大影響［２］。

傳統制造業正面臨著轉型升級的關鍵時期，而增材制造技術為此提供了前所未有的機遇。該技術已逐步被全球主要制造國納入其國家戰略規劃中。例如，美國國防部聯合其他政府部門、多家企業和研究機構共同創建了國家增材制造創新研究院，其目標是在全球制造業科技競賽中占據領先地位，并通過實施ＡＭ Ｆｏｒｗａｒｄ計劃促進高價值制造業本土化。此外，英國、德國、法國、日本等國家也紛紛制定實施了相應的增材制造戰略，并成立專門研究機構以推動該技術的發展。在這一背景下，我國通過“十四五”智能制造發展規劃，將增材制造技術定位為工業發展的重點領域［３］。為了加強該技術的研究與應用，我國還成立了國家增材制造創新中心，旨在推動增材制造技術在我國的發展和應用。這些舉措表明，增材制造技術已成為推動制造業創新和提升國際競爭力的關鍵因素。特別是在材料加工領域內，金屬材料的增材制造技術占據核心地位［４］。增材制造技術因具有較短生產周期、無須依賴模具以及對零件復雜性適應性高等顯著特點，已經成為制造業技術創新的主要焦點［５］。根據工藝原理的差異可知，金屬材料的增材制造技術主要分為兩大類別：定向能量沉積（ｄｉｒｅｃｔｅｄｅｎｅｒｇｙｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＤＥＤ）技術和粉末床熔融（ｐｏｗｄｅｒｂｅｄｆｕｓｉｏｎ，ＰＢＦ）技術［６］。ＤＥＤ技術采用高能束流，如激光、等離子弧或電子束等，將金屬粉末或絲材引至熔化區域并同步進行熔化與沉積，以此構建零件；ＰＢＦ技術則通過相似熱源，對鋪設在粉末床層上的金屬材料進行局部熔化，并逐層堆積從而形成所需零件。當激光作為熱源時，定向能量沉積技術被稱為激光定向能量沉積（ｌａｓｅｒｄｉｒｅｃｔｅｄｅｎｅｒｇｙｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＬＤＥＤ）技術。ＬＤＥＤ技術因其高效性和精確性，已經成為增材制造領域的一個主要技術路徑［７］。ＬＤＥＤ技術的應用范圍廣泛，包括但不限于快速制造特定零件、對現有構件進行結構添加，以及對損傷部件進行直接修復等。這些應用使得ＬＤＥＤ技術在航空航天、汽車制造、軌道交通、石油化工、船舶工業以及模具制造等眾多行業中展現出巨大應用前景和成長潛力［８－９］。

１ 激光定向能量沉積技術的概述

１.１ 基本原理

ＬＤＥＤ技術是ＤＥＤ技術的一個分支，屬于３Ｄ打印或增材制造范疇。ＬＤＥＤ技術通過激光束逐層熔化金屬粉末或金屬絲材并在熔池中固化，以此構建復雜三維金屬構件［１０］。在典型ＬＤＥＤ過程中，激光束與粉末噴嘴協同工作，將金屬粉末送入熔化區域并進行沉積，因而該過程可被稱為“送粉工藝”。本文將重點探討與此相關的技術和應用。與此相對應的另一種技術是激光粉末床熔融（ｌａｓｅｒｐｏｗｄｅｒｂｅｄｆｕｓｉｏｎ，ＬＰＢＦ）技術，也采用激光作為熱源，工藝上的區別在于其選區熔化預先鋪設在粉床上的金屬粉末，通過這種方式逐層堆積金屬粉末從而形成零件。這一過程通常被稱為“鋪粉工藝”。盡管ＬＰＢＦ技術在增材制造領域同樣重要，但本文研究重點并不包括對ＬＰＢＦ技術及其應用的深入討論。

ＬＤＥＤ的概念最早由美國學者ＭＥＨＴＡ于１９８８年在其專利文獻中提出，該文獻詳細闡述了利用激光熔化金屬粉末修復損傷部件的技術要領［１１］。自１９９０年以來，ＬＤＥＤ技術得到快速發展，不同研究機構基于自身研究特點和對該技術的理解，賦予了這項技術多種不同稱謂，具體命名情況可參考表１［１２］。ＬＤＥＤ技術通過在基材表面產生熔池來實現金屬粉末或絲材的熔化和沉積［１１］。這一過程涉及采用送粉或送絲裝置同步將金屬粉末或絲材送入熔池中，隨后這些材料迅速熔化并凝固，與基材形成冶金結合。隨著三維實體模型（ＣＡＤ文件）的離散化（ＳＴＬ文件）與分層化（ＣＬＩ文件），結合工藝參數生成控制掃描路徑的計算機數字控制（ＣＮＣ）代碼，激光沉積頭在計算機的精確控制下沿著預定路徑移動，通過逐層堆積方式直接構建三維實體零件，或形成接近最終形狀僅需少量后續加工的零件。ＬＤＥＤ技術工作原理如圖１［１２］所示。考慮到沉積材料特性，整個沉積過程通常在惰性氣體如氬氣或氮氣的環境中進行，以保證沉積質量。

