金属材料在增材制造技术中的研究进展_胡捷
金属材料在增材制造技术中的研究进展
胡 捷，廖文俊，丁柳柳，胡 阳
（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海２００
０７０）摘要 对金属材料在增材制造技术研究中的发展史进行了概述，并分类描述了不同的成形机制。重点详细介绍了增材制造技术领域内各类金属材料的研究进展，种类涵盖到钛合金、镍合金、钢、铝合金和硬质合金等材料。最后提出行业应该更注重“政用产学研”五位一体化，以市场为导向，逐渐形成一系列金属材料的增材制造工艺方法及标准。
关键词 增材制造 钛合金 镍合金 钢中图分类号：ＴＧ１４ 文献标识码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
ＨＵ Ｊｉｅ，ＬＩＡＯ Ｗｅｎｊｕｎ，ＤＩＮＧ Ｌｉｕｌｉｕ，ＨＵ Ｙａｎｇ
（Ｃｅｎｔｒａｌ Ａｃａｄｅｍｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｒｏｕｐ
Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７０）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｈｉｓｔｏｒｙ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ，ｎｉｃｋｅｌ ａｌｌｏｙ，ｓｔｅｅｌ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ，ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ，ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｓｔａｎｄａｒｄ ｉｓ ｉｎｄｉｓｐｅｎｓａｂｌｅ ｉｎ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ，ｎｉｃｋｅｌ ａｌｌｏｙ，ｓｔｅｅｌ 胡捷：男，１９８８年生，硕士，工程师，研究方向为金属材料的制备和加工 Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｊｉｅ３＠ｓｈａｎｇ
ｈａｉ－ｅｌｅｃｔｒｉｃ．ｃｏｍ０ 引言
增材制造技术，
顾名思义，是指运用离散－堆积的方法将材料一点一点地增加起来的加工技术，主要工艺流程如图１所示
。
图１ 增材制造的工艺流程
Ｆｉｇ．１ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ早期的增材制造技术主要为原型制造，
用于快速响应产品的外观设计，所用材料包括树脂和塑料。随着市场需求的不断提高，增材制造技术不能仅仅满足于外观要求，还必须
逐渐向制造功能件方向转变，由此关于金属材料的研究便不曾间断。
在２０世纪９０年代中期，美国联合技术研究中心（ＵＴＣ）与桑地亚国家实验室（Ｓａｎｄｉａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ）合作开发了激光工程化近成形制造技术（Ｌａｓｅｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｎｅｔ ｓｈａ－ｐｉｎｇ
，ＬＥＮＳ），该技术使用了Ｎｄ∶ＹＡＧ固体激光器和同步粉末输送系统，用于金属零件的近形制造和局部修复。与此同时，瑞典的Ａｒｃａｍ公司基于电子束熔炼快速制造技术（Ｅ－ｌｅｃｔｒｉｃ ｂｅａｍ ｍｅｌｔｉｎｇ
，ＥＢＭ）发展出金属材料“自由成形技术”（Ｆｒｅｅ ｆｏｒｍ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ＦＦＦ），可直接由金属粉末生成完全致密零件；国内西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东教授突破了快速原型制造的界限，发展出激光立体成形技术（Ｌａｓｅｒ ｓｏｌｉｄ ｆｏｒｍｉｎｇ，ＬＳＦ），获得了形状较为复杂的金属零部件。随后，美国Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ国家实验室开发了直接光学制造（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｌｉｇ
ｈｔ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ＤＬＦ）的金属零件快速成型；美国Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ和Ｃａｒｎｅｇｉｅ Ｍｅｌｌｏｎ Ｕｎｉ－ｖｅｒｉｓｉｔｙ合作开发了形状沉积制造技术（Ｓｈａｐ
ｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＳＤＭ）；美国密西根大学研究开发了直接金属沉积技术（Ｄｉｒｅｃｔ ｍｅｔａｌ ｄｅｐ
ｏｓｉｔｏｎ，ＤＭＤ）；德国弗朗和夫研究所（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ）开发了控制金属堆积技术（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｍｅｔａｌ ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ，ＣＭＤ）；英国Ｂｉｒｍｉｎｇ
ｈａｍ大学的吴鑫华教授提出了受控激光制造技术（Ｄｉｒｅｃｔ ｌａｓｅｒ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）等［１－４］
。如今，在国内以金属激光熔覆（Ｌａｓｅｒ ｃｌａｄｄｉｎｇ，ＬＣ）、金属材料选区激光熔化（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ
，ＳＬＭ）或烧结（Ｓｅ－ｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ
，ＳＬＳ）技术占据市场主导地位，ＳＬＳ技·
９５４·金属材料在增材制造技术中的研究进展／胡 捷等
术路线如图２所示。虽然众多的研究院所和学者给金属材料增材制造技术分门别类地冠以了不同的名称，但其中的成形原理却不外乎几类
。
图２ ＳＬＳ技术路线
Ｆｉｇ
．２ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｏｕｔｅ ｏｆ ＳＬＳ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ增材制造技术的最大特点在于能够可受控地自由添加材料，要做到这一点需要先将所添材料变成流体状态。金属材料的熔化或气化都需要很高的能量，所以一般选择高能束粒子流作为热源，例如激光束或电子束等。根据受热程度的不同，金属材料可能发生全部熔化、部分熔化或者不熔化。对于纯金属而言，温度高于熔点，材料即可发生完全熔化；对于多组元单一高熔点合金而言，材料熔凝过程存在一个固液共存区间，温度需要略高于固相线温度，使材料发生非均匀熔化，随后通过液相浸润晶界和热量的扩散，剩余固相便发生重排熔解。在ＳＬＭ、ＬＥＮＳ、ＬＳＦ和ＥＢＭ等成形工艺中常采用以上材料体系粉末。当材料是多组分的混合料时，由于各组分具有不同熔点，低熔点材料部分会优先熔化，成为粘结剂，而高熔点材料部分作为结构材料，保留其固相核心。通常高熔点材料是金属，低熔点材料是有机树脂或者金属，例如３Ｄｓｙｓｔｅｍ公司的ＲａｐｉｄＳｔｅｅｌ和ＣｏｐｐｅｒＰｏｌｙａｍｉｄｅ材料系列和ＥＯＳ公司的钢、镍与青铜混合粉体系等。这种被液相包裹、润湿从而粘结固相颗粒，实现致密化的过程称为液相烧结，常用工艺有金属材料ＳＬＳ。此外，关于金属材料固相烧结或化学反应结合为机制的增材制造工艺研究也有所
报道，Ｋｒｕ
ｔｈ给予了详细描述和分类［５］
。之所以会有不同的成形机制和工艺主要在于材料种类的多样性。国内外研究人员仍在不断地开发出新的材料体系以满足于市场的需求，以下就逐一介绍增材制造技术中几类重要的金属材料。
１ 钛合金
钛合金具有比强度高、
耐蚀性好、高温力学性能优良等特点，被广泛应用于各行各业。但高昂的加工成本和较长的交货周期，限制了其应用范围。特别地，对于有定制化要求的航空航天和生物医用领域更是突显了传统加工方式的弊端。钛合金是增材制造技术中率先被广泛研究和应用的合
金材料。
Ｔｉ－６Ａｌ－
４Ｖ（ＴＣ４）合金在航空工业中主要用于框架、梁、接头、叶片等部件上。该合金具有良好的热塑性和可焊性，非常适合于激光束或电子束快速成形工艺。美国ＡｅｒｏＭｅｔ公司是史上第一家运用激光快速成形技术实现钛合金构件装机应用的单位，但其ＴＣ４构件即使经过热等静压（ＨＩＰ）或开模铸造加工，
