金屬零件的直接快速制造技術及發展趨勢

增材快速成形與制造技術在高形狀復雜度、高功能復雜度零件的制造方面獨具特色，被認為是現代制造技術發展史上的一個里程碑，并正向高功能、高性能材料零件直接制造方向發展,對制造業產生著深遠的影響[1-2]。其中，金屬零件的直接快速制造(DirectRapidMetalManufacturing)需求范圍最廣，也是其主要發展方向之一。目前主要有采用激光束、電子束、等離子束的高能三束，以及非高能束的成形方法，該技術可直接由零件CAD模型，完成難加工復雜形狀金屬零件的快速成形，還可根據零件不同部位的工作條件與特殊性能要求實現梯度功能材料零件的快速成形。因此，這是一種零件結構與材料設計、新材料制備、成形、加工一體化的創形創質并行的短流程、數字化制造技術，代表著先進制造技術的發展方向。由于該技術和裝備在航空航天、國防、能源、交通等尖端支柱領域的重要應用前景,受到發達國家政府和企業的高度重視和大力支持,但目前尚處在工業規模實用化的前夜。

高能束金屬零件直接快速制造技術現狀

因篇幅所限，本課題主要分析廣泛使用的致密金屬零件的直接快速制造技術現狀，其中，采用高能束流的直接制造主要有選區激光熔化/燒結成形法（SLM/SLS）和激光近終成形法（LENS）、電子束成形法（EBM）、等離子束熔積成形法(PDM)，以及其它派生的技術。

1、SLM技術

SLM（SelectiveLaserMelting）技術是在SLS技術基礎上發展起來的，與SLS方法的相同之處是，因控制熱變形困難等限制而只適于成形復雜形狀小型件；不同之處是將粉末燒結改良成粉末熔化，省去了SLS法后續的低熔點金屬浸滲致密化環節，較SLS方法可直接成形密度顯著提高的金屬產品。然而，對于成形過程中出現的熔化金屬“聚球”現象，需嚴格控制材料參數、工藝參數和掃描方式才能減輕[3]。要得到高致密度零件需采用熱等靜壓技術，但這往往需要后續加工來保證精度，從而增加了制造難度、時間和成本。SLM/SLS技術皆因采用層層鋪粉的送料方式而難以制造梯度功能材料FGM零件。圖1為MTT公司采用SLM技術制造的金屬零件[4]。

PHENIXSYSTEMS公司研究開發了與SLS方法相似的激光燒結方法，不同之處在于采用了激光固相燒結的專利技術，并使用了光纖激光器。公司宣稱：金屬粉末成形無后續熱處理工序[5]，但未見其對成形件密度數據影響的報道；其開發的PM250機型的圓柱成形室空間為直徑250mm，高300mm，成形材料采用高溫合金、不銹鋼、模具鋼等粉末。

2、LENS技術

由美國Sandia國家試驗室與AlliedSignalInc．，EastmanKodakCo．，HasbroInc．，LaserFareInc．等公司合作開發，已成功制造了316、304不銹鋼，Inconel625、690、718鎳基高溫合金，H13工具鋼，Ti-6Al-4V鈦合金以及鎳鋁金屬間化合物等材料零件，還制備了316-304不銹鋼、304不銹鋼-A690合金、Fe-Cu、Ti-V和Ti-Mo梯度材料零件，顯示出其在功能梯度材料制備方面的獨特優勢。目前，Optomec公司專門從事該技術的商業化工作，已開發出1kW的LENS850商業機，運動定位精度在X-Y方向為0.05mm，Z方向0.5mm，成形最小層厚0.0756mm，最大成形速度8.19cm3/h[6]。圖2為Optomec公司開發的LENS850成形機成形腔內狀況和成形零件。