１.２ 主要特點

相較于ＬＰＢＦ技術，ＬＤＥＤ技術展現出了更快的構建速度，這一特點使其在縮短生產周期方面具有顯著優勢。ＬＤＥＤ技術能夠替代傳統制造方法，用于制造結構復雜的零件，有效應對加工挑戰、材料損耗以及工具損耗等問題［１３］。

ＬＤＥＤ技術的一個關鍵優勢在于能夠制備包含中空結構和具有材料梯度功能的零件。這些通過ＬＤＥＤ技術制造的零件通常展現出緊密微觀結構和卓越機械性能，有時甚至能夠與模鍛產品相媲美。盡管如此，ＬＤＥＤ技術仍存在一些局限性。在材料利用效率方面，ＬＤＥＤ技術效率（約為２５％ ～３３％）遠低于ＬＰＢＦ技術效率（最高可達９５％），但其仍然顯著高于傳統減材加工方法的材料利用率（通常只有５％）。此外，ＬＤＥＤ過程中產生的熱應力可能較大，存在引起層間裂紋的風險［１３］。與ＬＰＢＦ技術相比，ＬＤＥＤ技術在粉材粒度、激光光斑直徑以及層厚方面通常數值較大，這些因素可能導致最終構建的金屬零件在構建速度上雖有優勢，但在尺寸精度和表面光潔度方面表現較差。為了提升零件的制造精度并滿足工程應用的需求，將ＬＤＥＤ技術與后續機械加工相結合是一種有效解決方案［１４］。

ＬＤＥＤ技術主要有以下特點：

１）基本不受成形金屬零件復雜程度限制

ＬＤＥＤ技術的制造原理所帶來的顯著優勢，使其能夠直接構建金屬零件或模具，當這些零件和模具具有傾斜薄壁、懸垂結構、復雜內部空腔以及內流道等幾何形狀時，無須額外支撐結構［１５］。制造出的近凈成形零件僅需進行有限后續機械加工即可滿足最終使用要求。

２）全面提高材料機械性能和耐腐蝕性能

通過激光與材料相互作用引發的熔化和隨后的凝固機制，金屬或合金能夠在內部形成細小、均勻且致密的微觀結構。這一過程有助于消除材料成分的不均勻性，從而顯著增強其機械性能和耐腐蝕能力［１６］。特別值得注意的是，ＬＤＥＤ技術能夠同時提升材料的強度和延展性，有效解決傳統加工技術中常見的強度與塑性之間的矛盾。ＬＤＥＤ技術克服了傳統成形技術中零件密度不足、性能低下的問題，使得最終產品能夠直接作為功能性零件使用，無須額外處理步驟。

３）無須模具直接成形金屬功能零件

ＬＤＥＤ技術通過直接利用金屬或合金材料進行零件制造或近凈成形，實現了冶金與成形工藝的整合。該技術無須依賴傳統冶金、鑄造或鍛造流程，能夠迅速制備出完全致密的金屬零件或模具，即便產出的是近凈成形零件，所需要的進一步機械加工也相對有限。因此，ＬＤＥＤ技術不僅顯著減少了原材料的使用，還節省了模具制作所需的時間和成本，從而極大提高了零件生產效率，縮短了產品從設計到投入市場的時間，并降低了整體制造成本［１７］。

４）方便靈活地成形異質材料零件

ＬＤＥＤ技術通過逐層方式進行三維實體零件構建，根據零件各部位的性能需求，通過調整材料供給速率和類型來實現合金成分的局部變化。這種變化能夠在零件不同區域形成各異的化學成分和微觀結構，使得零件性能得到精確控制，實現了復雜形狀金屬零件的直接制造，滿足材料組分梯度變化的設計要求。該技術通過優化材料組合和性能匹配，為制造具有特殊性能和形狀要求的關鍵零件以及異質材料（如復合材料和功能梯度材料等）零件提供了一種有效制造手段［１８］，這種制造能力是傳統鑄造和鍛造技術所不具備的。

５）可對零件進行修復與再制造

ＬＤＥＤ技術作為一種典型環保型再制造方法，能夠在保證高質量、高效率、能源節約和環境友好的條件下，運用其獨特的增材制造手段，對廢舊或陳舊產品損壞、失效部分進行修復和再利用［１９］。這一過程不僅能夠恢復和維持產品的原有性能，甚至有可能對其性能進行提升，而且顯著減少了資源消耗，并延長了產品使用周期。此外，該技術還能夠對關鍵金屬零件或模具進行表面改性，從而增強其機械和物理性能［２０］。因此，推動發展快速、高效、精確的修復與再制造方法，對經濟效益和社會效益的提升具有重要意義。

６）可加工的金屬或合金材料范圍廣

激光束在成形過程中展現出極高能量密度，且激光加工是一種非接觸式加工方式，這些特性使得ＬＤＥＤ技術不僅適用于常規金屬和合金材料的加工，同樣能夠有效地成形具有高熔點和較差加工性能的特殊材料［２１］。例如，鎢、鈦、鈮和超合金等材料通常難以通過傳統加工方法有效加工，但在ＬＤＥＤ技術下與普通材料加工難度相當。因此，該技術在制備難加工和難熔材料方面具有顯著優勢。

