激光快速成形技术的研究现状与发展趋势

摘 要：激光快速成形技术成为目前以钛合金为代表的金属零件制造的重要手段，文章系统地介绍国内外该技术的研究县长，指出了该技术在航空航天领域应用中存在的问题，对其发展趋势给出了科学预测和对策。

关键词：激光；快速成形；钛合金

引言

激光快速成形技术产生于上个世纪八十年代，与传统减式成形相比，由于其独特的成形思路，灵活快捷的制造方法，能达到所想即所得。到九十年代，激光快速成形技术风行全世界。近几年，以新型飞机机体、新一代大推重比航空发动机的研制为背景，由于激光快速成形技术在不需要大型加工设备和工装的情况下，快速高效地制造出致密度较高的金属零件，使得该项技术进入了一个新的发展阶段。以钛合金为代表的高温合金在航空航天领域的诸多重要应用，使得钛合金激光快速成形为新的研究热点，这些重大技术需求有力地推动了金属材料激光快速成形技术在航空航天重大工程中的应用[1-3]。同时，随着技术的进步，一些对于金属材料增量制造的技术难点，看起来也不是不可克服，这为以金属材料为主的激光快速成形技术迎来了新的发展机遇。

我国在激光快速成形技术方面取得了不少成果。但是，与世界先进水平相比还有较大的差距。因此，研究其国内外的研究现状和发展趋势，对我国激光快速成形水平的提高具有重要的理论意义和实用价值。

文章论述了激光快速成形技术的研究现状，指出了激光快速成形技术领域存在的问题，对该领域的发展趋势进行了科学预测。

1 激光快速成形技术的现状与发展

1.1 国外研究现状

国外对于激光快速成形技术的研究最早开始于1979年，美国联合技术公司利用高能束沉积多层金属来获得大体积金属零件，可以看作是金属零件激光增量制造技术的雏形。1982年他们把该项技术命名为“LAYERGLAZE”。九十年代中期，美国联合技术公司与美国桑地亚国家实验室合作开发了使用Nd：YAG固体激光器和同步粉末输送系统的全新理念的激光工程化净成形技术，成功的把同步送粉激光熔覆技术和选择性激光烧结技术融合成先进的激光快速成形技术，使激光快速成形技术进入了崭新发展阶段[4]。

美国MTS公司创建的开发性子公司AeroMet公司的研究开发工作带有更浓的商业色彩，主要研究方向为军事和商业领域内航空钛合金构件的激光快速成形技术，开发了如图1所示的激光快速成形制造系统用于钛合金构件的制造。成形的钛合金构件主要是用于实际飞机上，构件达到近终形，公司的制造效率有了明显的提高，其单层堆积厚度达到4 mm，单道堆积宽度达到13 mm，堆积速率达到10立方英寸/小时。2001年起开始为波音公司生产F/A-18E/F舰载联合歼击/攻击机供应发动机舱推力拉梁。

美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室进行了不锈钢、工具钢、高温合金、铜合金、钛合金、难熔金属、金属间化合物等材料的直接成形研究，零件性能与常规方法制件的性能相当[5]。

加拿大渥太华大学的 Ehsan Toyserkani 等人建立一套带有熔覆层厚度检测系统的激光快速成形系统（如图3所示），此系统集成了激光器、执行机构、检测系统和闭环控制系统，实现高精度的激光快速制造和修复金属零部件[6]。

图3 渥太华大学研发的快速成形系统

英国的 Stork-gears 公司是最早也是国际上最知名的齿轮箱激光再制造企业，Stork 公司的研究工作者，开发了基于光纤激光器的激光快速成形系统（如图3所示），此系统集成了了光纤激光器、同轴送粉系统、同轴 CCD 熔池检测系统和机器人系统或者数控机床执行机构。

图4 Stork-gears 公司研发的快速成形系统

此外，美国的利哈伊大学、克莱姆森大学、密苏里-罗拉大学、俄亥俄州立大学和橡树岭国家实验室，英国的伯明翰大学和利物浦大学，加拿大国家科学院集成制造技术研究所等国际上众多的大学和研究所，也纷纷进行了激光快速成形技术研究，并都取得了一定的研究成果。

1.2 国内研究现状

国内激光快速成形技术的研究始于20世纪80年代，虽然起步较晚，但是随着激光加工技术的普及和人们对激光修复热处理技术的了解，越来越多的大学、研究所和企业单位正逐渐意识到该项技术的巨大发展前景，纷纷开展了一些有意义的研究工作。

西北工业大学凝固技术国家重点实验室黄卫东教授首先于1995年在快速原型技术的基础上提出了激光立体成形技术的研究思路，由此展开了金属零件激光增量制造系统研究[3]。1997年，西北工业大学凝固技术国家重点实验室与北京航空工艺研究所联合获得航空基金重点项目的资助，开展了激光快速成形技术研究。在建立激光立体成形系统的同时，对不同工艺参数对成形特性的影响进行了深入细致的研究，获得了形状较为复杂的激光立体成形金属零件，成形件外形规整，表面质量良好、无缺陷。

图5 西北工业大学激光快速成形系统及产品

北京航空航天大学2005年以来激光快速成形TA15、TC4等多种钛合金结构件，已实现在飞机上的装机应用，零件材料利用率提高了5倍、制造周期缩短了2/3，制造成本降低了1/2以上[7]。

华中科技大学激光技术重点实验室从 1984 年开始进行激光熔覆技术的研究与开发，在熔覆合金粉末设计、激光熔覆工艺和关键辅助设备等方面进行了大量的研究工作，在激光熔覆工艺与材料方面积累了丰富的经验[6]。