性能也达不到锻件标准，无法作为主承力构件。在“十五”期间，北京航空航天大学王华明教授团队突破激光熔化沉积关键技术，成功制造ＴＣ４钛合金，其室温及高温拉伸、高温蠕变、高温持久、光滑疲劳、缺口疲劳等力学性能均显著超过锻件，该结构件已实现在飞机上的装机应用。西北工业大学黄卫东教授对ＴＣ４激光立体成形件进行研究，无论是沉积态还是热处理态的力学性能都优于锻造退火态标准和美国ＡｅｒｏＭｅｔ公司激光成形件。此外，北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室利用电子束熔融工艺快速制备了性能优异的ＴＣ４钛合金试样。在国外，美国材料与试验协会已出台标准ＡＳＴＭ－Ｆ２９２４－
１４“ＳｔａｎｄａｒｄＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
Ｔｉｔａｎｉｕｍ－６Ａｌｕｍｉ－ｎｕｍ－４Ｖａｎａｄｉｕｍ ｗｉｔｈ Ｐｏｗｄｅｒ Ｂｅｄ Ｆｕｓｉｏｎ”针对ＴＣ４钛合金的铺粉熔覆工艺，这也是增材制造行业为数不多的涉及到具体材料的标准。可以说，运用增材制造方法制备ＴＣ４钛合金的工艺技术相当成熟，已全面进入市场销售和生产服务。随后的研究会着重于ＴＣ４成分和工艺参数的进一步优
化［
６－１０］
。Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｚｒ－１Ｍｏ－
１Ｖ（ＴＡ１５）合金属于高Ａｌ当量的近α型钛合金，具有良好的热强性、可焊性和工艺塑性。和ＴＣ４一样，作为飞机和发动机结构用重要钛合金材料，也已实现在飞机上的装机应用。激光快速成形ＴＡ１５钛合金的各项性能（包括铣削、镗削、钻削和攻丝等切削工艺性能）与锻件
无显著差异［１１］
。退火热处理后的ＴＡ１５合金厚壁件的拉伸力学性能优于锻造退火态的标准［
１２］
。Ｔｉ－６Ａｌ－３．５Ｍｏ－１．８Ｚｒ－
０．３Ｓｉ（ＴＣ１１）合金主要用于飞机叶片，属于α＋β两相合金，合金中加入少量Ｓｉ增强抗蠕变性能。２０１０年，贵州黎阳航天动力有限公司与北航一同开展了“大型钛合金整体叶盘激光快速成形技术研究”项目，完成了《ＴＣ１
１钛合金整体叶盘激光快速成形制件及零件技术条件》和实体零件的制造，力学性能达到锻件技术标准。Ｔｉ－４Ａｌ－１．５Ｍｎ（ＴＣ２）合金属于中强钛合金，具有良好的可焊性，主要用作连接管路。该合金变形能力较差，压力加工成形较困难。增材制造技术无疑给该合金的制造增添了一缕曙光。激光熔化沉积退火态ＴＣ２钛合金的室温拉伸性能优异，但其塑性存在明显各向异性。后处理过程中，退火温度升高增加试样件强度，但不损失其韧性；当退火温度为９５５℃时，
经空冷获得的试样件缺口冲击韧度值最高，达到８８８ｋＪ／ｍ２。Ｔｉ－６Ａｌ－２．５Ｍｏ－２Ｃｒ－０．５Ｆｅ－０．３Ｓｉ（ＴＣ６）是一种密度低、强度高、耐腐蚀的两相钛合金。其材料成本昂贵，且难以进行锻造加工成形。经普通退火处理的ＴＣ６钛合金半成品能够满足飞机结构件３００℃以下的使用温度要求。利用激光立
·０６４·材料导报
２
０１４年１１月第２８卷专辑２４
体成形工艺制备ＴＣ６钛合金，沉积态和退火态构件均能达到锻件标准。
Ｔｉ－５．５Ａｌ－４Ｓｎ－２Ｚｒ－１Ｍｏ－０．３Ｓｉ－１Ｎｄ（Ｔｉ６０）和Ｔｉ－６Ａｌ－２．８Ｓｎ－４Ｚｒ－０．５Ｍｏ－０．４Ｓｉ－０．１Ｙ（Ｔｉ６００）合金是６００℃高温钛合金主要研究对象，分别由中国科学院金属所和西北有色金属研究院研制。前者工作温度可达６００℃，用于航空发动机高压段的压气机盘、鼓筒和叶片等零件，随后在此基础上又研制出Ｔｉ－５．８Ａｌ－４．０Ｓｎ－３．５Ｚｒ－０．４Ｍｏ－０．４Ｓｉ－０．４Ｎｂ－０．４Ｔａ（Ｔｉ６０Ａ）钛合金；后者可在６００～６５０℃长期使用，蠕变性能非常优异，适用于高温下持久承力部件。Ｔｉ６０合金激光立体成形红光组织呈现等轴晶结构，为魏氏组织，需要双重退火处理才能得到较好的力学性能；而激光熔化沉积Ｔｉ６０和Ｔｉ６０Ａ则表现出柱状晶结构，但仍需经双重退火处理。此外，西北有色金属研究院采用电子束成形Ｔｉ６００合金，不同的ＥＢＭ工艺会导致成形件断裂机制的不同［１３，１４］。
转向生物医用领域，一些常用材料已经被认证，如Ａｒ－ｃａｍ公司的ＣＰ２和Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ。此外，Ｍ．Ｓｐｉｅｒｓ等［１５］用ＳＬＭ工艺成形Ｔｉ－１３Ｎｂ－１３Ｚｒ合金支架，研究了多孔几何形状对其力学性能的影响；Ｊ．Ｈｅｒｎａｎｄｅｚ等［１６］用ＥＢＭ法制备出β相Ｔｉ－２４Ｎｂ－４Ｚｒ－７．９Ｓｎ合金，分析了其微观结构和硬度；另有研究针对Ｔｉ－６Ａｌ－７Ｎｂ钛合金的激光成形，探讨了各因素对构件性能和应用的影响。在保证性能的前提下，如何使材料和人体有着生物相容性是各研究者接下来需要面临的挑战。
２ 镍合金
镍通过添加适宜的元素可提高抗氧化性、抗蚀性和耐高温性，所以镍合金广泛用于工业和军事领域的高温耐蚀零部件。近年来，随着发动机技术的不断发展，对高温合金的承温能力、强韧性、疲劳性能等多方面提出了更高的要求，这种情况下镍基合金的快速成形研究变得活跃。如何控制冶金缺陷和熔凝组织，使构件达到优异性能是研究中的一项关键技术。
Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８（对应中国牌号ＧＨ４１６９）合金中含有铌和钼等元素，在７００℃具有高强度、良好的韧性和耐腐蚀性，常用于汽轮机和液体燃料火箭中的零部件。此类合金还具有良好的可焊性，无焊后开裂倾向，所以特别适合用激光成形技术制造。国内外众多科研团队着力于Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８的成形研究，它是所有镍基合金中研究最为广泛的，在增材制造行业市场中，已被当作典型材料用于加工服务。Ｉｎｃｏｎｅｌ ６２５和Ｉｎｃｏｎｅｌ ７３８是该系列中另外两种被重点研究和应用的材料。例如，Ｌ．Ｓｅｘｔｏｎ采用Ｉｎｃｏｎｅｌ ６２５合金进行激光熔覆修复叶片，获得较好的微观组织、较高的硬度和较低的孔隙率；孙鸿卿等在定向凝固镍基高温合金上激光熔覆Ｉｎｃｏｎｅｌ ７３８，从裂纹敏感性的角度着手进行研究［１７］。此外，Ｉｎｃｏｎｅｌ ６００、Ｉｎ－ｃｏｎｅｌ ６９０和Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１３等材料也被用于激光熔覆技术成形研究中。
Ｒｅｎｅ系列是通用电气公司自主研发用于旗下产品高温部件的镍基合金材料。２１世纪初，Ｒｅｎｅ ９５合金激光快速成形件的力学性能强度指标就已经接近粉末冶金Ｃ级标准，塑
性指标超过粉末冶金Ａ级标准。之后，日本大阪大学的Ｙｏ－ｓｈｉｈｉｒｏ Ｆｕｊｉｔａ等在单晶基材ＣＭＳＸ－４上熔覆Ｒｅｎｅ １４２高温合金［１８］；Ｔｅｘａｓ大学的Ｌ．Ｅ．Ｍｕｒｒ等详细研究了电子束熔化沉积Ｒｅｎｅ １４２合金的微观结构［１９］。另外，据报道通用电气公司很早就介入了金属材料增材制造技术，早期主要由其航空部进行研发和运用，现正逐渐转到其他部门，针对自身研发出的Ｒｅｎｅ合金肯定也做了不少相关研究工作。
在国产高温合金牌号中，ＦＧＨ ９５是２０世纪８０年代初第一种定型研制的高温合金粉末，成分类似Ｒｅｎｅ ９５，其激光立体成形件的室温力学性能已十分接近粉末冶金的技术标准。另外，铸态Ｋ４１８和定向凝固ＤＺ４０８合金成分材料被报道用于激光成形和修复研究，选择合适工艺参数后，均能获得较好力学性能。
３ 钢
钢是合金材料中最大的一个分支。钢的成分、形态和制备工艺的多样性造就了其在传统制造业中非凡的地位。在增材制造技术发展史上，钢也是被广泛用于成形研究的重要材料，可细分为３大类：不锈钢、高强钢和模具钢。
３０４和３１６奥氏体不锈钢粉末（及其低碳钢种）是最先研发用于激光成形研究的不锈钢材料，如今已成为增材制造市场上典型的加工材料。之后，３２１奥氏体不锈钢也将被推向市场。在马氏体不锈钢方面，有研究报道激光熔覆４２０不锈钢件的耐蚀性比常规锻造４２０不锈钢件提高３０％，而现在市场上以２Ｃｒ１３和１７－４ＰＨ两种材料为主，德国的ＥＯＳ公司还特别研制了ＭＳ１、ＧＰ１和ＰＨ１三种牌号合金用以增材制造技术专用。
Ａｅｒｍｅｔ １００钢属于二次硬化型超高强度钢，该类合金广泛用于航空航天领域，但其熔炼与成形工艺复杂，现已发展出激光快速成形技术；３００Ｍ、３０ＣｒＭｎＳｉＡ和４０ＣｒＭｎＳｉＭｏＶＡ等高强钢的研究也在逐步开展。
模具一般为单件、小批量生产，其外形相对复杂，内部需随形冷却通道，特别适合用增材制造技术加工。Ｈ１３热作模具钢具有高硬度和较好的抗软化性能，激光熔覆成形件的力学性能优于同等硬度的锻造Ｈ１３钢；英国利兹联大学Ｍ．Ｂａｄｒｏｓｓａｍａｙ等用ＳＬＭ工艺顺利成形Ｍ２模具钢和３１６Ｌ不锈钢，对比分析了粉末熔化过程中的影响因素［２０］。此外，Ｐ２０、１８Ｎｉ３００和Ｉｎｖａｒ ３６等材料也已用于增材制造行业内。
４ 其他
铝合金的熔点较低，快速熔凝过程中温度梯度相对较小，成形件不易变形开裂，普遍适用于ＬＣ、ＳＬＳ和ＳＬＭ等工艺。黄卫东教授团队使用ＡｌＳｉ１２合金粉末激光成形修复ＺＬ１０４合金和７０５０铝合金，修复部位的力学性能甚至超过基体合金；Ｌｏｒｅ Ｔｈｉｊｓ等采用ＳＬＭ工艺进行ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金粉末成形研究，获得较好组织结构的铝合金部件［２１］；另有ＡｌＳｉ７Ｍｇ、ＡｌＳｉ９Ｃｕ３、ＡｌＭｇ４．５Ｍｎ４和６０６１等铝合金材料也已被研究和应用。