１.３ 重要意義

ＬＤＥＤ技術具有獨特優勢，雖然該技術的成形精度不及ＬＰＢＦ技術，但對關鍵零部件的生產和修復具有非常重要的意義。

１.３.１ 縮短加工周期并提高材料利用率

利用ＬＤＥＤ技術對大型整體結構件、承力結構件進行加工時，可縮短加工周期，提高材料利用率。為了優化結構性能、降低結構質量以及精簡制造流程，大型整體鈦合金結構在國際航空器設計中得到了日益廣泛的應用［２２］。然而，這類結構的設計對制造過程提出了嚴峻挑戰。例如，美國Ｆ３５戰斗機的主要承力部件目前仍需依賴巨型水壓機進行成形，隨后還需經歷切割、切削和拋光等多道工序。這一流程不僅耗時較長，而且伴隨大量原材料的浪費，約７０％的鈦合金在加工過程中變成了廢料。此外，未來在組件裝配階段還需額外使用連接材料，使得最終構件的質量比采用增材制造技術制造的構件重約３０％。圖２為北京航空航天大學在２０１３年北京科博會上展出的由ＬＤＥＤ技術制造的“眼鏡式”鈦合金主承力構件加強框［２２］。與傳統鍛造工藝相比，該技術顯著提升了大型復雜整體鈦合金構件的材料利用率，同時將制造周期縮短至原來的１／３，并將制造成本降低了一半以上。

１.３.２ 減輕結構質量并節約費用

ＬＤＥＤ技術通過優化結構設計，顯著減輕結構質量，節約原材料和燃料費用，降低加工及使用成本。降低航空航天器的結構質量是該領域技術發展的重要需求。面對傳統制造技術的限制，ＬＤＥＤ技術以其獨特的特點，能夠在保持或提升性能的同時，通過優化結構設計顯著降低金屬構件的質量［２３］。據歐洲宇航防務集團公司（ＥＡＤＳ）透露，飛機質量每減少１ｋｇ，每年可節約３０００美元的燃油開支。美國通用電氣公司（ＧＥ）已經通過ＬＤＥＤ技術對航空航天部件進行試制和技術驗證。在發動機支架的設計與試制過程中，應用ＬＤＥＤ技術實現了減重目標，原始零件質量為２０３３ｇ，而經過優化后的試制品質量僅為３２７ｇ，優化前后結構如圖３［２３］所示。

１.３.３ 制造功能性部件

ＬＤＥＤ技術能夠制造復雜形狀、具有薄壁特征的功能性部件，突破傳統加工技術帶來的設計約束。增材制造技術的發展對計算機輔助設計（ＣＡＤ）模型提出了新的設計要求，這一變化可能引發設計領域革命，使得設計理念能夠更好地適應制造過程。特別是在航空航天領域，新型飛行器通常需要具備復雜的內部流道結構，以獲得更佳溫度管理效果、優化力學性能，并解決潛在共振問題，同時確保零件的不同區域能夠適應各自的應力環境［２４］。與傳統機械加工方法相比，增材制造技術不受零件形狀限制，能夠實現更為合理的應力分布。通過精心設計的復雜內部流道，可以有效控制溫度，并利用多種材料組合來滿足零件各部分的功能要求［２５］。例如，孫輝磊［２６］利用ＬＤＥＤ技術制造的內置流道的異質材料火箭發動機推力室結構件（見圖４［２６］）便是這種設計理念的典型應用。該技術的應用不僅提升了零件性能，也推動了航空航天器設計的創新和發展。

１.３.４ 實現復合加工

ＬＤＥＤ技術可以改進和提升傳統制造技術，實現復合加工。一方面，ＬＤＥＤ技術具備實現不同材料之間高性能結合的能力，允許在由傳統鑄造、鍛造或機械加工方法制造的零件上制備精細結構，而這些制備的精細結構能夠達到與原始整體零件相媲美的力學性能水平［２７］。另一方面，ＬＤＥＤ技術也能夠用于制造半成品毛坯，隨后通過減材制造手段進行精細化加工。ＬＤＥＤ技術可以將增材制造技術在形成復雜精細結構和實現近凈成形方面的優勢，與傳統制造技術在效率、成本、精度和表面質量方面的優點相結合，從而形成一種綜合最優制造策略。ＬＤＥＤ技術與傳統制造技術組合生產的零件如圖５［２８］所示。

