2.金属零件激光增材制造技术的发展及应用_李怀学
高性能金属构件的激光增材制造
高性能金属构件的激光增材制造激光增材制造技术是一种利用激光将金属粉末连续熔化并层层堆积成三维构件的先进制造技术。
相比传统的加工方法，激光增材制造具有快速、灵活、高效、精密等优势，特别适用于制造高性能金属构件。
激光增材制造技术可以制造复杂形状的金属构件，不受几何限制。
通过软件的支持，可以实现各种形状的设计和制造，包括悬臂梁、复杂曲线等。
与传统的金属加工方法相比，激光增材制造无需额外的工装和模具，可以直接将设计图纸转化为最终产品，大大提高了制造的灵活性和效率。
激光增材制造还可以实现金属构件的功能性设计。
通过调整金属粉末的比例和结构，可以实现不同区域的材料性能差异，从而满足不同的工程需求。
在制造航空发动机叶片时，可以在根部增加耐热金属，而在叶片的其他部分使用轻量化的材料，以达到提高性能和降低重量的目的。
激光增材制造还可以制造金属构件的内部结构。
传统的制造方法通常是通过加工和焊接来实现构件的内部空腔和管道，而激光增材制造可以直接将设计好的内部结构制造出来，无需额外的加工工序。
这种能力使得激光增材制造在制造复杂金属构件、模具和轻量化结构等方面具有独特的优势。
激光增材制造还具有提高金属构件性能的潜力。
由于金属粉末在激光束下熔化后迅速凝固，激光增材制造可以制造具有细小晶粒和均匀显微组织的金属构件，从而提高材料的机械性能和耐腐蚀性能。
激光增材制造还可以实现多材料复合制造，将不同种类的金属粉末按照一定比例堆积在一起，形成具有特殊性能的复合材料。
尽管激光增材制造技术在金属构件的制造中具有巨大的潜力，但也面临一些挑战。
其中之一是材料选择的限制。
目前，激光增材制造主要适用于一些常见的金属材料，如钛合金、铝合金和不锈钢等。
对于一些特殊的金属材料，如镍基高温合金和复杂的合金材料，仍然需要进一步的研究和发展。
另一个挑战是制造速度和生产成本的平衡。
虽然激光增材制造可以实现高精度的制造，但由于金属粉末的层层堆积和熔化，制造速度相对较慢。
增材制造技术的应用与发展
增材制造技术的应用与发展一、引言增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）是指通过逐层堆积材料来制造产品的一种先进制造技术。
它采用计算机辅助设计和控制系统，根据三维模型数据逐层堆积材料，逐渐形成成品。
与传统的减材制造技术（Subtractive Manufacturing）相比，增材制造技术具有很多优势，如材料利用率高、制造周期短、几何形状复杂等。
本文将介绍增材制造技术的应用与发展，分别从金属增材制造、塑料增材制造和生物医疗领域进行探讨。
二、金属增材制造的应用与发展1. 概述金属增材制造技术是目前应用最为广泛的增材制造技术之一。
它可以通过激光熔化、电弧熔化等方式将金属粉末熔化，并在特定位置进行堆积，形成金属零件。
这种技术在航空航天、汽车制造、机械制造等领域具有广泛的应用前景。
2. 应用领域金属增材制造技术在航空航天领域得到了广泛应用。
例如，飞机零部件的制造可以使用增材制造技术，既可以满足零部件的高强度和高性能要求，又能够大幅降低零部件的重量。
此外，金属增材制造技术还可以用于制造航天器的推进系统和传感器等。
3. 技术发展随着材料科学和制造工艺的发展，金属增材制造技术也在不断进步。
目前已经出现了多种金属增材制造技术，如选择性激光熔化、电弧增材制造等。
这些技术在金属材料的选择、成型精度和制造效率等方面都有了显著的提升。
三、塑料增材制造的应用与发展1. 概述塑料增材制造技术是一种利用高温喷嘴或喷头将塑料线材加热至熔化，并通过控制喷嘴或喷头的运动轨迹来制造产品的技术。
这种技术在模具制造、个性化定制、家居装饰等领域有着广泛的应用。
2. 应用领域在模具制造领域，塑料增材制造技术可以快速制造模具，从而大大缩短了产品的开发周期。
此外，这种技术还可以用于制造复杂形状的家居装饰品、个性化的艺术品等。
3. 技术发展随着对材料性能要求的提高，塑料增材制造技术的发展也变得越来越重要。
目前，塑料增材制造技术已经可以使用多种高性能塑料材料，如聚酰亚胺、尼龙等。
金属增材制造技术及其应用前景
金属增材制造技术及其应用前景金属增材制造是一种新型的制造技术，它是通过三维打印和激光堆焊等技术，在金属原材料上一层一层地构建出所需要的金属构件。
相比传统的金属制造方法，金属增材制造具有较高的精度、较短的制造周期和灵活的生产方式等优点。
近年来，随着金属增材制造技术的不断发展和成熟，它已经被广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗器械等领域。
金属增材制造技术有着广泛的应用前景，可以满足汽车制造、医疗、军工、航空等各个领域的需求。
一、金属增材制造的技术方法金属增材制造技术有许多种方法，其中比较常见的有三维打印和激光堆焊技术。
1.三维打印技术三维打印技术是将金属原材料分层逐层地积累形成构件的制造方法。
首先根据需要建立数字模型，然后将该数字模型输入到三维打印机中，通过熔融、粉末、光束等不同的方式，将金属层层打印出来，直到构建出所需的形状。
三维打印技术不但可以生产出各种形状的构件，而且具有高精度、复杂度大、生产效率高等优点。
2.激光堆焊技术激光堆焊技术利用激光束瞄准工作面进行熔化，熔化过的金属材料很容易将下一层的粉末焊接在一起。
激光焊接过程中，熔化的金属材料可以很好地与下一层的金属粉末融合在一起，这样就可以形成精确的金属构件。
激光堆焊技术具有极高的焊接精度和摆放自由度，几乎可以将任何一件被设计的零件完整焊接。
二、金属增材制造技术的优势金属增材制造技术的出现很大程度上改变了传统的金属制造方式，它具有以下的优势：1.制造周期短传统金属制造，需要制造，加工，精加工等多个步骤，而且每一步都需要特定的设备和时间。
然而，在金属增材制造中，因为是逐层构建出构件，所以制造周期大大缩短。
例如，在三维打印中，利用打印机可以在数小时之内迅速制造出由数百至数千层构成的金属构件。
2.制造精度高相比传统的加工方式，金属增材制造技术具有更高的制造精度。
因为增材制造技术利用数字模型进行工作，它可以准确地控制每一层的厚度和形状，从而达到更高的制造精度。
高性能金属构件的激光增材制造
高性能金属构件的激光增材制造激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）是一种先进的金属制造技术，它利用激光能量将金属粉末逐层熔化和固化，通过逐层堆积形成复杂的金属构件。
激光增材制造具有高精度、高效率和设计自由度等优点，已经被广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械等领域。
在这些领域中，高性能金属构件的制造对材料的性能、结构的复杂度和制造效率提出了更高的要求。
本文将介绍激光增材制造技术在高性能金属构件制造中的应用，并探讨其在提高金属构件性能和加工效率方面的潜力。
一、激光增材制造技术概述激光增材制造技术是一种基于快速凝固原理的金属制造技术，其工作原理是利用激光能量将金属粉末逐层熔化和固化，通过逐层堆积形成复杂的金属构件。
激光增材制造可以不受传统加工工艺的限制，可以直接制备金属构件，特别是具有复杂内部结构的构件。
激光增材制造可以实现金属构件的个性化定制及快速制造，为金属制造行业带来了新的发展机遇。
激光增材制造技术的关键步骤包括：构件设计、工艺参数优化、材料预处理、激光熔化、熔池控制和堆积层间连接等。
在这些步骤中，激光能量的控制和熔池的稳定性是制约激光增材制造质量的关键因素。
为了实现高质量的金属构件制造，需要对工艺参数、材料特性和激光能量等进行深入研究和优化。
1. 钛合金构件制造钛合金是一种优良的结构材料，具有高强度、高硬度、耐腐蚀性和轻质化等优点，被广泛应用于航空航天、汽车和医疗器械等领域。
激光增材制造技术可以实现对复杂形状的钛合金构件的快速制造，提高了构件的设计自由度和制造效率。
激光增材制造可以有效减少材料的浪费和加工工时，降低了制造成本，为钛合金构件的大规模制造提供了新的途径。
2. 高强度钢构件制造1. 材料的选择和优化激光增材制造技术在高性能金属构件制造中需要选择和优化合适的金属粉末材料，以满足构件的材料性能和使用环境要求。
还需要对金属粉末的形状、粒度和成分进行优化，提高金属粉末的熔融性和流动性，以实现高质量的金属构件制造。
高性能金属构件的激光增材制造