硬质合金是以难熔金属碳化物为基，钴或镍等作粘结金
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１
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４
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金属材料在增材制造技术中的研究进展／胡 捷等
属，用粉末冶金方法制得的合金材料。硬质合金一般很难用传统加工手段获得。现今，用激光熔覆技术已成形多种硬质合金，如ＷＣ／Ｃｏ、ＴｉＣ／Ｃｏ、（ＷＣ－ＳｉＣ）／Ｃｏ、（ＷＣ－ＴｉＮ－ＳｉＣ）／Ｃｏ等。
钴铬合金是钴基合金中的一种，具有优良的耐腐蚀和力学性能。根据添加合金元素的不同又分为ＣｏＣｒＷ和ＣｏＣｒＭｏ合金两大类，广泛用于工业领域和医学领域。市场上个性化定制的烤瓷牙都是用该合金材料激光成形制得，已逐步占据市场主导地位。
除上述合金材料外，增材制造技术还涉及了Ｃｕ－Ｓｎ、Ｗ－Ｎｉ、Ｎｉ－Ａｌ和Ｎｂ－Ｔｉ－Ｓｉ等金属间化合物材料和一些梯度材料的成形研究。
５ 结语
金属材料支撑着整个制造业，开发金属材料的增材制造技术是当今世界的一大重要课题。虽然已有很多研究人员在此方面做了工作，但无论从数量上还是质量上都还远远不够，产业化的则更是少之又少。
从科研角度来说，单单研究试样材料的性能就要涉及粉末冶金、成形过程和热处理３个工序。金属材料本身的价值不菲，研究的成本着实很高，周期又十分长，要想完成体系的研究工作仅靠科研院所内的课题组在几年内完成是不可能的。再加上外观形状设计的问题，金属材料的增材制造技术研究工作可谓是一项浩大的“工程”。
在推广至产业化的道路上，已有例如ＴＣ４等材料成为先驱者，但应用限制还是很明显。现如今，使用金属材料增材制造技术最多的两个行业是航空航天领域和医疗领域。前者是国家牵头的军工单位为主，资本雄厚，无后顾之忧；后者则是有名的暴利行业。说到底，这项技术发展至今还是不够接地气。在仅有的几种材料中，粉末研发和工艺控制这两大关键技术也没有发展到最成熟。
今后的发展应该更注重“政用产学研”五位一体化，以市场为导向，先形成一系列金属材料的增材制造工艺方法及标准。在此基础上，逐步解决关键问题，降低成本，使金属材料增材制造技术如同车床技术一般运用到各行各业中，成为一项“亲民”的技术。
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２０Ｂａｄｒｏｓｓａｍａｙ Ｍ，Ｃｈｉｌｄｓ Ｔ Ｈ Ｃ．Ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ ｏｆ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ａｎｄ ｔｏｏｌ ｓｔｅｅｌ ｐｏｗｄｅｒｓ［Ｊ］．Ｉｎｔ ＪＭａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌｓ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２００７，４７：７７９
２１Ｌｏｒｅ Ｔｈｉｊｓ，Ｋａｒｏｌｉｅｎ Ｋｅｍｐｅｎ，Ｋｒｕｔｈ Ｊ Ｐ．Ｆｉｎｅ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｔｅｘｔｕｒｅ ｂｙ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａ－ｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ ｏｆ ｐｒｅ－ａｌｌｏｙｅｄ ＡｌＳｉ１０Ｍｇ ｐｏｗｄｅｒ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｍａ－ｔｅｒ，２０１３，６１：１８０９
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金属材料激光增材制造技术
金属材料激光增材制造技术 孙峰、李广生 金属材料增材制造技术是通过对CAD模型进行离散处理，以金属粉末、颗粒、金属丝材等为原材料，采用高功率激光束熔化/快速凝固逐层堆积生长，直接从零件数模完成高性能零件的近终成形制造。 金属材料增材制造技术，可分为以送粉为技术特征的激光沉积制造（Laser Deposition Melting，LDM）技术和以粉床铺粉为技术特征的选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术。 LDM技术是快速成形技术和激光熔覆技术的有机结合，是以金属粉末为原材料，以高能束的激光作为热源，根据成形零件CAD模型分层切片信息规划的扫描路径，将送给的金属粉末进行逐层熔化、快速凝固、逐层沉积，从而实现整个金属零件的直接制造。 LDM系统主要包括：激光器及光路系统、水冷机及冷却系统、数控机床系统、送粉器及送粉系统、惰性气体保护系统、激光熔化沉积腔及工艺监控系统等。 图1LDM激光沉积制造技术 LDM技术集成了快速成形技术和激光熔覆技术的特点，具有以下优点： （1）无需大型设备与模具，零件近净成形，材料利用率高；工艺流程、制造周期短，制造成本低； （2）零件无宏观偏析，组织细小、致密，力学性能达到锻件水平； （3）成形尺寸不受限制，可实现大尺寸零件的制造； （4）激光束能量密度高，可实现难熔、难加工材料的近净成形； （5）可对失效和受损零件实现快速修复，并可实现定向组织的修复与制造。 主要缺点： （1）制造成本较高；
（2）制造效率较低； （3）制造精度较差，悬臂结构需要添加相应的支撑结构。 SLM技术是以快速原型制造技术为基本原理发展起来的先进激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，实现三维实体金属零件制造。 SLM系统主要由激光器及光路系统、气体净化系统、铺粉系统、控制系统4部分组成。 图2SLM激光选区熔化制造技术 SLM技术具有以下优点： （1）原材料范围广，包括不锈钢、高温合金、钛合金、钴-铬合金及难熔金属等； （2）成形零件精度高，表面稍经打磨、喷砂等简单后处理即可达到使用精度要求； （3）复杂零件制造工艺简单，周期短，材料利用率高； （4）成形零件的力学性能良好，一般力学性能优于铸件，与锻件相当； （5）适合多孔零件的制造，实现零件的轻量化的需求。 主要缺点： （1）层厚和光斑直径很小，导致成形效率很低；
增材制造(3D打印)国内外发展状况
增材制造（3D打印）技术国内外发展状况 --西安交通大学先进制造技术研究所 2013-07-09 一、概述 增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除（切削加工）技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。自上世纪80年代末增材制造技术逐步发展，期间也被称为“材料累加制造”（Material Increse Manufacturing）、“快速原型”（Rapid Prototyping）、“分层制造”（Layered Manufacturing）、“实体自由制造”（Solid Free-form Fabrication）、“3D打印技术”（3D Printing）等。名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。 美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会对增材制造和3D打印有明确的概念定义。增材制造是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程，相对于减法制造它通常是逐层累加过程。3D打印是指采用打印头、喷嘴或其它打印技术沉积材料来制造物体的技术，3D打印也常用来表示“增材制造”技术，在特指设备时，3D打印是指相对价格或总体功能低端的增材制造设备。 增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品，其制造的速度作用越显著。近二十年来，增材制造技术取得了快速的发展。增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多增材制造设备。目前已有的设备种类达到20多种。这一技术一出现就取得了快速的发展，在各个领域都取得了广泛的应用，如在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等。增材制造的特点是单件或小批量的快速制造，这一技术特点决定了增材制造在产品创新中具有显著的作用。 美国《时代》周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”，认为该技术改变未来生产与生活模式，实现社会化制造，每个人都可以成为一个工厂，它将改变制造商品的方式，并改变世界的经济格局，进而改变人类的生活