１.３.５ 實現高端裝備關鍵零部件快速修復

通過與逆向工程等技術的融合，ＬＤＥＤ技術能夠實現高端裝備關鍵零部件的快速修復。在飛機維修過程中，更換零件通常需要較長拆卸時間。通過采用增材制造技術，將損傷部件作為基底，并在其上進行修復，不僅可以實現現場快速修復，而且修復后的部件性能可以達到甚至超越鍛造件的性能標準［２９］。以整體葉盤為例，這類部件因其制造成本高昂而備受關注。近年來，多家研究機構，包括美國ＧＥ公司、Ｈ＆Ｒ公司、Ｏｐｔｏｍｅｃ公司和德國Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ研究所，已經開展整體葉盤的ＬＤＥＤ修復技術研究。２００９年３月，Ｏｐｔｏｍｅｃ公司宣布，采用激光成形修復技術修復的Ｔ７００整體葉盤通過了軍方振動疲勞測試。圖６為Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ研究所ＬＤＥＤ修復葉片效果［３０］。

２ 激光定向能量沉積技術的發展歷史

２.１ 國外發展歷史

２.１.１ 技術起源和早期發展

ＬＤＥＤ技術的起源可以追溯到２０世紀８０年代中期，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的ＣＡＲＬＤＥＣＫＡＲＤ博士和ＪＯＥＢＥＡＭＡＮ博士首次開發了選擇性激光燒結（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＳＬＳ）工藝，并于１９８９年獲得了第一個ＳＬＳ技術專利［３１］。ＳＬＳ技術利用高功率激光逐層燒結粉末材料（通常是尼龍／聚酰胺等聚合物），用于創建簡單零件和原型，可被看作是金屬３Ｄ打印的前身。該類技術在發展的初始階段又被稱為材料累加制造、快速原型或分層制造。

在２０世紀９０年代初期，由美國人ＣＡＲＬＤＥＣＫＡＲＤ提出的直接金屬激光燒結（ｄｉｒｅｃｔｍｅｔａｌｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＤＭＬＳ）技術問世，將金屬３Ｄ打印提升至直接成形金屬功能零件的新高度。該技術由ＤａｓｓａｕｌｔＳｙｓｔｅｍｓ和ＥＯＳ等公司推廣應用，迅速成為航空航天和汽車工業中苛刻環境下應用的理想選擇［３２－３３］。ＤＭＬＳ技術是ＬＤＥＤ技術的重要里程碑，利用激光束逐層燒結金屬粉末（金屬粉末顆粒處于受熱融合而非完全熔化狀態），實現高精度的金屬零部件制造。這一技術的誕生促進了金屬３Ｄ打印領域的快速發展。

進入２０世紀９０年代末期和２１世紀初期，金屬３Ｄ打印技術不斷發展，應用領域逐漸擴大，被廣泛用于航空航天、醫療、汽車工業等領域。制造商開始認識到其巨大潛力，因此，投入更多資源用于研發和改進金屬３Ｄ打印技術，同時該類技術改稱為快速成形制造或自由實體制造。

２.１.２ 技術創新與改進

進入２１世紀初，金屬３Ｄ打印技術經歷了快速發展和創新時期。越來越多的公司投資于這一領域，推動該技術的快速革新。新的應用領域不斷涌現，包括航天領域發動機零部件的制造和醫療領域人體植入物的生產等。此時該類技術改稱為增材制造或３Ｄ打印并沿用至今。

近十年來，金屬３Ｄ打印技術取得了顯著進展，成為現代制造業的一項重要技術。隨著該技術的不斷改進，制造商可以更快速地生產高質量金屬零部件。這一時期也見證了金屬３Ｄ打印技術的廣泛應用，包括用于飛機引擎零部件的制造、骨科植入物的生產以及汽車工業的改進等。此時以激光為高能束流的金屬３Ｄ打印逐漸形成兩個分支：ＬＤＥＤ（俗稱送粉）工藝和ＬＰＢＦ（俗稱鋪粉）工藝，二者的區別主要是金屬粉末是由送粉噴嘴同步供給（ＬＤＥＤ）還是由預先鋪設的粉床供給（ＬＰＢＦ）。這兩種金屬３Ｄ打印技術各有其優勢和適用場景，具體工藝選擇取決于特定的應用需求以及所制造零部件的尺寸和形狀等參數。

２.２ 國內發展歷史

２.２.１ 技術早期探索

國內對金屬３Ｄ打印技術雛形的開創可以追溯到２１世紀初，當時一些研究機構和高校開始進行相關研究，例如，中國科學院長春光學精密機械研究所率先引進國外激光技術并開展相關研究。最初嘗試主要集中在金屬材料、激光系統和工藝參數的研究，以尋找適合國內需求的解決方案。在這一時期，國內一些高校和研究機構開始在金屬３Ｄ打印技術上取得一些初步成果，研發了不同金屬材料、激光設備和控制系統，為該技術的發展奠定了基礎，其中西安交通大學盧秉恒院士在２０００年完成“激光快速成形若干關鍵技術與應用”項目，并獲得國家科技進步二等獎。

