激光增材制造技术及现状研究

ＰＥＴＲＯＬＥＵＭＴＵＢＵＬＡＲＧＯＯＤＳ＆ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ初投稿收稿日期:２０１９－０３－０６ꎻ修改稿收稿日期:２０１９－０８－３０第一作者简介:胡美娟ꎬ女ꎬ１９８１年生ꎬ高级工程师ꎬ２００９年毕业于西北工业大学焊接专业ꎬ获博士学位ꎬ现从事石油管焊接的研究工作ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｈｕｍｅｉｊｕａｎ＠ｃｎｐｃ.ｃｏｍ.ｃｎ综㊀述激光增材制造技术及现状研究胡美娟ꎬ吉玲康ꎬ马秋荣ꎬ池㊀强(中国石油集团石油管工程技术研究院ꎬ石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室㊀陕西㊀西安㊀７１００７７)摘㊀㊀要:基于增材制造技术的发展和分类ꎬ对目前金属增材制造最可靠和可行的方法 激光增材制造技术的原理㊁激光选区熔化成形技术和直接沉积技术的发展现状进行了介绍ꎬ分析了其未来的发展趋势ꎬ为激光增材制造在国内各个领域的应用提供技术支持ꎮ关键词:激光ꎻ增材制造ꎻ３Ｄ打印ꎻ金属材料中图法分类号:Ｖ２３５.１㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:２０９６－００７７(２０１９)０５－０００１－０６ＤＯＩ:１０.１９４５９/ｊ.ｃｎｋｉ.６１－１５００/ｔｅ.２０１９.０５.００１ＯｖｅｒｖｉｅｗｏｆＬａｓｅｒＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＳｔａｔｕｓＨＵＭｅｉｊｕａｎꎬＪＩＬｉｎｇｋａｎｇꎬＭＡＱｉｕｒｏｎｇꎬＣＨＩＱｉａｎｇ(ＣＮＰＣＴｕｂｕｌａｒＧｏｏｄｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅＳａｆｅｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＴｕｂｕｌａｒＧｏｏｄｓａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｔｅｒｉａｌｓꎬＸｉᶄａｎꎬＳｈａａｎｘｉ７１００７７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｌａｓｅｒａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄꎬｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｍｏｓｔｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄｆｅａｓｉｂｌｅｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｍｅｔａｌａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ.Ｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｍｅｌｔｉｎｇ(ＳＬＭ)ａｎｄｄｉｒｅｃｔｌａｓｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ(ＤＬＤ)ｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ.ＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｖｉｄｅｓｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｖａｒｉｏｕｓｆｉｅｌｄｓｉｎＣｈｉｎａ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｌａｓｅｒꎻａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎻ３Ｄｐｒｉｎｔꎻｍｅｔａｌｍａｔｅｒｉａｌ０㊀引㊀言在上个世纪ꎬ增材制造(ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬＡＭ)的概念得到了显著的发展ꎮ依据美国试验材料学会(ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓꎬＡＳＴＭ)的定义:增材制造技术不同于传统的减法加工过程ꎬ是基于材料的增量制造ꎬ利用３Ｄ数据模型ꎬ将材料一层一层连接起来制造物体的过程[１]ꎮ由于增材制造技术具有设计和制造一体化㊁加工精度高㊁制造周期短ꎬ产品物理化学性能优异等特点ꎬ美国«时代周刊»将增材制造列为 美国十大增长最快的工业 ꎬ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 [２]ꎮ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ꎬ是先进制造技术的重要发展方向ꎮ对于金属材料增材制造技术ꎬ按照热源类型的不同主要可分为激光增材制造㊁电子束增材制造㊁电弧增材制造等ꎮ其中激光增材制造(ＬａｓｅｒＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬＬＡＭ)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ꎬ也是目前金属增材制造最可靠和可行的方法ꎮ国内外增材制造的研究也主要集中在激光增材制造技术ꎬ本文在总结增材制造的发展历史基础上ꎬ重点介绍了激光增材制造的原理㊁激光选区熔化成形技术和直接沉积技术的发展现状ꎬ为激光增材制造在国内各个领域的应用提供支持ꎮ１㊀增材制造的发展历史１９８３年ꎬ美国科学家查尔斯 胡尔(ＣｈａｒｌｅｓＨｕｌｌ)发明光固化成形技术(ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｈｙＡｐｐｅａｒａｎｃｅꎬＳＬＡ)并制造出全球首个增材制造部件ꎮ１９８６年ꎬ查尔斯 胡尔获得了全球第一项增材制造专利ꎬ同年成立３ＤＳｙｓｔｅｍｓ公司[３]ꎮ１９８７年ꎬ３ＤＳｙｓｔｅｍｓ发布第一台商业化增材制１ ２０１９年㊀第５卷㊀第５期造设备－快速成型机立体光刻机ＳＬＡ－１ꎬ全球进入增材制造时代ꎮ１９８６年ꎬ美国的ＭｉｃｈａｅｌＦｅｙｇｉｎꎬ首次提出了分层实体制造(ＬａｍｉｎａｔｅｄＯｂｊｅｃｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬＬＯＭ)技术ꎮ１９８８年ꎬ美国Ｓｔｒａｔａｓｙｓ公司首次提出熔融沉积成型技术(ＦｕｓｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇꎬＦＤＭ)ꎮ１９８９年ꎬ美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Ｄｅｃｋａｒｄ提出激光选区烧结(ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇꎬＳＬＳ)[４]ꎮ１９９５年ꎬ德国Ｆｒａｕ￣ｈｏｆｅｒ应用研究促进协会ＩＬＴ激光技术研究所的Ｄｒ.