高性能金属构件的激光增材制造【摘要】激光增材制造技术是一种快速发展的先进制造技术，为高性能金属构件制造带来了新的机遇和挑战。
本文首先介绍了激光增材制造技术在金属构件制造中的应用，探讨了高性能金属构件的设计与优化以及激光增材制造对金属构件性能的影响。
然后详细讨论了高性能金属构件的激光增材制造工艺控制，并通过应用案例分析展示了其优势和潜力。
结论部分展望了高性能金属构件的激光增材制造的前景，并提出了未来发展方向。
总结指出，激光增材制造技术将为高性能金属构件的制造和应用带来更大的创新空间和发展机遇。
【关键词】激光增材制造技术、金属构件、高性能、设计优化、工艺控制、性能影响、应用案例、前景、未来发展、总结1. 引言1.1 激光增材制造技术的发展激光增材制造技术是一种先进的制造技术，通过逐层堆积金属粉末并利用高能激光熔化粉末，实现对金属构件的定制化制造。
随着激光技术和材料科学的发展，激光增材制造技术在金属构件制造领域得到了广泛应用。
其优势包括：生产周期短、成本低、能够制造复杂结构的构件等。
激光增材制造技术的发展使得金属构件制造从传统的切削加工向增材制造转变，为高性能金属构件的制造提供了一种全新的途径。
随着激光设备的不断更新和改进，激光增材制造技术在金属构件制造中的应用也将继续扩大，为金属构件制造带来更高效、更精准的生产方式。
1.2 金属构件制造的挑战金属构件制造面临诸多挑战，主要包括以下几个方面：1. 复杂结构设计难度大：传统金属构件制造受限于加工工艺和设备的限制，难以实现复杂结构的制造。
许多高性能金属构件的设计需要考虑到材料的性能、力学需求、环境条件等多方面因素，这就需要一种更加灵活、高效的制造技术来实现。
2. 制造成本高昂：传统金属构件制造需要大量的原材料和加工工序，制造成本较高。
而且在一些特殊情况下，需求量较小的高性能金属构件制造更加困难，导致成本进一步提高。
3. 制造周期长：传统金属构件制造需要多道工序，工艺繁琐，周期长，导致生产效率大大降低。
金属零件激光增材制造技术的发展及应用
金属零件激光增材制造技术的发展及应用
李怀学;巩水利;孙帆;黄柏颖
【期刊名称】《航空制造技术》
【年(卷),期】2012(000)020
【总页数】6页(P26-31)
【作者】李怀学;巩水利;孙帆;黄柏颖
【作者单位】中航工业北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室;中航工业北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室;中航工业北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室;中航工业北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室
【正文语种】中文
【相关文献】
1.激光增材制造技术常用金属材料激光吸收率测量 [J], 严深平;张安峰;梁少端;王潭
2.高性能金属零件激光增材制造技术研究进展 [J], 张安峰;李涤尘;梁少端;王潭;严深平;张连重
3.金属材料激光表面改性与高性能金属零件激光快速成形技术研究进展 [J], 王华明
4.Nd:YAG激光器金属零件激光快速成型工艺研究 [J], 陈光霞;卢尧军;曾晓雁
5.增材制造技术在航空航天金属构件领域的发展及应用 [J], 任慧娇; 周冠男; 从保强; 马慧君; 董文启
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钛合金激光增材制造技术研究进展
钛合金激光增材制造技术研究进展随着技术的不断进步和发展，钛合金激光增材制造技术也越来越得到了广泛的关注和应用。
在钛合金制造领域，这种新兴的技术已经成为了一种重要的制造方法。
在本文中，我们将会探讨钛合金激光增材制造技术研究的进展以及其应用的前景。
1、钛合金激光增材制造技术的发展钛合金激光增材制造技术是一种基于激光熔化和固化的制造方法，是将钛合金粉末通过激光熔化和固化的方式，层层堆叠成为三维结构的方法。
在过去的几十年里，钛合金激光增材制造技术一直处于不断发展和改进的状态。