２.２.２ 技術應用爆發式增長

進入２０１０年后，我國在金屬３Ｄ打印技術領域的投資顯著增加，這為該技術的快速進步提供了堅實基礎。國內眾多企業和政府機構開始積極推廣金屬３Ｄ打印技術，并將其應用于實際生產過程。例如，北京隆源自動成形系統有限公司成功研發了擁有自主知識產權的ＬＤＥＤ設備，并在航空航天等行業獲得多項應用成果。在科研層面，北京航空航天大學王華明院士團隊在高性能難加工金屬大型復雜關鍵部件的激光增材制造工藝、成套設備和工程應用關鍵技術方面取得了重大突破，還開辟了ＬＤＥＤ多元金屬硅化物高溫耐蝕耐磨特種涂層這一新研究領域，相關研究成果已在飛機、火箭、導彈、衛星、航空發動機、燃氣輪機等高端裝備的研制和生產中得到廣泛應用。２０１０年后，我國一些企業開始涉足金屬３Ｄ打印技術領域，例如西安鉑力特、湖南華曙高科、南京中科煜宸等。這些企業投資研發３Ｄ打印設備，開發金屬打印材料，探索在行業領域的廣泛應用。我國制造業逐漸開始認可并采用該技術，應用范圍以航空航天、國防軍工和汽車工業為主。我國政府對ＬＤＥＤ技術的發展發揮了重要作用，通過政策支持、資金投入和研發計劃推動了ＬＤＥＤ技術的發展并加速了ＬＤＥＤ技術的廣泛應用。

２.２.３ 技術突破與拓展

近年來，我國逐漸成為推動金屬３Ｄ打印技術發展的領導者之一。國內企業不僅在技術研發方面取得了重大突破，還在推廣應用方面表現出色。改進了３Ｄ打印設備的性能和穩定性，提高了生產效率。北京理工大學姜瀾院士獲批了國家重點研發計劃“增材制造與激光制造”重點專項，其研究成果達到國際先進水平。金屬３Ｄ打印技術在我國的應用領域包括航空航天、國防軍工、生物醫療、船舶制造和汽車工業等。我國航空業制造發動機零部件、國防領域制造精密零件、醫療行業制造植入物和假肢以及汽車工業改進零部件生產都已經開始采用金屬３Ｄ打印技術（包括ＬＤＥＤ和ＬＰＢＦ技術）。我國企業在國際市場上也展現了較強競爭力，同時還在國際合作方面發揮了重要作用。通過積極參與國際標準的制定、國際專利的申請，與國際伙伴合作開展研究項目，推動了金屬３Ｄ打印技術在國際舞臺上的不斷發展。

３ 激光定向能量沉積技術的研究現狀

３.１ 模型建立與數據處理

構建零件的三維模型主要采用兩種策略：直接構建和逆向工程。在直接構建法中，利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ、Ｐｒｏ／Ｅ、ＵＧ、Ｉｎｖｅｎｔｏｒ、Ｒｈｉｎｏ等軟件，可以在計算機上直接創建零件的三維幾何模型。逆向工程法則利用Ｉｍａｇｅｗａｒｅ、ＧｅｏｍａｇｉｃＳｔｕｄｉｏ、ＣｏｐｙＣＡＤ、ＲａｐｉｄＦｏｒｍ等逆向工程軟件對現有零件進行掃描，進而在計算機中重建三維模型。目前，三維模型數據處理的主要流程包括將ＣＡＤ模型轉換成ＳＴＬ格式，隨后對ＳＴＬ文件進行診斷修復、分層切割、路徑規劃以及數控代碼生成。分層切割算法基于ＳＴＬ模型可以采用等厚分層、自適應分層或曲面分層等多種方式［３４］。路徑規劃技術則包括光柵掃描、輪廓偏置掃描和分區分形掃描等方法。當前，分層切割算法和路徑規劃的研究重點在于提升其精確度、穩定性和效率。金宇鵬［３５］改進了ＳＴＬ模型的曲面分層算法，提升了分層效率，并通過基于中軸線的輪廓偏置掃描方法，顯著減少了路徑中斷頻率。田仁強等［３６］提出了一種基于ｘ-ｙ分辨率的ＳＴＬ模型自適應分層算法，簡化了分層參數處理，并提高了分層輪廓精細度，具體示例如圖７所示。

３.２ 材料與工藝

ＬＤＥＤ技術普遍選用直徑范圍為４５～１５０μｍ的球形金屬粉末或直徑介于０.８～３ｍｍ的金屬絲材作為原料。目前，廣泛應用于該技術的合金材料主要包括Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ（ＴＣ４）鈦合金、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ鋁合金、３１６Ｌ不銹鋼、３００Ｍ 高強鋼、Ｈ１３模具鋼、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８（ＧＨ４１６９）鎳基超高溫合金、銅合金和鎢合金等［３７］。針對ＬＤＥＤ過程中的關鍵工藝參數，如激光功率、掃描速度、掃描策略、光斑大小、送粉／送絲速率和搭接率等［３８］，結合輔助工藝如鍛造軋制、電磁感應、超聲振動、元素添加和熱處理等，對整個工藝過程的穩定性和可靠性進行了深入優化。