金属材料在增材制造技术中的研究进展_胡捷
金属材料在增材制造技术中的研究进展 胡 捷，廖文俊，丁柳柳，胡 阳 （上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海２００ ０７０）摘要 对金属材料在增材制造技术研究中的发展史进行了概述，并分类描述了不同的成形机制。重点详细介绍了增材制造技术领域内各类金属材料的研究进展，种类涵盖到钛合金、镍合金、钢、铝合金和硬质合金等材料。最后提出行业应该更注重“政用产学研”五位一体化，以市场为导向，逐渐形成一系列金属材料的增材制造工艺方法及标准。 关键词 增材制造 钛合金 镍合金 钢中图分类号：ＴＧ１４ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ＨＵ Ｊｉｅ，ＬＩＡＯ Ｗｅｎｊｕｎ，ＤＩＮＧ Ｌｉｕｌｉｕ，ＨＵ Ｙａｎｇ （Ｃｅｎｔｒａｌ Ａｃａｄｅｍｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７０）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｈｉｓｔｏｒｙ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ，ｎｉｃｋｅｌ ａｌｌｏｙ，ｓｔｅｅｌ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ，ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ，ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｓｔａｎｄａｒｄ ｉｓ ｉｎｄｉｓｐｅｎｓａｂｌｅ ｉｎ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ，ｎｉｃｋｅｌ ａｌｌｏｙ，ｓｔｅｅｌ 胡捷：男，１９８８年生，硕士，工程师，研究方向为金属材料的制备和加工 Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｊｉｅ３＠ｓｈａｎｇ ｈａｉ－ｅｌｅｃｔｒｉｃ．ｃｏｍ０ 引言 增材制造技术， 顾名思义，是指运用离散－堆积的方法将材料一点一点地增加起来的加工技术，主要工艺流程如图１所示 。 图１ 增材制造的工艺流程 Ｆｉｇ．１ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ早期的增材制造技术主要为原型制造， 用于快速响应产品的外观设计，所用材料包括树脂和塑料。随着市场需求的不断提高，增材制造技术不能仅仅满足于外观要求，还必须 逐渐向制造功能件方向转变，由此关于金属材料的研究便不曾间断。 在２０世纪９０年代中期，美国联合技术研究中心（ＵＴＣ）与桑地亚国家实验室（Ｓａｎｄｉａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ）合作开发了激光工程化近成形制造技术（Ｌａｓｅｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｎｅｔ ｓｈａ－ｐｉｎｇ ，ＬＥＮＳ），该技术使用了Ｎｄ∶ＹＡＧ固体激光器和同步粉末输送系统，用于金属零件的近形制造和局部修复。与此同时，瑞典的Ａｒｃａｍ公司基于电子束熔炼快速制造技术（Ｅ－ｌｅｃｔｒｉｃ ｂｅａｍ ｍｅｌｔｉｎｇ ，ＥＢＭ）发展出金属材料“自由成形技术”（Ｆｒｅｅ ｆｏｒｍ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ＦＦＦ），可直接由金属粉末生成完全致密零件；国内西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东教授突破了快速原型制造的界限，发展出激光立体成形技术（Ｌａｓｅｒ ｓｏｌｉｄ ｆｏｒｍｉｎｇ，ＬＳＦ），获得了形状较为复杂的金属零部件。随后，美国Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ国家实验室开发了直接光学制造（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｌｉｇ ｈｔ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ＤＬＦ）的金属零件快速成型；美国Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ和Ｃａｒｎｅｇｉｅ Ｍｅｌｌｏｎ Ｕｎｉ－ｖｅｒｉｓｉｔｙ合作开发了形状沉积制造技术（Ｓｈａｐ ｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＳＤＭ）；美国密西根大学研究开发了直接金属沉积技术（Ｄｉｒｅｃｔ ｍｅｔａｌ ｄｅｐ ｏｓｉｔｏｎ，ＤＭＤ）；德国弗朗和夫研究所（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ）开发了控制金属堆积技术（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｍｅｔａｌ ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ，ＣＭＤ）；英国Ｂｉｒｍｉｎｇ ｈａｍ大学的吴鑫华教授提出了受控激光制造技术（Ｄｉｒｅｃｔ ｌａｓｅｒ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）等［１－４］ 。如今，在国内以金属激光熔覆（Ｌａｓｅｒ ｃｌａｄｄｉｎｇ，ＬＣ）、金属材料选区激光熔化（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ ，ＳＬＭ）或烧结（Ｓｅ－ｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ，ＳＬＳ）技术占据市场主导地位，ＳＬＳ技· ９５４·金属材料在增材制造技术中的研究进展／胡 捷等
激光增材制造技术及研究现状
在上个世纪，增材制造( Ad di ti ve M a nu fa ct ur in g，A M) 的 概念得到了显著的发展。依据美国试验材料学会(A me ric a n S o ci et y f or Te sti n g a nd Ma te ri als，A ST M) 的定义: 增材制造技术不同于传统的减法加工过程，是基于材料的增量制造，利用3D数据模型，将材料一层一层连接起来制造物体的过程。由于增材制造技术具有设计和制造一体化、加工精度高、制造周期短，产品物理化学性能优异等特点，美国《时代周刊》将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。 金属材料增材制造技术作为整个增材制造体系中最具前沿和难 度的技术，是先进制造技术的重要发展方向。对于金属材料增材制造技术，按照热源类型的不同主要可分为激光增材制造、电子束增材制造、电弧增材制造等。其中激光增材制造(L ase r A d di ti ve M an uf act u ri ng，LA M) 技术是一种兼顾精确成形和高性能成形需求的一体化制造技术，也是目前金属增材制造最可靠和可行的方法。国内外增材制造的研究也主要集中在激光增材制造技术，本文在总结增材制造的发展历史基础上，重点介绍了激光增材制造的原理、激光选区熔化成形技术和直接沉积技术的发展现状，为激光增材制造在国内各个领域的应用提供支持。一、增材制造的发展历史 1983 年，美国科学家查尔斯·胡尔(Ch ar le s Hu ll) 发明光固化成形技术( st ere o l it ho gr ah y App e ar an ce，SL A) 并制造出全球首个增材制造部件。1986 年，查尔斯·胡尔获得了全球第一项增材制造专利，同年成立3D S ys t em s公司。1987 年，3D S y st em s 发布第一台商业化增材制造设备-快速成型机立体光刻机SL A-1，全球进入增材制造时代。1986年，美国的M i ch ae l F e yg in，首次提出了分层实体制造( L a mi na te d Ob je ct M a nu fa ct ur in g，LO M) 技术。1988年，美国S tr at asy s 公司首次提出熔融沉积成型技术( F us ed D epo s it io n M od el in g，F DM) 。1989 年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的De ck ar d 提出激光 选区烧结( Se le ct i ve L as er S in te r i ng，SL S) 。1995年， 德国Fr au-ho fe r 应用研究促进协会IL T 激光技术研究所的 D r.W il-he lm M ein e rs 等在金属粉末选择性烧结基础上提出激光选区熔化成形技术( S el ec ti ve L as e r M el ti ng，S LM) 。1998 年，美国Sa nd ia 国立实验室将选择性激光烧结工艺SL S 和激光溶覆工艺( La ser Cl ad di ng) 相结合提出激光工程化净成型(L a s e r E n g i n e e r e d N e t S h a p i n g，L E N S)。1990年至现在，增材制造技术实现了金属材料的成型，进入了直接增材制造阶段，相距出现了电子束选区熔化(E BSM)、电子束自由成形制造技术( El ec tr on B eam Fr ee- fo rm Fa br i ca ti on，EB F)、等离子增材制造技术(I on Fu s io n Fo r ma ti on，I F F) 电弧增材制造( Wi r e A r c A dd it iv e Ma nuf a ct ur e，WA AM)等一系列制造工艺。2013年，美国麻省理工大学研发了四维打印技术( Fo ur D i- m ens i on al