在早期，钛合金激光增材制造技术仅用于快速原型制作和小批量生产，但随着生产工艺的不断改进和钛合金材料性能的提高，这种技术被广泛应用于形态复杂和具有高性能要求的零部件的制造。
近些年来，随着人们对钛合金激光增材制造技术的应用领域的不断拓展和深入研究，该技术已成为航空航天、能源、汽车、医疗等领域的首要选择。
2、钛合金激光增材制造技术的特点（1）高效率利用钛合金激光增材制造技术可以实现快速制造，这主要得益于其高效的生产速度。
通过颗粒加热和熔化的方式，可以实现快速的制造过程。
此外，相较于传统的制造工艺，钛合金激光增材制造技术还具有更灵活的制造方式和更加精确的制造质量。
（2）高精度钛合金激光增材制造技术的一个显著特点就是其制造精度高。
因为这种制造方式是通过采用激光熔化和固化的方法到达理想的成形结果，所以钛合金激光增材制造技术可以制造出高度复杂和精密的零部件。
（3）柔性生产钛合金激光增材制造技术的灵活性非常高，可以将理论设计的模型转化为真实的物体形态。
此外，同样的制造设备还可以应用于多种不同形态和性能要求的制造任务。
3、钛合金激光增材制造技术的应用钛合金激光增材制造技术已被广泛应用于航空航天、能源、汽车、医疗等领域的高度复杂的零部件的制造。
比如，可以通过该技术制造高性能的涡轮叶轮、高温结构零部件、人工关节等等。
此外，钛合金激光增材制造技术还可以用于研发新型的材料，提升已有的材料的性能。
增材制造技术在金属零件制造中的应用研究
增材制造技术在金属零件制造中的应用研究随着制造业的发展，人们对于制造技术的要求也越来越高。
因此，增材制造技术应运而生，成为制造业的热门话题。
增材制造技术是一种快速成形制造方法，通过一层一层的添加材料，来制造出所需要的零部件。
该技术主要应用于金属零部件制造中，可以制造出具有复杂结构、高精度要求的零部件，且具有高效、节能、低成本和绿色环保等优点。
该技术在制造业中的应用研究越来越深入，并有望成为未来制造业的主流技术。
一、增材制造技术的发展历程增材制造技术最早的发源地是美国，在20世纪80年代初，该技术首次用于制造实体模型，在随后的几十年里，增材制造技术得到了快速发展，逐渐应用于零部件制造和金属材料制造等领域。
随着制造业对于精度、质量及速度的要求越来越高，增材制造技术在金属零部件制造中逐渐得到了广泛应用。
目前，该技术已经被用于航空航天、汽车、医疗和动力等多个领域的零部件制造中。
二、增材制造技术的原理及应用增材制造技术的原理是通过不断叠加材料，来逐层制造出需要的零部件。
它可以根据 CAD 设计文件来控制加工路径，从而制造出具有复杂结构、高精度的零部件。
因此，在制造出复杂型号的零部件时，增材制造技术具有较大优势。
在金属零部件制造中，增材制造技术的应用非常广泛。
主要包括机械加工、造型、铸造等制造过程。
其中，增材制造技术在机械加工中的应用最为突出。
通过增材制造技术，可以制造出具有高复杂性和高精度的零部件，从而提高零部件制造的效率和质量。
三、增材制造技术在制造业中的优势1．高效增材制造技术具有高效的生产能力。
在零部件制造领域中，增材制造技术可以快速制造出高难度的零部件，从而提高生产效率。
2．低成本相比传统的零部件制造方式，增材制造技术的成本较低。
传统的制造方法需要大量的修整和加工，而增材制造技术则可以将加工过程大大缩短，从而降低了制造成本。
3．高精度增材制造技术可以分层逐步制造出具有高精度、高复杂性的零部件。
通过优化加工路径，该技术可以实现高精度的零部件制造，从而提高产品质量。
金属增材制造技术在航空领域的发展与应用
（１，）ｎ（）ｋ、／ｎ（）ｋ、、ｊ七ｊ－（ｃＪ℃Ｃ芝衙 图３国产电子束熔丝沉积成形设备
图４电子束熔丝沉积成形典型零件
粉末或丝材逐层熔化堆积，从而实现
研究计划署和海军研究所联合出资， 南约翰霍普金斯大学、宾州州立大学 和ＭＴｓ公司共同开发一项名为“钛 合金的柔性制造技术”的项目，目标 是利用大功率ｃ０，激光器实现大尺 寸钛合金零件的制造，基于这一项 日的研究成果，１９９７年ＭＴｓ公司ｆ｝｛ 资与约翰霍普金斯大学、宾州州立大
Ｍｅｔａｌｌｉｃ
Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ
Ｐｒｏｇｒａｍ），选定电子束熔丝沉积成形
。，…．：ｊ． 『Ｊ：ｌ