２０世紀末，美國Ｓａｎｄｉａ和ＬｏｓＡｌａｍｏｓ國家實驗室已經開始利用ＬＥＮＳ技術和ＤＬＦ技術對Ｈ１３模具鋼、３１６不銹鋼、Ｉｎｃｏｎｅｌ６９０鎳基超高溫合金、Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ鈦合金等材料的成形工藝進行了研究。近期，德國Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ研究所詳細闡述了ＬＤＥＤ技術的工藝步驟，并通過不同工藝參數制造Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ圓柱體和Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８方塊，以評估各種工藝參數的適用性，并成功將優化后的工藝應用于Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ合金渦輪葉片的縱樹形榫頭制造。西安交通大學盧秉恒院士團隊［３９］研究了懸垂結構空間可變取向的ＬＤＥＤ技術，成功制造出具有懸垂結構的“花瓶”形金屬零件，其最大懸垂角度達到８０°，如圖８所示。霍浩等［４０］利用ＬＤＥＤ技術制備Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ合金過程中通過添加變質劑（硼和硅），并結合感應加熱和熱處理，實現了晶粒細化和微觀組織的改善，制備出了性能優異的鈦合金樣品，還探討了超聲沖擊鍛造輔助ＬＤＥＤ工藝對Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ合金微觀組織和各向異性的影響。楊膠溪等［４１］采用ＬＤＥＤ技術進行了無磁復合材料、鎳基耐磨抗腐蝕材料和軟磁材料的制備工藝及冶金機理研究。運用固體與分子經驗電子理論（ＥＥＴ理論）、第一性原理等方法研究磁性控制機理，并通過添加合金元素調控材料性能，制備出高性能梯度結構材料。

３.３ 過程模擬與仿真

ＬＤＥＤ技術仿真分析涉及宏觀、介觀、微觀以及多尺度多物理場的模擬，常用仿真軟件包括ＡＮＳＹＳ、ＣＯＭＳＯＬ、ＳＩＭＵＦＡＣＴ、ＦＬＯＷ-３Ｄ和ＡＭ-ＰｒｏＳｉｍ等。計算機輔助模擬仿真技術能夠深入探究ＬＤＥＤ過程中的熔池形態、溫度分布、微觀結構演變、部件變形、殘余應力狀況以及可能產生的冶金缺陷等關鍵因素［４２］。

美國Ｓａｎｄｉａ國家實驗室［４３］運用有限元分析（ＦＥＡ）方法構建了３０４Ｌ不銹鋼管的三維仿真模型，模擬了ＬＤＥＤ成形過程中的溫度場，預測了殘余應力和微觀組織的發展趨勢，并將仿真結果與實驗數據進行了對比分析。ＷＡＬＫＥＲ等［４４］開發了新的仿真模型，用于預測Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８鎳基超高溫合金在成形過程中沉積層幾何形狀和熱－力場的變化。該模型對沉積層高度和寬度的預測誤差分別為６.５％和７.６％，而對溫度和殘余應力的預測誤差分別為６.２％和１１.４％。張吉平等［４５］利用三光束光內送絲技術，通過ＡＮＳＹＳ軟件對不同工藝參數下ＬＤＥＤ成形碳鋼材料的熔池溫度場進行了仿真研究。通過仿真和實驗綜合分析，對工藝參數進行了優化，仿真得到的熔池溫度分布如圖９所示。

３.４ 成形質量檢測與分析

當評估ＬＤＥＤ工藝參數的有效性時，通常需要對成形件的質量進行全面檢測與分析。包括對成形精度、微觀組織、機械性能（如硬度、摩擦磨損性能、抗拉強度、殘余應力和疲勞強度等）以及冶金缺陷（如未熔合、裂紋和孔洞等）的評估。檢測方法可分為機械測試（如拉伸、壓縮和沖擊測試等）和無損檢測技術（如超聲波檢測、射線檢測、工業計算機斷層掃描（ＣＴ）和熒光滲透檢測等）［４６］。

目前，針對Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８等材料的ＬＤＥＤ制備工藝已經較為成熟，經過適當熱處理后零件能夠達到與傳統制造工藝相媲美的機械性能［４７－４８］。美國Ｓａｎｄｉａ國家實驗室［４９］與Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ大學［５０］合作研究了ＬＤＥＤ工藝參數對３１６Ｌ不銹鋼成形質量、微觀結構和機械性能的影響，并探討了微觀結構的演變和冶金缺陷的形成機制。北京航空航天大學王華明院士團隊［５１］對高性能大型鈦合金構件的ＬＤＥＤ技術進行了廣泛研究，并建立了硬度、強度、微觀組織與工藝參數之間的相關性。圖１０為采用ＬＤＥＤ技術與鍛造方法制備的超高強度鈦合金Ｔｉ-４-５Ａｌ-５Ｍｏ-５Ｖ-６Ｃｒ-１Ｎｂ試樣組織的電子背散射衍射（ＥＢＳＤ）對比圖［５１］。相關研究結果可為鈦合金增材制造件的組織優化和強塑性匹配提供理論依據。