金属零件激光增材制造技术及其应用
内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 传统零件制备工艺主要是减材制造。从一块原材料开始，通过切割、钻、铣削等机械工艺方式去除部分材料，从而获得一个三维物体形态，这个过程中材料的利用率较低。而增材制造通过极小单位的原材料的叠加产生三维物体形态，虽然后期也可能通过再加工产生废料，但总体来说对材料的浪费是很少的。这在原型制作以及小批量生产上明显优于传统减材技术。 激光增材制造技术是一种基于离散/ 堆积成形思想的新型制造技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等新技术而发展起来的先进产品研究与开发技术。其基本过程是将三维模型沿一定方向离散成一系列有序的二维层片；根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码；成形机制造一系列层片并自动通过激光熔敷、烧结、沉积等将它们联接起来，得到三维物理实体。这样将一个物理实体的复杂三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关。该技术的主要特点有：高柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；成形过程无需专用夹具或工具；无需人员干预或只需较少干预，是一种自动化的成形过程；成形全过程的快速响应，适合现代激烈的产品市场。 尤其是金属零件，其主要采用激光增材制造技术，以高功率或高亮度激光为热源，逐层熔化金属粉末，直接制造出任意复杂形状的零件。其主要方法有： 1、激光直接沉积增材制造技 该技术可追溯到20 世纪70 年代末期的激光多层熔覆研究，但直到20世纪90年代，国内外众多研究机构才开始对同轴送粉激光快速成形技术的原理、成形工艺、熔凝组织、零件的几何形状和力学性能等基础性问题开展大量的研究工作。
金属增材制造技术 徐昀华
科技论文检索及写作 —金属增材制造技术 学院：材料科学与工程学院 专业班级：焊接1301班 姓名：徐昀华 学号： 130200308 任课教师：张春华 完成日期： 2016.12.29
摘要：金属增材制造技术作为3I)打印技术的一个重要分支，在20余年的发展中取得了显著的进展。 文中简要:回顾了金属增材制造技术的历史溯源，重点从制件组织结构、制件性能、制件微观缺陷、成形工艺等方面分析了针对钦合金、镍基高温合金等常用材料的增材制造技术研究新进展，探讨了增材制造技术发展所面临的技术问题以及需要重点考虑的发展方向。 关键词:金属材料;增材制造;激光快速成形;性能 Metal Additive Manufacturing Technique (Research institute of Additive Manufacturing(3D Printing)，College of Mechanical and Electrical Engineering,Nanjing University of Aeronautics g- Astronautics，Nanjing, 210016，China) Abstract:The metal additive manufacturing technique，as an important branch of 3D printing technique，has made remarkable progress based on the rapid development of materials technique，equipment technique，computer technique，and so on. The evolution history of metal additive manufacturing technology reviewed briefly. The microstructure，the mechanical performance，the micro-defect，and the technological process of product are introduced to discuss the studies on additive manufacturing technique of titanium alloy，nickel-base super，and so on. Some suggestions of technical problems in the development of additive manufacturing technique are put forward. Finally，the main development direction is pointed out. 作为一种全新概念的制造技术，增材制造技术自20世纪90年代出现以来，经过20余年的发展，己经成为当前先进制造技术领域技术创新蓬勃发展的源泉，以“3D打印技术”为全新概念的增材制造技术己经成为当前包括美国在内的世界主要制造大国实施技术创新、提振本国制造业的重要着力点川。中国政府积极推进3D打印技术在制造业的技术创新进程。在工业和信息化部的支持下，2012年成立“中国3D打印技术产业联盟”。2013年，中国3D打印技术产业联盟成功举办首届世界3D打印技术产业大会，并与亚洲制造业协会、英国增材制造联盟、比利时Material公司、德国E()S公司、美国3 D System公司等组织共同发起成立世界3D打印技术产业联盟的号召，高度凸显了中国3D打印技术在全球3D 打印技术创新领域的重要引领作用。作为金属增材制造技术基础研究的支持机构，国家自然科学基金委员会机械工程学科在“十三五”学科发展战略规划设想中明确将增材制造技术作为跨学科学部交叉优先领域进行布局，以进一步提升中国增
复合增材制造技术研究进展
复合增材制造技术研究进展 杨智帆1袁张永康1袁2 渊1.广东工业大学机电工程学院袁广东广州510006曰2.广东镭奔激光科技有限公司袁广东佛山528225冤 摘要院在阐述了复合增材制造技术的含义及关键技术特征的基础上袁对基于机加工的复合增材制造尧基于激光辅助的复合增材制造尧基于喷丸的复合增材制造尧基于轧制的复合增材制造四种复合增材制造技术的特点与优势进行了总结袁并介绍了一种全新的激光锻造复合增材制造技术袁其可与多种增材制造复合并能有效细化晶粒尧消除缺陷和重构应力分布袁最后指出了复合增材制造技术在耦合机理尧参数优化及装备研制方面的发展趋势遥 关键词院复合增材制造曰耦合工艺曰激光锻造中图分类号院TG669文献标志码院A 文章编号院1009原279X渊2019冤02原0001-07 Research and Development of Hybrid Additive Manufacturing Technology YANG Zhifan 1袁ZHANG Yongkang 1袁2 渊1.School of Electro-mechanical Engineering袁Guangdong University of Technology袁 Guangzhou 510006袁China曰 2.Guangdong Leiben Laser Technology Co.,Ltd.