技术作为未来大型结构低成本高效 制造的方案。目标是将无人机金属 结构的重量和成本降低３５％一ｌ。
图１电子束熔丝沉积成形原理图
分明显。 （２）真空环境有利于零件的保 护。电子束熔丝沉积成形在１０。Ｐａ 真空坏境中进行，能有效避免空气中 有害杂质（氧、氮、氢等）在高温状态 下下混入金属零件，非常适合钛、铝 等活性金属的加工。
束输出功率可在较宽的范围内调整， 并可通过电磁场实现对束流运动方
式及聚焦的灵活控制，可实现高频率 复杂扫描运动。利用面扫描技术，能 够实现大面积预热及缓冷，利用多束 流分束加Ｔ技术，可以实现多束流同 时丁作，在同一台设备上，既可以实 现熔丝沉积成形，也可以实现深熔焊 接。利用电子束的多功能加丁技术， 可以根据零件的结构形式以及使役 性能要求，采取多种加丁技术组合， 实现多种工艺协同优化设计制造．以 实现成本效益的最优化。 美国麻省理Ｔ－学院的Ｖ．Ｒ．Ｄａｖｅ 等人最早提出该技术并试制了
图５激光直接沉积技术原理图
程均处于１０‘１Ｐａ以【：的真李环境中， 能有效避免卒气巾有害杂质的影响；
高性能金属构件的激光增材制造
高性能金属构件的激光增材制造激光增材制造（LAM）是一种颠覆性的制造技术，通过将材料逐层添加，逐渐构建出复杂的物体。
它在各个领域都有广泛的应用，包括航空航天、汽车制造、生物医学和军事等。
而在金属构件制造领域，LAM技术也取得了显著的进展。
本文将重点介绍高性能金属构件的激光增材制造技术。
高性能金属构件通常要求具有良好的机械性能和耐腐蚀性能，以及复杂的几何形状。
传统的金属构件制造方法，如铸造和机械加工，往往难以满足这些要求。
而激光增材制造技术通过逐层添加金属粉末，可以实现高度定制化的制造过程，从而满足各种要求。
激光增材制造技术主要包括以下几个步骤：设计师使用计算机辅助设计（CAD）软件，将待制造构件的三维模型转化为一系列的薄层切片。
然后，在LAM设备中，激光器将金属粉末熔化，并以一定的速率均匀地喷射到构件表面上。
激光的功率、扫描速度和金属粉末的喷射速率等参数都要根据材料的特性和所需构件的要求进行优化。
随着每层金属粉末的喷射，激光逐渐熔化粉末并与前一层融合在一起。
通过重复这个过程，可以逐渐构建出完整的金属构件。
与传统的金属构件制造方法相比，激光增材制造技术具有许多优势。
它可以在不同的角度和方向上添加金属粉末，从而实现复杂几何形状的制造。
由于LAM技术是一种非接触式的制造方法，因此可以避免材料的变形和损坏。
激光增材制造技术还可以实现材料的局部熔化，从而提高构件的性能和耐腐蚀性。
在高性能金属构件的激光增材制造中，材料的选择非常重要。
航空航天、汽车制造和军事等领域通常要求高强度和轻质的金属构件，因此常用的材料包括钛合金、镍基合金和高强度铝合金等。
这些材料具有良好的机械性能和耐蚀性，适合用于激光增材制造。
除了材料的选择，激光增材制造过程中的参数优化也非常重要。
激光的功率、扫描速度和金属粉末的喷射速率等参数都会影响构件的性能和质量。
需要在制造过程中进行参数优化，以获得最佳的制造结果。
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150~200mm29
52
251~300mm
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。快 速原型技术有 20 多种，
201~250mm
样品中出现裂纹 其典型技术包括立体印
图2 激光熔覆制备Fe-Co-Al合金的耐磨性
刷（Stereo Lithography
填充金属激光直接沉积成形
工艺简单，具有高度的柔性与快速反 Fabrication，DLF）
应能力；采用该技术还可根据零件 和 金 属 直 接 沉 不同部位的工作条件与特殊性能要 积 技 术（DMD）。 沉积后热处理
沉积后数控加工
喷丸及抛光处理
求实现梯度材料高性能金属零件的 Sandia 国家实验
直接制造。由于上述独特优势，1995 室 采 用 LENSTM