３.５ 在線監測與閉環控制

在ＬＤＥＤ過程中，誤差累積可能會導致成形精度降低。為了將成形過程精度控制在可接受的誤差范圍內，采用閉環控制策略顯得尤為重要。對熔池溫度、成形尺寸（寬度或高度）、送粉／送絲速率等關鍵參數進行實時監控，并通過實時反饋調整激光功率、掃描速度等，以確保成形過程的穩定性［５２］。

ＺＡＶＡＬＯＶ等［５３］對ＬＤＥＤ過程中激光與氣粉混合物相互作用產生的溫度分布進行了深入分析，并提出了一種熔池溫度在線監測方法。日本三菱先進技術研發中心與大阪大學的合作研究團隊［５４］開發了一套激光沉積高度在線測量和送絲速度反饋控制系統，該系統能夠有效確保沉積高度和送絲速度處于最優狀態。劉鵬偉等［５５］設計了一種基于狀態空間模型的控制系統，用于精確控制ＬＤＥＤ過程中的熔池溫度，并通過預測控制策略減少了熔池溫度波動和基板變形。圖１１為熔池溫度監測與控制系統設計示意圖［５５］。上述研究成果對提升ＬＤＥＤ技術的可靠性具有重要意義。

４ 激光定向能量沉積技術的應用進展

４.１ 快速成形

ＬＤＥＤ技術在快速成形方面的應用主要集中于大型金屬構件的直接制造和難加工材料的沉積成形，旨在減少制造成本和縮短生產時間［５６］。早在２０００年，美國國防部和海軍研究院主導的“鈦合金柔性制造”項目便成功制造了Ｆ／Ａ-１８Ｅ／Ｆ戰斗機的機翼翼根吊環和降落連桿。這些部件的性能優于傳統制造方法，生產成本降低了２０％，生產周期縮短了７５％。英國ＧＫＮ公司利用ＬＤＥＤ技術加固Ｖｕｌｃａｉｎ２.１火箭噴嘴，并制造關鍵連接部件，選用超過５０ｋｇ的鎳基超高溫合金，使得零件數量減少９０％，生產成本降低４０％，生產周期縮短３０％。

部分ＬＤＥＤ快速成形零件如圖１２［５６］所示。美國國家航空航天局（ＮＡＳＡ）采用ＬＤＥＤ技術制造了火箭噴嘴部件，如圖１２ａ所示。ＲＰＭ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ公司使用ＬＤＥＤ技術制造了一體成形彎管零件，該零件包含４個９０°彎折處，如圖１２ｂ所示。德國ＤＭＧＭＯＲＩ公司采用ＬＤＥＤ技術制造多個３１６Ｌ不銹鋼零件，如圖１２ｃ所示。西北工業大學利用激光熔覆成形技術為國產Ｃ９１９大型客機制造長達３０７０ｍｍ的鈦合金中央翼緣條，如圖１２ｄ所示。北京航空航天大學通過ＬＤＥＤ技術制造多種大型鈦合金部件，包括飛機鈦合金主承力構件加強框，如圖１２ｅ所示。南京中科煜宸公司利用自主研發的增材制造設備成功沉積成形發動機葉輪，如圖１２ｆ所示。上述應用表明，ＬＤＥＤ技術在航空航天領域的快速成形應用已經取得顯著經濟和時間雙重效益。

４.２ 結構添加

ＬＤＥＤ技術在提升現有零件性能方面具有顯著作用，通過在零件表面沉積不同材料，能夠增強其耐腐蝕、耐磨損和耐高溫等特性［２０］。例如，美國ＤＭ３Ｄ公司利用銅基金屬進行沉積，制造汽車部件模具，不僅能確保模具在注塑過程中的強度和耐磨損性，同時也能夠提升冷卻效率。圖１３為部分ＬＤＥＤ結構添加零件［２０］。德國ＴＲＵＭＰＦ公司通過ＬＤＥＤ技術在鋁壓鑄件表面添加鋁合金結構，從而增強零件整體性能，如圖１３ａ所示；法國ＢｅＡＭ公司在３０４不銹鋼零件表面沉積Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５鎳基高溫合金網狀結構，如圖１３ｂ所示；北京工業大學聯合鐵道科學研究院及特冶（北京）科技發展有限公司，在Ｕ７５Ｖ和Ｕ２０Ｍｎ貝氏體鋼軌上進行高性能材料沉積，旨在提升新型轍叉的抗沖擊和抗滾動接觸疲勞性能，如圖１３ｃ所示；中國科學院沈陽自動化研究所與一重集團天津重工有限公司合作，采用ＬＤＥＤ技術在軸盤類關鍵部位的外表面沉積高硬度和耐磨損涂層，與傳統手工ＴＩＧ焊接相比，該技術顯著降低變形量（僅為傳統手工ＴＩＧ焊的３０％），同時耐磨性提高１倍，耐腐蝕性提升３０％，如圖１３ｄ所示。上述應用展示了ＬＤＥＤ技術在提升材料性能方面的巨大潛力和實際應用價值。