袁Foshan 528225袁China 冤 Abstract 院Based on expounding the technical meaning and key features of hybrid additive manufacturing (hybrid -AM)袁the features and advantages of hybrid -AM by machining袁by laser processing袁by shot-peering and by rolling are summarized and analyzed.Then袁a new technology named hybrid -AM by laser forging is introduced袁which can be coupled with other AM processes and effectively refine grains袁eliminate defects and reconstruct stress distribution.Finally袁the development trend of hybrid-AM technology in coupling mechanism袁optimization of multi-processes parameters and equipment manufacturing is discussed. Key words 院hybrid additive manufacturing曰coupled processes曰laser forging 收稿日期院2018-12-10 基金项目院国家重点研发计划渊2017YFB1103600冤曰国家自然科学 基金资助项目渊51775117冤 第一作者简介院杨智帆袁男袁1993年生袁硕士研究生遥 与传统去除成形方法相比袁增材制造是一种基于材料增量制造理念的技术[1]袁是一种利用CAD 模型以材料连接方式完成物体制作的过程[2]袁与减材制造相比袁增材制造通常是逐层累加进行的遥增材制造具备柔性尧快速和绿色制造等技术优势袁在航空航天尧国防工业和生物医疗方面具有重要应用前景[3-4]遥 然而袁增材制造技术存在零件成形精度低尧力学性能不足等问题[5]遥针对上述技术瓶颈袁现已出现 了若干种既保持增材制造技术优点又能吸收传统技术优势的复合增材制造新技术袁为解决瓶颈难题 提供了新路径遥 本文重点介绍复合增材制造技术的研究进展袁并根据辅助工艺的不同将复合增材制造技术分成五种不同类别袁分别进行了总结与分析袁并对复合增材制造技术的发展方向进行了展望遥 1复合增材制造技术含义 野复合冶一词广泛应用于制造领域袁国际生产工程科学院渊CIRP冤将野复合制造冶定义为野一种基于若干种工艺/工具/能量源同步工作尧相互作用可控且对工艺/零件性能有显著影响的技术冶[6]遥一般地袁复合增材制造以增材制造为主体工艺袁在零件制造过程中采用一种或多种辅助工艺与增材制造工艺耦合协同工作袁使工艺尧零件性能得以改进遥复合增材制造虽涉及多种工艺尧能量源袁但并不能严格达到 综述专稿 叶电加工与模具曳2019年第2期 1要要
增材制造试题答案
1.增材制造技术的优点 （1）自由成型制造； （2）制造过程快速； （3）添加式和数字化驱动成型方式； （4）突出的经济效益； （5）广泛的应用领域。 2.增材制造技术国内外发展现状 国外发展现状 1 欧美发达国家纷纷制定了发展和推动增材制造技术的国家战略和规划，增材制造 技术已受到政府、研究机构、企业和媒体的广泛关注。 2 德国建立了直接制造研究中心，法国增材制造的专项协会致力于增材制造技术标 准的研究。西班牙启动了一项发展增材制造技术的专项，研究内容包括增材制造共性技术、材料、技术交流及商业模式等四方面内容。 澳大利亚、日本等国已经开始将其运用到航空领域，制造精密零件。 对于公司而言：以快速成型技术为主的增材制造设备已发展20多年，大量的增材制造装备的知名企业快速发展，其中以3D Systems 公司为代表，发展的SLA、SLS及3DP装备都备受关注。 美国Stratasys公司率先推出FDM装备，推广Dssignjet 3D 和Dssignjet Color 3D 两款产品。 除了以上具有代表性的外，还有LENS装备生产商、SLM装备生产商英国MIT公司等等。 国内： 我国增材制造技术研究已经经历20多年，以华科、西安交大、清华等大学为代表的科研院所开展了多项技术研究，其中涉及航空、汽车、生物、电子等各个行业。 西安交大：从1993年开始发展SLA技术研究，到现在已经有了成套的技术设备 华科：开展LOM技术，以及SLS\SLM技术，并且已经开发出相应的成套设备，且已经投入到市场使用。 清华大学跟西北工大已经研究多系列低成本FDM装备，并投入使用。并已经广泛使用到了航空领域，制造精密的成型技术。经过多年研究，我国增材制造技术得到飞快发展，精度等到极大提高。 3.增材制造技术的发展趋势。 （1）从快速原型与翻模制造向零部件直接制造转变 （2）学科交叉融合，应用领域不断扩大 （3）装备向零部件直接制造和专业化方向发展 （4）增材制造装备从高端型走向普及型 （5）成型材料开发及其系列化、标准化 4.增材制造技术面临的挑战 （1）进度控制技术； （2）高效制造技术； （3）复合材料零件增材制造技术。 5.增材制造技术面临的伦理安全问题。 （1）增材制造技术制造枪支。通过互联网下载枪支设计数据，借助增材成型工艺制造出来； （2）增材成型技术克隆人体器官。
增材制造技术概述
3.1 增材制造技术概述 增材制造技术诞生于20世纪80年代后期的美国。一开始，增材制造技术的诞生源于模型快速制作的需求，所以经常被称为“快速成型”技术。历经三十年日新月异的技术发展，增材制造已从概念（沟通）模型快速成型发展到了覆盖产品设计、研发和制造的全部环节的一种先进制造技术，已远非当初的快速成型技术可比。 3.1.1概述 1.概念 增材制造（即Additive Manufacturing，简称AM）：一种与传统的材料“去除型”加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。 增材制造的概念有“广义”和“狭义”之说，如图3-1所示。 “广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。而“狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系。 目前，出现了许多令人眼花缭乱的多种称谓：快速成型（Rapid Proto-typing）、直接数字制造（Direct Digital Manufacturing）、增材制造（AdditiveFabrication）、“三维打印(3D—Printing )”、“实体自由制造(Solid Free-form Fabrication) ”、增层制造（Additive Layer Manufacturing）等。2009年美国ASTM专门成立了F42委员会，将各种RP统称为“增量制造“技术，在国际上取得了广泛认可与采纳。 2.原理与分类 实际上在我们的日常生产、生活中类似“增材”的例子很多，例如：机械加工的堆焊、建筑物（楼房、桥梁、水利大坝等）施工中的混凝土浇筑、元宵制法滚汤圆、生日蛋糕与巧克力造型等。 图3-1 增材制造概念 基本原理：首先将三维CAD模型模拟切成一系列二维的薄片状平面层。然后利用相关设
增材制造(3D打印)国内外发展状况
增材制造（3D打印）技术国外发展状况 --交通大学先进制造技术研究所2013-07-09 一、概述 增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除（切削加工）技术，是一种“自下而上”材料累加的制造法。自上世纪80年代末增材制造技术逐步发展，期间也被称为“材料累加制造”（Material Increse Manufacturing）、“快速原型”（Rapid Prototyping）、“分层制造”（Layered Manufacturing）、“实体自由制造”（Solid Free-form Fabrication）、“3D打印技术”（3D Printing）等。名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。 美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会对增材制造和3D打印有明确的概念定义。增材制造是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程，相对于减法制造它通常是逐层累加过程。3D打印是指采用打印头、喷嘴或其它打印技术沉积材料来制造物体的技术，3D打印也常用来表示“增材制造”技术，在特指设备时，3D打印是指相对价格或总体功能低端的增材制造设备。 增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决多过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工期。而且越是复杂结构的产品，其制造的速度作用越显著。近二十年来，增材制造技术取得了快速的发展。增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了多增材制造设备。目前已有的设备种类达到20多种。这一技术一出现就取得了快速的发展，在各个领域都取得了广泛的应用，如在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等。增材制造的特点是单件或小批量的快速制造，这一技术特点决定了增材制造在产品创新中具有显著的作用。 美国《时代》刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”，认为该技术改变未来生产与生活模式，实现社会化制造，每个人都可以成为一个工厂，它将改变制造商品的式，并改变世界的经济格局，进而改变人类的生活式。