Ｗｉｌ￣ｈｅｌｍＭｅｉｎｅｒｓ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(ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＭｅｌｔｉｎｇꎬＳＬＭ)[５]ꎮ１９９８年ꎬ美国Ｓａｎｄｉａ国立实验室将选择性激光烧结工艺ＳＬＳ和激光溶覆工艺(ＬａｓｅｒＣｌａｄｄｉｎｇ)相结合提出激光工程化净成型(ＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｅｄＮｅｔＳｈａｐｉｎｇꎬＬＥＮＳ)[６ꎬ７]ꎮ１９９０年至现在ꎬ增材制造技术实现了金属材料的成型ꎬ进入了直接增材制造阶段ꎬ相距出现了电子束选区熔化(ＥＢＳＭ)㊁电子束自由成形制造技术(ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＦｒｅｅ￣ｆｏｒｍＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎꎬＥＢＦ)[８－１０]㊁等离子增材制造技术(ＩｏｎＦｕｓｉｏｎＦｏｒｍａｔｉｏｎꎬＩＦＦ)电弧增材制造(ＷｉｒｅＡｒｃＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅꎬＷＡＡＭ)[１１ꎬ１２]等一系列制造工艺ꎮ２０１３年ꎬ美国麻省理工大学研发了四维打印技术(ＦｏｕｒＤｉ￣ｍｅｎｓｉｏｎａｌＰｒｉｎｔｉｎｇꎬ４ＤＰ)ꎬ利用记忆合金ꎬ在３Ｄ打印的基础上增加了第四维度 时间ꎮ综上所述ꎬ增材制造技术可以分为 快速原型制造技术 和 金属构件直接制造技术 两大类ꎮ 快速原型制造技术 (ｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬＲＰ＆ＲＰＭ)主要方法有 ３Ｄ打印(３ＤＰ) ㊁ 立体印刷(ＳＬＡ) ㊁ 叠层实体造型(ＬＯＭ) ㊁ 熔融沉积造型(ＦＤＭ) ㊁ 选择性激光烧结(ＳＬＳ) 等五大类ꎮ主要制造尺寸较小ꎬ由树脂㊁石蜡㊁纸张等材料组成的原型样件及由陶瓷㊁金属粉末组成的 非致密 原型样件或模型制造ꎮ金属构件直接制造技术则采用激光束㊁电子束㊁等离子束或电弧等对粉末或丝材进行逐层熔化/凝固堆积ꎬ直接制造出致密的金属零件[１３－１６]ꎮ国内关桥院士提出 广义增材制造 的概念ꎬ具体如图１所示ꎮ广义增材制造的热源ꎬ除激光束和电子束外ꎬ还有化学能㊁电能(电弧等)㊁电化学能㊁光能㊁机械能等ꎮ图中的中心圆是通常所谓的 增材制造 (３Ｄ打印)ꎬ以激光㊁电子束等为热源与ＣＡＤ/ＣＡＭ结合ꎬ分层熔敷成形的增材制造ꎬ包含了非金属㊁金属构件和生物模型的增材制造等ꎻ图中的外椭圆展现的是 广义增材制造 的技术分类ꎬ不局限于分层熔敷成形ꎬ还包括冷喷涂成形㊁热喷涂成形㊁物理气相成形㊁化学气相成形㊁电化学成形㊁堆焊成形㊁块体组焊成形等[１７]ꎮ图１㊀广义增材制造的技术内涵及分类[１７]２㊀激光增材制造技术原理依据美国试验材料学会ＡＳＴＭ的定义ꎬ根据材料在沉积时的不同状态ꎬ激光增材制造技术分为定向能量沉积(ＤｉｒｅｃｔＥｎｅｒｇｙＤｅｐｏｓｉｔꎬＤＥＤ)和粉末熔覆(ＰｏｗｄｅｒＢｅｄＦｕｓｉｏｎꎬＰＢＦ)两类ꎮ激光粉末熔覆技术ＰＢＦꎬ又可以称为激光选区熔化成形技术(ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＭｅｌｔｉｎｇꎬＳＬＭ)[１８]ꎬ其首先利用ＣＡＤ软件设计出零件的三维模型ꎬ然后根据打印工艺对模型进行切片分层后ꎬ将各截面的二维轮廓数据导入打印设备中ꎬ并设定具体的扫描路线ꎮ激光打印时根据设定的扫描路线逐层熔化通过送粉装置均匀铺敷在工作平面基板的金属粉末ꎬ具体的原理如图２所示ꎮ图２㊀激光粉末熔覆ＰＢＦ原理图激光选区熔化技术(ＳＬＭ)可以直接制造出终端金属产品ꎬ实现了材料㊁结构和功能的一体化设计和制造ꎻ可以加工出传统制造方法无法加工的复杂金属零件ꎬ如轻质点阵夹芯结构㊁空间曲面多孔结构㊁复杂型腔流道结构等ꎬ解决了复杂金属构件难加工㊁周期长㊁成本高等技术难题ꎻ金属零件具有很高的尺寸精度以及很好的表面粗糙度ꎬ无需二次加工ꎮ但是ＳＬＭ技术打印构件的力学性能仅能达到或者优于铸㊁锻件水平ꎻ成形件的复杂性基本不受限制但是成形尺寸较小ꎻ另外适用于ＳＬＭ成形的材料种类还较少ꎬ目前报道的主要有铁基合金㊁镍基合金㊁铝合金和钛合金等[１９－２３]ꎮ２ ２０１９年１０月㊀胡美娟等:激光增材制造技术及现状研究激光定向能量沉积技术(ＤＥＤ)[２４]ꎬ又可以称为激光直接沉积成形技术(ＤｉｒｅｃｔＬａｓｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎꎬＤＬＤ)ꎬ是在快速原型技术和激光熔覆技术的基础上发展起来的一种先进制造技术ꎮ该技术是基于离散/堆积原理ꎬ通过对零件的三维ＣＡＤ模型进行分层处理ꎬ获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径ꎬ在惰性气体保护环境中ꎬ以高能量密度的激光作为热源ꎬ按照预定的加工路径ꎬ将同步送进的粉末或丝材逐层熔化堆积ꎬ从而实现金属零件的直接制造与修复ꎬ其原理如图３所示ꎮ图３㊀激光粉末熔覆原理图在２０世纪９０年代激光直接沉积技术被国际上多个研究机构相对独立地发展起来ꎬ并且被赋予了不同的名称ꎬ如激光熔敷(ＬａｓｅｒＣｌａｄｄｉｎｇ)[２５]㊁激光直接铸造(Ｌａ￣ｓｅｒＤｉｒｅｃｔＣａｓｔｉｎｇ)[２６]㊁直接金属沉积(ＤｉｒｅｃｔＭｅｔａｌＤｅｐｏ￣ｓｉｔｉｏｎꎬＤＭＤ)[２７]㊁激光固化(ＬａｓｅｒＣｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎꎬＬＣ)[２８]㊁激光金属成形(ＬａｓｅｒＭｅｔａｌＦｏｒｍｉｎｇꎬＬＭＦ)[２９]㊁激光工程化净成形(ＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｅｄＮｅｔＳｈａｐｉｎｇꎬＬＥＮＳ)[３０]㊁受控光制造(ＤｉｒｅｃｔｅｄＬｉｇｈｔＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎꎬＤＬＦ)[３１]㊁激光成形(ＬａｓｅｒＦｏｒｍｉｎｇꎬＬＦ)[３２]㊁基于激光的自由实体制造(ＬａｓｅｒＢａｂｓｅｄＦｒｅｅ－ｆｏｒｍＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎꎬＬＢＦＦＦ)[３３]㊁激光立体成型(ＬａｓｅｒＳｏｌｉｄＦｏｒｍｉｎｇꎬＬＳＦ)以及激光直接制造技术(ＤｉｒｅｃｔｅｄＬａｓｅｒＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎꎬＤＬＦ)等ꎬ这些技术名称虽然不同ꎬ但基本的技术原理却是完全相同的ꎮ激光直接沉积成形技术(ＤＬＤ)的生产效率高于ＳＬＭꎬ并且成形尺寸基本不受限制(仅取决于设备的运动幅度)ꎬ可实现同一构件上多材料的任意复合和梯度结构制造ꎬ并可用于损伤构件的高性能修复ꎮ但是ꎬＤＬＤ技术表面质量不如ＳＬＭꎬ制造后需要二次加工ꎮ目前ꎬ激光直接沉积技术所应用的材料已涵盖钛合金㊁镍基高温合金㊁铁基合金㊁铝合金㊁难熔合金㊁非晶合金以及梯度材料等ꎬ其中钛合金的应用最为成熟[３４]ꎮ３㊀激光增材制造技术的发展现状３.１㊀激光选区熔化成形技术在金属粉末选择性烧结技术的基础上ꎬ为了解决ＳＬＳ过程中粉末连接强度不高的问题ꎬ提高材料致密度ꎬ德国Ｆｒａｕｈｏｆｅｒ研究所于１９９５年提出了激光选区熔化技术ＳＬＭꎮ２００２年该研究所在激光选区熔化技术方面取得巨大成功ꎬ可一次性地直接制造出完全致密性的零件ꎮ目前国际上已经有多家成熟的ＳＬＭ设备制造商ꎬ包括德国ＥＯＳ(Ｅｌｅｃｔｒｏ－ＯｐｔｉｃａｌＳｙｓｔｅｍＧｕｍｂｏ)公司ꎬ德国Ｒｅａｌｉｚｅｒ公司ꎬＳＬＭＳｏｌｕｔｉｏｎｓ公司ꎬＣｏｎｃｅｐｔＬａｓｅｒ公司ꎬ美国３Ｄ公司ꎬＲｅｎｉｓｈａｗＰＬＣ公司和ＰｈｅｎｉｘＳｙｓｔｅｍｓ公司等ꎮ上述厂家都开发出了不同型号的机型ꎬ包括不同的零件成形范围和针对不同领域的定制机型等ꎬ以适应市场的个性化需求ꎮ德国ＥＯＳ公司新开发的激光选区熔化设备ＥＯＳＩＮＴＭ４００－４采用４个束源质量高的Ｙｂ光纤激光器ꎬ成形范围达到３００ｍｍˑ３００ｍｍˑ３５０ｍｍꎬ功率为１ｋＷꎬ激光束最小光斑为９０μｍꎬ最大扫描速度７ｍ/ｓꎬ其成形零件性能与锻件相当ꎬ如图４所示ꎮ图４㊀德国ＥＯＳ公司的Ｍ４００－４德国Ｈｏｆｍａｎｎ集团(世界上主要的金属激光熔铸设备生产厂家之一)的ＣｏｎｃｅｐｔＬａｓｅｒ公司生产的Ｘ系列２０００Ｒ为全球最大的激光金属３Ｄ打印机ꎬ其采用双激光系统ꎬ每个激光器功率为１ＫＷꎬ成形的范围达到８００ｍｍˑ４００ｍｍˑ５００ｍｍꎬ如图５所示ꎮ图５㊀德国ＣｏｎｃｅｐｔＬａｓｅｒ公司生产的Ｘ系列２０００Ｒ在国内华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室及武汉光电国家实验室是国内最早从事ＳＬＭ技术的研究工作的单位之一ꎮ华中科技大学模具国家重点实验室快速制造中心先后推出了ＨＲＰＭ－Ⅰ和ＨＲ￣ＰＭ－ⅡＡꎬ武汉光电国家实验室自主设计和制造了ＮＲＤ３ ２０１９年㊀第５卷㊀第５期－ＳＬＭ－Ⅰ㊁ＮＲＤ－ＳＬＭ－Ⅱ等设备ꎮＮＲＤ－ＳＬＭ－Ⅱ型设备成形尺寸范围:３２０ｍｍˑ２５０ｍｍˑ２５０ｍｍ[３４]ꎮ在技术应用方面ꎬ通用电气(ＧＥ)公司利用ＳＬＭ技术实现了离心式燃油喷嘴的打印ꎬ如图６ꎬ目前该喷嘴已成功应用于ＣＦＭ国际公司开发的ＬＡＥＰ－Ｘ发动机ꎬ并实现了首飞ꎮ该项技术被评为全球２０１３年十大技术突破之一ꎬ并且通过了ＦＡＡ适航认证ꎬ技术成熟度ＴＲＬ>８[３５]ꎬ预计到２０２０年ＧＥ将生产１０万个喷嘴ꎮ２０１５年ꎬ美国联邦航空管理局(ＦｅｄｅｒａｌＡｖｉａｔｉｏｎＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎꎬＦＡＡ)正式批准了ＧＥ公司采用ＳＬＭ制造的航空发动机传感器壳体ꎬ如图６所示ꎬ应用于ＧＥ－９Ｘ系列商用发动机ꎬ目前ꎬ该零件已经安装在４００个ＧＥ９０－９４Ｂ发动机中ꎮ此外ꎬＧＥ还尝试进行了先进涡桨发动机和涡轮喷气发动机叶片的制造ꎮ美国航天公司ＳＰＡＣＥＸ开发Ｓｕ￣ｐｅｒＤｒａｃｏ载人飞船过程中ꎬ利用ＳＬＭ技术制造了载人飞船的引擎ꎬ如图７所示ꎮＳＬＭ技术很好的解决了该引擎的冷却道㊁喷射头和节流阀等复杂结构的制造问题ꎬ零件的强度㊁韧性和断裂强度等性能完全满足高温高压环境下工作的严苛要求ꎮ惠普在研发过程中ꎬ包括涡轮ꎬ燃料喷射器和其他零件也都是ＳＬＭ增材制造的ꎮ图６㊀ＧＥ公司ＳＬＭ技术制造的典型零件图７㊀ＳＰＡＣＥＸＳＬＭ技术制造的典型零件综上所述ꎬ由于ＳＬＭ技术的诸多优点ꎬ它具有广阔的应用前景和广泛的应用范围ꎬ目前ＳＬＭ技术在航空航天领域的应用十分成功ꎬ同时各大公司也积极将ＳＬＭ技术应用于汽车(如模具㊁工具插件和微器件等)㊁电力(散热器件)㊁生物医疗(植入牙齿ꎬ脊椎骨等)和石油天然气领域ꎮ３.２㊀激光直接沉积成形技术现代激光直接沉积制造技术根植于１９３７年Ｋｒａｔｋｙ和Ｈａｒｔｅｒｔ等提出的焊缝金属熔融沉积的制造方法专利[３５－３６]ꎬ最早可追溯到２０世纪７０年代末期的激光多层熔覆研究ꎮ早期的ＤＬＤ概念大约出现在１９８０年ꎬＢｒｏｗｎ等的专利描述了通过添加沉积的粉末/焊丝ꎬ利用激光进行逐层加热制造方法[３７－３９]ꎮ１９９８年ꎬ美国Ｓａｎｄｉａ国立实验室提出激光工程化净成型(ＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｅｄＮｅｔＳｈａｐｉｎｇꎬＬＥＮＳ)ꎬＬＥＮＳ是ＤＬＤ最成功的商业形式ꎬ也成为ＤＬＤ的最为代表性的技术ꎮ２０世纪９０年代以后ꎬ国内外众多研究机构开始对激光直接沉积技术的原理㊁成形工艺㊁熔凝组织㊁零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ꎮ国外激光直接沉积增材制造系统典型代表包括德国Ｔｒｕｍｐｆ和美国ＰＯＭ公司的ＤＭＤ５０５㊁美国Ｈｕｆｆｍａｎ公司的ＨＰ－２０５㊁美国Ｏｐｔｏｍｅｃ公司的Ｌｅｎｓ８５０和Ａｅｒｏｍｅｔ公司的Ｌａｓｆｏｒｍ等ꎮ约翰霍普金斯大学㊁宾州大学和ＭＴＳ公司基于开发出一项以大功率ＣＯ２激光熔覆沉积成形技术为基础的 