沈阳大陆激光技术有限公司自 1998年创办以来，就致力于激光熔覆技术和激光再制造产品的开发及其产业化应用， 逐步形成了自主知识产权体系和质量技术标准体系。目前，已先后对石化、电力、冶金等十几个行业的几十种产品进行了激光再制造，得到了二百多家企业的认可和信赖。

图6 沈阳大陆激光的一些快速成形产品

清华大学激光加工研究中心在开展基于直接金属沉积原理的激光快速柔性制造技术研究的基础上，自行研制的 THPF21 型自动送粉器和 THCN23 型同轴送粉喷嘴，并用一台 Marathon-MR1S 双波长红外测温探头来监测制造过程中的熔池温度， 用具有瞄准功能的红外探测头来检测并反馈控制零件熔覆高度的凹凸点，在国内率先进行了激光制造过程的实时检测与闭环控制研究，提高了激光增量制造制造零件的精度，保证了制造过程的稳定性[3]。

2 激光快速成形技术存在的问题

在作为国家战略的航空航天领域中，飞机、发动机、飞船、卫星等先进国防装备中大量采用大型复杂整体钛合金、高温合金结构件（如航空发动机整体叶盘/叶片、飞机整体钛合金隔框等）。现有的大型复杂整体钛合金、高温合金结构件均采用传统锻造与机械加工相结合的方法制造的，而我国尚不具备的大型与超大型工业基础设施（如：4～10万吨级水压机、100吨米以上的超大自由锻造设备等），且制造过程产生大量的切削废料，造成材料的浪费，同时，加工制造周期长，成本居高不下。采用金属零件激光快速成形技术可在无需重型或超重型锻铸工业基础设施等的条件下，直接实现钛合金、高温合金等高性能“近终形”复杂零部件的无模快速成形制造。如采用激光快速成形技术得到的发动机叶片可缩短叶片制造周期2/3以上，降低制造成本1/2以上。在快速模具制造领域，激光快速成形技术可以采用客户所希望的材料来制造零件，大幅度减少零件的交货时间，降低新产品开发风险，有效地缩短了产品的研发周期。

但是激光快速成形技术在制造领域进一步的推广应用仍然面临一些技术瓶颈需要解决：即激光快速成形的结构件的疲劳强度、长期使用可靠性和质量一致性难以保证，结构件内部内应力的大小和分布、气孔和裂纹缺陷难以控制或消除，激光增量制造的结构件缺乏检测和技术标准，制造效率、质量和成本之间的关系较难协调等。此外，激光快速成形的结构件的性能与材料和成分密切相关，对于一些韧性较低的高温钛合金、高温合金，通过激光快速成形技术得到的该类材料结构件的综合力学性能等若达到使用要求还有不小的难度。由此可见，对于激光快速成形技术还缺乏对于材料问题以及材料与工艺的关系等基础问题的研究，尚未找到材料、工艺和设备之间协调控制的方法，因此，亟需开展激光快速成形技术材料及其成形机理的研究，并开发适合相关工艺的成形装备。

3 展望与对策

3.1 加快成形材料性能的研究。根据“Rapid Prototyping Report”对读者的调查[8]，目前激光快速成形材料的性能大多不太理想，成形件的物理性能不能满足功能性零件的要求，必须借助于转换技术（即快速制模技术）才能生产出令人满意的零件，这大大增加了过程的复杂程度，使成本、时间增加，而精度降低，因此开发和应用能够直接成形满足功能零件性能要求的材料将激光快速成形技术发展又一个重要方向。

3.2 加快高功率激光器的研究。激光快速成形技术的核心之一就是包括光纤激光器，半导体激光器等在内先进的大功率激光器，但目前，我们研发的快速成形设备所用激光器都是进口的，这样，很容易被别人卡脖子，因此，加快高功率激光器的研究是我国激光快速成形技术发展的关键。

3.3 加快激光快速成形工艺的研究。激光快速成形工艺是激光快速成形技术能否得到应用的重点，也是重要的技术难点。通过快速成形过程分层路径规划和工艺参数调整等措施，可以解决增量制造零件的应力集中和变形问题。

4 结束语

激光快速成形技术作为一种新型制造技术，必将在几十年来飞速发展的基础上，不断开发出新的成形工艺，成形材料及成形设备，现有的工艺也必将朝着精密化、低成本、高效率、标准化的方向发展，并将极大地提升飞机、发动机、汽车和船舶等重大国防和工业装备的制造水平和研发生产能力，因此，意义重大。目前，金属快速成形技术已经在国内外被广泛关注， 并被应用于整体、大型、超长的结构构件，但我国对该技术的研究起步较晚，目前先进国防装备中大量采用大型复杂整体钛合金、高温合金结构件仍然采用传统的制造手段，因此，迫切需要我们加大在该领域的投入，加快加深该领域的核心技术问题的研究，解决目前存在的问题，使该技术尽快应用于重大装备制造领域。

参考文献

[1]王天明，金烨.快速成形技术概述及当前研究热点[J].航空制造技术，2005 （6）：61-64.

[2]颜永年， 张人佶.快速成形技术国内外发展趋势[J].电加工与模具，2001（1）：5-9.

[3]张凯，刘伟军，尚晓峰，等.金属零件激光直接快速成形技术的研究（下） [J]. 工具技术，2005，39（6）：3-6.

[4]张凯，刘伟军，尚晓峰，等. 金属零件激光直接快速成形技术的研究（上） [J]. 工具技术，2005，39（5）：3-9.

[5]胡晓冬，赵万华，等.金属直接成形技术的发展与展望[J].工具技术，2001，35（10）：3-6.

[6]王致坚，翟海波，刘宇，等.激光再制造技术及其应用[J].激光，2010，31（5）：35-37.

[7]王华明，李安，张凌云，等.激光熔化沉积快速成形TA15钛合金的力学性能[J].航空制造技术，2008（7）：26-29.