金属零件激光增材制造技术以 高功率或高亮度激光为热源，逐层熔 化金属粉末或丝材，直接制造出任意 复杂形状的零件，其实质就是 CAD 软件驱动下的激光三维熔覆过程，其 典型过程如图 3 所示。该技术具有 如 下 独 特 的 优 点（：1）制 造 速 度 快， 节省材料，降低成本 ;（2）不需采用 模具，使得制造成本降低 15%~30%， 生产周期节省 45%~70%;（3）可以 生产用传统方法难于生产甚至不能 生 产 的 形 状 复 杂 的 功 能 金 属 零 件；
的冶金结合，这为制造和
修复高性能致密金属零
部件提供了可能性。
快速原型技术是一
种基于离散 / 堆积成形
（a）同轴
思 想 的 新 型 制 造 技 术，
是 集 成 计 算 机、数 控、激
光和新材料等最新技术
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
（a）CAD 模型
一定方向离散成一系列
发展现状及应用
公司。该公司的目标就是实现具有 可降低成本 50％，同时缩短 50％的 高性能、大体积钛合金零件的制造， 制造周期。经过十几年发展，国外
1 激光直接沉积增材制造技术
尤其是大型整体加强筋结构钛合金 激光直接沉积增材制造系统典型代
该技术可追溯到 20 世纪 70 年 零件的快速成形。截止到 2005 年， 表包括德国 Trumpf 和美国 POM 公
形出零件，其零件表面仅需光整即可 一项以大功率 CO2 激光熔覆沉积成 铼公司则采用 DLF 技术实现了 SM3 满足要求，被称为激光选区熔化增材 形技术为基础的“钛合金的柔性制 导弹三维导向和姿态控制系统中铼
制造技术。
造”技术，并于 1997 年成立 AeroMet 零件的快速制备，与传统技术相比，
代末期的激光多层熔覆研究，但直到 AeroMet 公司先后获得波音、格鲁曼、 司 DMD505、美国 Huffman 公司 HP-
20 世纪 90 年代，国内外众多研究机 洛克 · 马丁公司、美国空军、美国国 205、美国 Optomec 公司 Lens850 等。
构才开始对同轴送粉激光快速成形 防部后勤局等单位经费支持，主要进 国外利用这些商业化的技术及设备
光直接沉积增材制造技术具有以下 提出了技术原理
特点：无需零件毛坯制备，无需锻压 模具加工，无需大型或超大型锻铸工 业基础设施及相关配套设施；材料
相类似的激光近 净成形制造技 术（LENS）、激 光
几何检查 （逆向工程）
修复区 3D 数模 采集及处理
沉积前清洗及 数控切削加工
利用率高，机加工量小，数控机加工 直 接 制 造 技 术 时间短；生产制造周期短；工序少， （Directed Laser
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；C A D 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
（b）分层及扫描路径规划
33 2.12 2.98 48 31 1.87 50
制造工艺，国内外飞行器越来越多 也使得海、空军战
地采用了大型整体钛合金结构。譬 队革新了技术储
如，美国 F-22 飞机钛合金用量已高 备。此外，金属构
达 41%，其中机身４个整体承力隔 件激光增材制造
框采用整体大型钛合金锻件最大投 技术在航天领域
影面积达到 5.53m2，锻件毛坯重达到 也取得较广泛应
专稿 FEATURE
金属零件激光增材制造技术的 发展及应用
Development and Application of Laser Additive Manufacturing for Metal Component
中航工业北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室 李怀学 巩水利 孙 帆 黄柏颖
具 成 本 高、从 设 计 到 零 件 制 造 周 期 长，且对具有复杂内腔结构的零件往 往无能为力，难以满足新产品的快速 响应制造需求。20 世纪 90 年代以来， 随 着 激 光 技 术、计 算 机 技 术、C A D / CAM 技术以及机械工程技术的发 展，金属零件激光增材制造技术在激 光熔覆技术和快速原型技术基础上 应运而生，迅速成为快速成形领域内 最有发展前途的先进制造技术之一。 本文将主要从激光熔覆和快速原型 技术基础上阐述金属零件激光增材 技术的技术原理及特点，并综述其国