钛合金的柔性制造 技术ꎬ并于１９９７年成立ＡｅｒｏＭｅｔ公司ꎬ公司的目标就是实现具有高性能㊁大体积钛合金零件的制造ꎬ尤其是大型整体加强筋结构钛合金零件的快速成形ꎮ２０００年ꎬ美国Ｂｏｅｉｎｇ公司宣布采用该技术制造的钛合金零件在Ｆ－２２和Ｆ/Ａ－１８Ｅ/Ｆ飞机上获得应用ꎬ在全球掀起了金属零件的直接增材制造的第一次热潮ꎬ如图８所示ꎮＧＥ公司在发动机支架结构设计试制方面ꎬ利用ＬＭＤ技术进行了减重设计加工ꎬ原零件重约２０３３ｇꎬ最后试制的零件重量仅为３２７ｇꎮ利用ＬＭＤ技术对复合材料风扇叶片金属加强边进行试制ꎬ先利用激光立体成形制备毛坯件ꎬ再进行机械加工ꎬ整个加强边长约１０１.６ｍｍ壁厚０.８~１.２ｍｍꎬ最终加工量仅为０.１２ｍｍ[３９]ꎮꎮ国内激光直接沉积成形技术虽然起步较晚ꎬ但是在某些方面已经达到到了国内外领先的地步ꎮ西北工业大学的黄卫东团队针对大型钛合金构件的激光立体成形ꎬ试制成功Ｃ９１９大飞机翼肋ＴＣ４上㊁下缘条构件ꎬ该类零件尺寸达４５０ｍｍˑ３５０ｍｍˑ３０００ｍｍ㊁质量达１９６ｋｇꎬ成形后长时间放置后的最大变形量小于４ ２０１９年１０月㊀胡美娟等:激光增材制造技术及现状研究１ｍｍꎬ静载力学性能的稳定性优于１％ꎬ疲劳性能也优于同类锻件的性能ꎬ如图９所示ꎮ北京航空航天大学王华明院士在飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形工艺研究方面取得了突破性进展ꎬ提出了大型金属构件激光直接成形过程 内应力离散控制 的新方法ꎬ解决大型金属构件激光快速成形过程零件翘曲变形与开裂的瓶颈难题ꎬ突破激光快速成形钛合金大型结构件内部缺陷和内部质量控制及其无损检验关键技术ꎬ飞机构件综合力学性能达到或超过钛合金模锻件ꎬ如图１０所示[４０]ꎮ图８㊀ＡｅｒｏＭｅｔ激光快速成形的钛合金构件图９㊀西工大激光增材制造钛合金飞机翼肋图１０㊀北航激光增材制造钛合金大型构件综上所述ꎬＤＬＤ技术相对ＳＬＭ具有较高的生产效率ꎬ其主要用于大型金属构件的制造ꎮ但是ＤＬＤ成形过程中零件开裂ꎬ内部质量和力学性能控制ꎬ产品应用技术标准等是制约其工程应用的关键ꎮ目前ꎬ国外将其应用投向于损伤构件的增材修复技术以及梯度材料的研究ꎬ其如ＳＬＭ技术广泛的商用化还面临较多的挑战ꎮ４㊀结束语增材制造技术的发展历史仅仅有３０多年ꎬ激光增材制造是目前研究最多也是工业化应用最成功的技术手段ꎮ随着激光增材制造的成本降低ꎬ其将很快从传统制造业的辅助手段中解放出来ꎬ成为集设计与制造一体化的新型制造方法ꎮ参考文献[１]ＡＳＴＭ－ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌꎬＡＳＴＭＳｔａｎｄａｒｄＦ２７９２－１２ａ:Ｓｔａｎｄ￣ａｒｄＴｅｒｍｉｎｏｌｏｇｙｆｏｒＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓꎬ２０１２.[２]卢秉恒ꎬ李涤尘.增材制造(３Ｄ打印)技术发展[Ｊ].机械制造与自动化ꎬ２０１３ꎬ４２(４):１－４.[３]ＨＵＬＬＣＷ.Ａｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｏｂｊｅｃｔｓｂｙｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ.ＵＳＰａｔｅｎｔꎬＵＳ４５７５３３０Ａꎬ１９８６－０３－１１.[４]ＤＥＣＫＡＲＤＣ.Ｍｅｔｈｏｄａｎｄａｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒｐｒｏｄｕｃｉｎｇｐａｒｔｓｂｙｓｅｌｅｃｔｉｖｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇ.ＵＳＰａｔｅｎｔ４８６３５３８ꎬ１９８６－１０－１７.