国内电弧增材制造技术的研究现状与展望
国内电弧增材制造技术的研究现状与展望 摘要：本文简述了电弧（电熔）增材制造技术特点、优势和发展历史，详细分 析了国内在电弧增材制造工艺、质量控制、电弧增材制造材料性能三方面的研究 情况，并基于目前的研究现状，提出了电弧增材制造技术在制造工艺、质量控制 和材料性能三方面研究的建议。 关键词：电弧增材制造，研究现状，展望 1引言 增材制造，是一种新型的金属“降维”制造工艺，通过对三维数字模型进行分 层切片处理，再按照预先规划好的路径将材料逐层累加的制造方式，是一种自下 而上，化零为整的制造方法，在复杂结构零部件制造方面有很大优势。电弧增材 制造(Arc welding additive manufacturing，简称WAAM)技术，也称为电熔增材制造 技术（Electrical additive manufacturing，简称EAM ）是采用电弧为热源的增材制 造技术，通过熔化金属丝材或粉末，逐层堆积出金属零部件的制造方法，具有丝 材利用率高、生产效率高，成本底，零件的尺寸不受成形缸或真空室的限制，易 于修复零件等优点。和传统的铸造、锻造技术相比，制造过程无需模具，整体制 造流程短，制造周期短，柔性化程度高，易于实现数字化、智能化，对设计的响 应快，可实现零部件的拓扑优化设计，在小批量、复杂构件的个性化定制方面具 有很大技术和成本优势。 20世纪70年代，德国学者提出了电弧增材制造的概念，并采用该技术制造 了一金属容器。20世纪80年代，美国使用等离子弧焊、熔化极气体保护焊技术 制造出了镍基合金金属构件，20世纪90年代，随着增材制造技术的发展，电弧 增材制造技术也得到了空前的发展，在装备、工艺及材料性能研究方面均取得了 很大突破。 2电弧增材制造技术研究现状 目前国内外用于WAAM制造的电弧种类主要为熔化极气体保护焊（GMAW），钨极惰性气体保护焊（GTAW）、等离子弧焊（PAW）等，尤其是配以冷金属过 度的熔化极气体保护焊，因其热输入小，电弧稳定性好等特点，得到了广泛发展 和应用。今年来，国内各大高校针对电弧增材制造的研究也在不断深入，主要集 中在成形控制、过程监控和成形件性能研究等方面。 2.1工艺与成形研究 电弧增材制造在制造过程中液态熔池较大，电弧的可控性难，故成形控制是 电弧增材制造的发展的主要瓶颈之一。电弧增材制造的在成形设备方面，主要有 两种方式，一种是焊接设备与多功能数控机床复合，另一种是焊接设备与多轴机 械手复合，实现柔性制造。成形控制方面的研究主要集中在工艺优化、过程监控 以及实时反馈等方面，在工艺优化环节主要是通过实验，针对不同的增材方法， 研究合适的工艺参数，例如打印速度，丝径，送丝速度，电流，电压等。沈泳华[[[]沈泳华.电弧增材制造成形系统设计和成形规律研究[D].南京：南京航空航天大学，2017]]研究了以KUKA焊接机器人和Fronius数字化焊机为主要设备的GMAW 冷金属过渡电弧增材制造系统和成形规律，采用“反切削法”实现了电弧增材制造 成形路径规划系统，并研究了不同工艺条件下的表面成形质量。熊俊[[[] 熊俊.多 层单道GMA增材制造成形特性及熔敷尺寸控制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014]]研究了单道熔化极气体保护增材制造的工艺特性和成形质量，表明熔敷电 流是决定成形形貌的决定因素，良好的成形电流区间为100~180A。柳建等人[[[]
增材制造技术较传统工艺的优势与关键技术
增材制造技术较传统工艺的优势与关键技术 一、增材制造技术的简介 增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术就是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除一切削加工技术,就是一种“自下而上”的制造方法。这一技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件,从而实现“自由制造”,解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形,并大大减少了加工工序,缩短了加工周期。而且越就是复杂结构的产品,其制造的速度作用越显著。 增材制造原理与不同的材料与工艺结合形成了许多增材制造设备,目前已有的设备种类达到20多种。该技术一出现就取得了快速发展,在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等多个领域都得到了广泛的应用。其特点就是单件或小批量的快速制造,这一技术特点决定了快速成形在产品创新中具有显著的作用。 二、增材制造技术的优势 2、1设计上的自由度——在机加工、铸造或模塑生产当中,复杂设计的代价高昂,其每项细节都必须通过使用额外的刀具或其它步骤进行制造。相比而言,在增材制造当中,部件的复杂度极少需要或根本无需额外考虑。增材制造可以构建出其它制造工艺所不能实现或无法想像的形状,可以从纯粹考虑功能性的方面来设计部件,而无需考虑与制造相关的限制。 2、2小批量生产的经济性——增材制造过程无需生产或装配硬模具,且装夹过程用时较短,因此它不存在那些需要通过大批量生产才能抵消的典型的生产成本。增材工艺允许采用非常低的生产批量,包括单件生产,就能达到经济合理的打印生产目的。 2、3高材料效率——增材制造部件,特别就是金属部件,仍然需要进行机加工。增材制造工序经常不能达到关键性部件所要求的最终细节、尺寸与表面光洁度的
脉冲TIG增材制造技术研究进展
第46卷2018年12月 第12期 第10-17页 材料工程 Journal of Materials Engineering Vol.46 Dec.2018 No.12 pp.10-17 脉冲ＴＩＧ增材制造技术研究进展 Progress in Additive M anufacturing Technique Based on Pulsed T IG 郭龙龙，贺雨田，鞠录岩，吴泽兵，张勇，吕澜涛，王文娟 （西安石油大学机械工程学院，西安710065） GUO Long-long，HE Yu-tian，JU Lu-y an，WU Ze-bing， ZHANG Yong，LYU Lan-tao，WANG Wen-j uan （Mechanical Engineering College，Xi’an Shiyou University，Xi’an710065，China） 摘要：脉冲TIG（p ulsed tungsten inert gas，PTIG）增材制造技术属于电弧增材制造技术的分支，其最显著的优势是成本低、沉积率和材料利用率高，适用于大尺寸结构件的制造。本工作从实验研究和数值模拟的角度，着重介绍了PTIG增材制造成形件成形质量控制、微观组织及性能控制方面的研究成果，总结了当前研究存在的不足。基于对成形件成形质量、微观组织及性能的准确预测和主动控制，提出了PTIG增材制造技术有待深入的研究方向，即：工艺因素对成形质量的影响机理研究、缺陷形成机制及其抑制措施研究、熔池微观组织演变数值模拟研究、成形件内应力和变形的调控机制研究、微观组织与力学性能关系模型的建立。 关键词：脉冲TIG；增材制造；成形质量；微观组织；力学性能 ｄｏｉ：10.11868／j.issn.1001-4381.2018.000267 中图分类号：TG142文献标识码：A文章编号：1001-4381（2018）12-0010-08 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Additive manufacturing based on PTIG（p ulsed tungsten inert gas，PTIG）is a branch of arc additive manufacturing technique.Its notable advantages are low cost，high deposition rate，high ma-terial utilization ratio，and suitable for manufacturing parts of large size.In this paper，the research results on the control of formation quality，microstructure and properties of the parts deposited by PTIG additive manufacturing were emphasized in view of experimental research and numerical