４.３ 修復再制造

ＬＤＥＤ技術在修復再制造領域展現了其作為一種高效手段的潛力，能夠對受損零件特定區域進行修復和重建，顯著減少了更換零件的相關成本［２２］。圖１４為部分ＬＤＥＤ 修復再制造零件［２２］。美國Ｏｐｔｏｍｅｃ公司運用ＬＤＥＤ技術成功修復磨損的齒輪軸頸，如圖１４ａ所示；沈陽工業大學利用ＬＤＥＤ技術為沈陽精新再制造有限公司修復受損的機床直線導軌，使得再制造后的機床關鍵零部件的綜合力學性能超過新件的９０％，如圖１４ｂ所示；美國羅切斯特理工學院采用ＬＤＥＤ技術為漢斯福德零部件產品公司修復受損的齒輪，如圖１４ｃ所示。西北工業大學采用ＬＤＥＤ技術對某型號發動機的高壓一級渦輪葉片進行修復，并已在超過５０臺發動機上得到應用，如圖１４ｄ所示。上述應用證明了ＬＤＥＤ技術在修復和再制造領域的有效性和實用性。

５ 展 望

ＬＤＥＤ技術在原理上打破了傳統制造技術的限制，使得材料的微觀結構和宏觀形狀的精確控制成為可能。這一技術革新了傳統設計理念，從“制造先行、可造性優先、經驗導向”轉變為“設計主導、功能優先、拓撲優化”，實現了設計和制造的真正融合。ＬＤＥＤ技術的應用范圍廣泛，涵蓋鈦合金、鋁合金、銅合金、鎂合金、高溫合金、不銹鋼等多種金屬材料，以及添加了無機非金屬增強相（如陶瓷、碳、石墨、硼等）的金屬基復合材料等。制造尺度也呈現兩極化發展，一方面向大尺寸復雜構件發展，另一方面向微納精細結構發展。制造環境也從地表走向星際和太空，產品應用環境從常規條件向高溫、高壓、大載荷、強腐蝕等極端條件延伸，應用領域從傳統制造業（如機械、航空航天、船舶等）拓展到新能源、生物醫療、康復產業、文物保護、文化創意、教育等新興行業。

ＬＤＥＤ技術近年來取得了顯著發展，對各行業的轉型升級起到了關鍵推動作用。國內眾多研究機構和企業通過產學研用的立體合作模式，探索出了一條具有中國特色的增材制造發展道路，為技術創新、軍民融合、新興產業和國防事業的發展提供了廣闊空間。ＬＤＥＤ技術作為增材制造領域的前沿技術，突破了傳統制造在材料、形狀、尺寸、功能等方面的限制，能夠在無須模具的情況下制造出復雜的近凈成形結構，應用范圍涵蓋全彩色、異質、功能梯度材料等，跨越多個尺度，實現整體成形并滿足復雜部件的裝配需求。因此，該技術被廣泛認為是未來制造方式中最具潛力和應用前景的技術之一。加強ＬＤＥＤ技術的科學研究和產業化應用，充分發揮其獨特優勢，將為提升國家綜合實力和推動高新技術發展提供強有力支持。

６ 結束語

ＬＤＥＤ技術作為一種前沿增材制造技術，已經在多個工業領域得到應用，其發展趨勢表明，ＬＤＥＤ技術將繼續在材料科學、制造工藝和產品設計中發揮重要作用。隨著技術的不斷成熟和優化，ＬＤＥＤ技術有望進一步降低制造成本、縮短生產周期并提升產品性能。此外，ＬＤＥＤ技術的環境友好性和對資源的高效利用，預示著其將在推動制造業的綠色轉型和可持續發展中扮演關鍵角色。

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（責任編輯：尹淑英 英文審校：尹淑英）

特邀專家 劉偉軍，沈陽工業大學機械工程學院院長，博士生導師，二級教授。獲中央組織部“萬人計劃”科技創業領軍人才、科技部創新人才推進計劃創新創業領軍人才、遼寧省百千萬人才工程百人層次、遼寧省科技創新領軍人才、遼寧最美科技工作者、沈陽市五一勞動獎章等榮譽稱號。兼任國家數控重大專項總體組專家，中國計量測試學會在線檢測及智能制造專業委員會副主任委員，遼寧省機械工程學會自動化分會副理事長。長期致力于激光制造與智能制造技術研究和應用推廣，主持完成國家重點研發計劃、國防９７３、國家９７３、數控重大專項、“８６３計劃”、國家自然科學基金等國家及省部級以上課題６０余項。發表學術論文２００余篇，其中ＳＣＩ和ＥＩ收錄１００余篇，出版專著２部，獲發明專利１００余項。獲省級以上科技進步獎等成果１０余項。突破大型復雜金屬構件激光增材制造、激光沖擊強化、激光清洗、增減復合制造、自動化鉆鉚關鍵核心技術，研制系列化激光制造與智能制造成套裝備，在航空航天領域實現了工程化應用，為提升航空發動機等高端裝備制造運維能力與水平提供技術支撐與裝備保障。

基金項目：國家重點研發計劃項目（２０２２ＹＦＢ４６０２２０２）；遼寧省高等學校重點攻關項目（ＪＹＴＺＤ２０２３１１３）。