[５]ＭＥＩＮＥＲＳＷꎬＷＩＳＳＥＮＢＡＣＨＫＤꎬＧＡＳＳＥＲＡＤ.Ｓｈａｐｅｄｂｏｄｙｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｐｒｏｔｏｔｙｐｅｏｒｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｐａｒｔｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ.ＧｅｒｍａｎｙＰａｔｅｎｔꎬＤＥ１９６４９８６５Ｃ１ꎬ１９９６－１２－０２.[６]ＪＥＡＮＴＥＴＴＥＦＰꎬＫＥＩＣＨＥＲＤＭꎬＲＯＭＥＲＯＪＡꎬｅｔａｌ.ＭｅｔｈｏｄａｎｄＳｙｓｔｅｍｆｏｒＰｒｏｄｕｃｉｎｇＣｏｍｐｌｅｘ－ｓｈａｐｅＯｂｊｅｃｔｓ:ＵＳＰａｔｅｎｔꎬ６０４６４２６.２０００－０４－０４.[７]ＬＩＵＷＰꎬＤＵＰＯＮＴＪＮ.ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙｇｒａｄｅｄＴｉＣ/Ｔｉｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｂｙｌａｓｅｒｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｎｅｔｓｈａｐｉｎｇ.ＳｃｒｉｐｔａＭａｔｅｒꎬ２００３ꎬ４８(９):１３３７.[８]ＤＡＶＥＶＲꎬＭＡＴＺＪＥꎬＥＡＧＡＲＴＷ.Ｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｓｏｌｉｄｆｒｅｅ－ｆｏｒｍｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｐａｒｔｓ[Ｃ].Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ５２０１９年㊀第５卷㊀第５期６ｔｈＳｏｌｉｄＦｒｅｅｆｏｒｍＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎＳｙｍｐｏｓｉｕｍ.ＡｕｓｔｉｎꎬＵＳＡꎬ１９９５:６４－７１.[９]ＴＡＭＩＮＧＥＲＫＭＢꎬＨＡＦＬＥＹＲＡ.ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＦｒｅｅｆｏｒｍＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎ:ＡＲａｐｉｄＭｅｔａｌＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ[Ｃ].Ｐｒｏｃｅｅｄ￣ｉｎｇｓｏｆｔｈｅ３ｒｄＡｎｎｕａｌＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬＴｒｏｙ:ＳｏｃｉｅｔｙｏｆＰｌａｓｔｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｓꎬ２００３:１－６.[１０]ＡＮＤＥＲＳＳＯＮＬＡＲＳＥＲＩＫꎬＬＡＲＳＳＯＮＭ.Ｄｅｖｉｃｅａｎｄａｒ￣ｒａｎｇｅｍｅｎｔｆｏｒｐｒｏｄｕｃｉｎｇａｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｏｂｊｅｃｔ.ＵＳＰａ￣ｔｅｎｔ２００４/００２６８０７Ａ１ꎬ２００４－０２－１４.[１１]ＭＵＲＲＬＥꎬＧＡＹＴＡＮＳＭ.ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＭｅｌｔｉｎｇ[Ｊ].ＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇꎬ２０１４ꎬ１０:１３５－１６１. 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