simula-tion.Meanw hile，the shortcomings of current investigations were also summarized.Based on accurate p rediction and accurate control on the formation quality，microstructure and properties，the research directions for further study on PTIG additive manufacturing technique in the future were put forward，including the influence mechanism of process factors on the formation quality，defects forming mecha-nism and the suppression measures，numerical simulation on microstructure evolution in molten pool，formation and regulation mechanisms on internal stress and deformation，and the establishment on q uantitative relationship model between the microstructure and mechanical properties. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：p ulsed TIG；additive manufacturing；formation quality；microstructure；mechanical property 增材制造技术基于“离散-堆积”原理，以粉末或丝材为填充材料，利用数字化技术控制高能束将填充材料熔化，依据三维CAD模型数据制造实体产品［1-3］。与传统的“减材制造”技术相比，增材制造技术能够实现高性能，复杂结构金属件的快速、无模具、致密、近净成形，而且材料利用率高［2］。因此自20世纪80年代以来，增材制造技术始终是国际材料加工工程与先进制造技术学科交叉领域的研究热点，我国政府和相关部门也对增材制造技术高度重视，在“中国制造2025”中将其列为未来大力扶持与重点发展的技术［4-5］。 脉冲TIG（p ulsed tungsten inert gas，PTIG）增材制造属于电弧增材制造技术的重要分支，其以周期性变化的电弧为热源，以氩气等惰性气体作保护，填充焊丝以熔滴的方式逐滴、逐层沉积，从而获得近净成形的制造件［6-7］。与激光增材制造、电子束增材制造等技术相比，PTIG增材制造技术最显著的优势是成本低、沉积率和材料利用率高，适用于大尺寸、复杂结构件的制造［8-9］。因此，PTIG增材制造技术在航空航天、飞机、 万方数据
增材制造技术在船舶制造领域的讨论
增材制造技术在船舶制造领域的讨论 发表时间：2018-05-15T09:58:17.437Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第3期作者：董真理1 张洪鸣2 [导读] 我国是一个造船大国，但并不是造船强国，目前的船舶制造业是一个劳动密集型产业，较适合我国人口红利时期的发展。 摘要：增材制造俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。本文就从船舶制造领域中的增材制造技术展开分析。 关键词：增材制造技术；船舶制造领域；应用 1、增材制造技术的发展 增材制造技术如果从1986年美国科学家开发的第一台商业3D印刷机开始算起的话，到2016年为止整整30年了，在此期间，市场上首个高清晰彩色3D打印机于2005年问世，到2014年，世界上已有3D打印建筑投入使用、3D打印汽车横穿美国、3D打印火箭发动机通过测试……，增材制造技术（3D打印）的发展速度令人惊叹。在政策方面，许多国家将增材制造技术列为国家战略技术发展的重要方向，例如美国早在2012年就将增材制造技术列为国家制造业的首要战略任务，我国也在2015年8月由李克强总理组织召开国务院座谈会，专门讨论3D打印技术的发展与振兴中国制造业的关系，将发展增材制造技术推向了前所未有的高度。科学家们相信，在许许多多科研机构的努力下和相关政策的支持下，增材制造技术将会有广阔的发展空间。 2、增材制造技术在船舶制造业的应用现状 增材制造是一门新兴的科学技术，虽然近几年来在众多领域取得了突破性进展，但是在各个行业还未见商业化广泛推广，离走进寻常百姓家还有很长的路要走，在船舶领域也不例外，近期也有学者撰文说增材制造技术短期内在船舶制造业中很难广泛应用。尽管如此，增材制造的技术优势和经济性还是吸引了国内外不少公司和科学家都在尝试将该技术应用到船舶领域，并也取得了初步成果。 2.1船舶备件供应领域 对于船舶来说，尤其是远洋油轮和远海航行或作战的军船，设备故障的修理是很常见的事情，为了应付一些突发情况所需的零部件，要么随船带足事先预想的各种可能需要的零件；要么想办法靠岸修理，这两种选择无论哪种都会带来较高的修理成本和风险。将3D打印技术应用到船舶备件的供应链中，不失为一种很好的解决方法。 在民船方面，马士基油轮公司率先将这一设想在实践中进行尝试，虽然到现在为止未见成功案例的报道，但是可以预见的是一旦将3D 打印技术应用成功的话，将会取得莫大的经济效益和社会效益。据马士基公司称，由于油船是被禁止进入港口主要区域的，所以传统的修船方法是首先确定油轮上所需更换的零部件，然后通知公司将零件运往船舶经过的下一个港口，最后租一艘小艇将零件送到船上，还得加上仓储、包装及清关等运营成本，更换一个零件的总费用就高达5000美元。如果采用3D打印技术，只需在船上配备一台打印机和一些打印材料，用时将零件打印出来就可以了。采用3D打印技术不但可以缩短零件的交付周期、节约成本，还可以减少因能源的消耗而产生的环保问题。 除此之外，早在2014年美国海军就提出了“打印舰艇”的概念，将增材制造及3D打印技术应用到零部件的供应链中，美国海军人士称，掌握增材制造技术将是海军的优势之一，如果能在船的航行状态下使用3D打印技术，将是一件里程碑式的事件，必将大量减少备品备件的携带量，增加武器、燃料及补给的携带量，从而显著提高海军的远洋作战能力。 2.2 3D打印船模 美国卡德洛克海军水面作战中心采用3D打印技术成功打印出美军医疗船模型，用于测试船上风力气流的情况，该中心科学家称3D打印可以提供更快、更精准及更低成本的舰船模型。如果将该技术推广应用，在相同和相似领域必将产生深远的影响。 2.3 3D打印螺旋桨 2016年初，国外两位发烧友尝试采用3D打印技术制造螺旋桨，他们同时选用了4种材料进行对比，取得了丰富的试验数据。 2.4 3D打印无人机 英国早在五年前就应用3D打印技术打印了世界上第一台无人机SULSA，经过多次改进后，于2015年进行海上试飞试验，尽管它只能飞行40min，但其低廉的成本和完成任务的表现，足以使人们产生浓厚的兴趣和继续研究的决心。2016年SULSA正式服役，为英国皇家海军破冰船的南极之旅侦查路线。美国海军研究学院启动3D打印无人机项目，该项目将现代通信技术和装备技术完美结合，为海军执行不同任务时打印出相应的无人机，2015年12月打印出一架反恐无人机，可搭载反恐所需的通信设备。与英国不同的是，美国的3D打印无人机是在船上完成的，将3D打印技术又向前推进了一大步。 2.5其他方面 增材制造除以上应用外，还在发动机铸造模具、涡轮增压部件及小艇模型等得到应用，增材制造（3D打印）技术正在船舶领域的各个方面大显身手。2016年1月7日，劳氏船级社颁布3D打印全球认证标准，旨在指导规范增材制造技术的推广应用。 3、增材制造技术在船舶领域广泛应用的技术瓶颈 目前，增材制造3D打印技术在船舶行业的应用相对于整个造船领域来说只是冰山一角，远未达到广泛应用的程度，究其原因增材制造技术还是一门新兴的科学技术，还有很多技术瓶颈未能突破，比如以下几个方面： 3.1增材制造材料的相对匮乏 传统造船业所使用的材料主要为金属材料，金属材料的发展已有几千年的历史了，在这漫长的历史长河中金属材料的种类多种多样，性能各异，制造工艺也日益成熟，可以满足船舶制造的不同需求。而增材制造所使用的材料相比之下少之又少，制造的产品也远不能满足使用要求。因此，原材料的种类性能不能有大的进展，将直接影响增材制造技术的推广使用。 3.2测试与评价技术的相对滞后 传统工业在发展过程中，形成了一整套成熟的测试、评判、失效分析、安全评价和寿命评估技术，为产品的安全使用保驾护航，从而减少生命与经济的损失。增材制造技术的发展仅有30年的历史，科学家们所关注的重点大多集中在工艺与产品的研发上，而对测试与评价技术却鲜有报道。由于增材制造技术是一门相对于传统技术完全不同的加工制造方法，所以其测试与评价技术也必将不同。在世界各国造船系统中都有严格的检测与验收标准，增材制造技术在没有形成成熟的测试与评价标准之前，是很难让人接受的。