域，其层厚一般为 20~100μm，利用 技术的研究。约翰霍普金斯大学、宾 完成零件的最终热处理，整个加工
高亮度激光按照预先规划的扫描路 州大学和 MTS 公司通过 3 年的钛合 工序耗时 1 周。而此零件采用传统
径轨迹逐层熔化金属粉末，直接净成 金激光增材制造技术研究，开发出 机械加工的方法则需要 11 周。美国
李怀学 博士，中航工业北京航空制造工程
研究所高能束流加工技术实验室高级工 程师。主要从事激光快速成形和修复方 面的研究工作，目前承担及完成课题近 10 项，已发表论文 20 余篇，申请专利 3 项。
随着制造业全球化及市场的激 烈竞争，产品快速开发已成为竞争 的重要手段之一。为满足制造业日 益变化的客户需求，制造技术必须具 有高柔性，能够以小批量甚至单件生 产迎合市场。传统金属零件去材或 受迫成形制造方法往往工序多、工模
激光选区熔化技术与选择性激光烧结技术的不同之 处在于后者粉末材料往往是一种金属材料与另一种低熔点 材料的混合物，成形过程中，仅低熔点材料熔化或部分熔化 把金属材料包覆粘结在一起，其原型表面粗糙、内部疏松多 孔、力学性能差，需要经过高温重熔或渗金属填补空隙等后 处理才能使用；而前者利用高亮度激光直接熔化金属粉末 材料，无需粘结剂，由 3D 模型直接成形出与锻件性能相当 的任意复杂结构零件，其零件仅需表面光整即可使用。
26 航空制造技术·2012 年第 20 期
专稿
FEATURE
于实现自动化等优点，已 Apparatus ，SLA）、叠 层 实 体 制 造
广泛应用于耐磨涂层和 （Laminated Object Manufacturing，
新 材 料 制 备（见 图 2）[4]。
若同种金属材料多层熔
覆，熔覆层间仍属于良好
43 1.62 2.32 1.74 2.00 2.25 1.77 2.59 38
41 1.81 2.04 2.14 2.04 1.40 1.59 40
39 1.77 1.79 2.29 1.79 2.12 42
Co
37 1.73 2.43 2.09 1.69 44 Fe
35 1.86 2.07 2.08 46
（d）零件 图3 金属零件激光增材制造的典型过程
LOM）、熔 融 沉 积 成 型（Fused Deposition Modeling，FDM）、选择性 激光烧结（Selective Laser Sintering， S L S）等。 然 而，受 成 形 原 理 与 工 艺 设备的制约，早期快速原型技术存 在着致命的局限性，即只能制造出 少数几种材料的原型，如光敏树脂、 塑 料、纸、特 种 蜡 及 聚 合 物 包 覆 金 属粉末等，这些材料在密度和性能 上与所需求的金属功能零件差距甚 远，一 般 只 能 作 为 原 型 看 样 和 对 设 计、装配进行验证，还不能作为最终 功 能 性 零 件 或 模 具 直 接 使 用，这 大 幅削弱了制造业采用该技术“缩短 新产品开发周期、节省开发费用、降 低产品开发风险”的原始初衷和动 机，大 大 限 制 了 其 在 现 代 装 备 制 造 业中的推广应用。
28 航空制造技术·2012 年第 20 期
聚焦激光
粉末流 基体
送粉喷嘴
沉积表面 X-Y 运动
成形舱
（a）直接沉积
扫描振镜
激光
保护镜
进气口
出气口
粉末 升降台
刮板 零件
（b）选区熔化 图4 金属零件激光增材制造技术原理
专稿
FEATURE
为代表，粉末材料预先铺展在沉积区 究计划，支持金属构件激光增材制造 件毛坯的成形，成形过程需要 64h，
技术的原理、成形工艺、熔凝组织、零 行机身钛合金结
件的几何形状和力学性能等基础性 构件的快速成形
问题开展大量的研究工作 。 [8-15]
研发，飞机和舰船
激光直接沉积技术为航空航天 上钛合金件修复。
大型整体钛合金结构制造提供一种 这一方面降低了
短周期、高柔性、低成本手段。为了 钛合金零件的制
提高结构效率、减轻结构重量、简化 造成本，另一方面
有 序 的 二 维 层 片；根 据
每 层 轮 廓 信 息，进 行 工
艺 规 ห้องสมุดไป่ตู้，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 将 它 们 联 接 起 来，
得到三维物理实体 。 [5-6]
这样将一个物理实体的