金属材料增材制造技术

2016年增刊1879冷加工焊接技术金属材料增材制造技术中车南京浦镇车辆有限公司（江苏210031）周成候李蝉常州大学（江苏213164）吴王平张玉江鹏雷金坤戴兴梦董安宁沈威山东航空股份有限公司青岛分公司（266000）周学超【摘要】随着近些年技术的不断创新与突破，3D打印技术已经在很多行业实现了成功的应用。本文将对金属3D打印技术当中的选择性激光熔化成形、激光直接沉积增材成形、电子束熔丝沉积技术和电子束选区熔化成形金属材料钛合金、镍合金、不锈钢合金、低熔点合金的成形工艺及其特点进行综述。关键词：增材制造；3D打印；金属材料增材制造技术技术，也称为3D打印技术，是采用数字化CAD三维模型出发，借助打印设备将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——切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。用传统的铣、削、锻及电加工制造方法，对成形一些单件小批量、形状复杂的零件存在工艺复杂、制造开发周期长、材料浪费严重等问题，造成制造成本的增加。3D打印技术非常适合制造这种复杂的、小批量的零件，具有工艺简单，综合性能优良，成本较低的特点。3D打印技术还可以大大节省工业样品制作时间，提高原材料和能源的使用效率，减少对环境的影响，大幅降低生产成本，还能使消费者根据自己的需求量身定制产品，还可以加快新产品的研发，尤其是非常复杂结构的产品开发，并解决传统方法无法加工的难题。对于轨道车辆当中的枕梁、转向架构架等复杂结构部件，具有广泛的应用前景。金属3D打印材料的应用领域相当广泛，例如：石化工程应用、航空航天、汽车制造、注塑模具等。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。金属材料增材制造技术一般采用激光、电子束或聚能光束等高密度能量热源进行选区熔化，可方便实现各种难熔、难加工、高活性、高性能金属材料的快速原型制造，在航空航天、军工和医学等高性能复杂零部件领域具有广泛的应用前景。随着高亮度光纤激光的出现，国外金属粉末选区熔化激光精密增材成形技术发展突飞猛进。德国EOSGmbH公司开发的激光选区熔化设备EOSINTM280采用束源质量高的Yb光纤激光器，可大幅提高激光扫描的速度，减少成形时间，其成形零件性能与锻件相当。金属3D打印技术可直接制成终端金属产品，省掉中间过渡环节；零件具有很高的尺寸精度以及低表面粗糙度；适合各种复杂形状的工件，尤其适合内部有复杂异型结构、用传统方法无法制造的复杂工件；适合单件和小批量复杂结构件无模、快速响应制造。目前，复杂金属零件在航空航天、医疗等行业的研究引人瞩目。近几年来，英国、德国、美国等国外发达国家先后开发了钛合金、不锈钢和镍基等合金复杂结构的3D打印装备，并开展应用基础研究。国外著名企业GE、普惠、波音、空客等在航空航天武器装备上已利用此技术开发商业化的金属零部件。国内的金属增材制造技术仍处于起步阶段。虽然华中科技大学、西北工业大学、中航工业北京航空制造工程研究所、华南理工大学等单位曾在设备和工艺方面开展了大量基础理论研究，但该技术工程化应用基础研究非常薄弱。2009年以来，中航工2016第二届轨道交通先进金属加工及检测技术交流会2016年增刊1880冷加工业北京航空制造工程研究所通过与国际著名激光粉末烧结设备制造商——德国EOS公司的技术交流，自主开发建立激光选区熔化增材制造技术平台，研制出一些典型金属结构件，其TC4钛合金力学性能与锻件相当，但仍受到层片扫描轨迹优化设计、应力及变形协调控制等基础问题制约。金属3D打印是属于数字热加工的一项技术，目前制备金属的3D打印技术主要有：选区激光熔化/烧结、电子束选区熔化等。本文将对选择性激光熔化成形、激光直接沉积增材成形、电子束熔丝沉积技术和电子束选区熔化成形金属材料钛合金、镍合金、不锈钢合金、低熔点合金的成形工艺及其特点进行综述。1．金属材料增材制造技术（1）激光选区熔化增材成形技术激光选区熔化成形技术原理是通过把零件3D模型沿一定方向离散成一系列有序的微米量级薄层，以激光为热源，逐层熔化金属粉末，直接制造零件。图1为金属粉末激光选区熔化3D打印技术的基本原理。先将需要的目标零件在计算机上通过CAD技术设计出零件的三维实体模型，然后将三维零件模型转化为3D打印专业的STL文件。然后利用3D打印专用软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的二维轮廓数据，将这些数据导入3D打印设置中，计算机按照设置的扫描方式类型，将二维轮廓之间的封闭区域填充上一定间隙的线条。激光束开始扫描前，先在工作平面装上用于金属零件生长所需的基体-基板，将基板调整到与工作台面水平的位置后，送粉缸先上升到高于铺粉辊底面一定高度，铺粉辊滚动将粉末带到工作平面的基板上，形成一个均匀平整的粉末。利用该技术可以制造出传统方法无法加工的任意形状的复杂结构，如轻质点阵夹芯结构、空间曲面多孔结构、复杂型腔流道结构等。激光选区熔化增材成形技术对原材料的要求：激光选区熔化由于所使用的粉末尺寸小（≤50μm），分层薄（≤0.05mm），因具有很高的尺寸精度（±0.05mm）和表面质量（粗糙度≤10μm），能够实现无余量加工。激光选区熔化精密成形技术可解决复杂金属构件的难加工、周期长、成本高等技术难题，可以加工出传统制造方法无法加工的复杂金属零件。特别适合空间点阵夹芯结构、复杂薄壁结构件直接制造，实现了材料—结构—功能一样体化设计和制造。图1金属粉末激光选区熔化3D打印技术的基本原理（2）激光直接沉积增材成形激光直接沉积技术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。该技术是基于离散/堆积原理，通过对零件的三维CAD模型进行分层处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径，在惰性气体保护环境中，以高能量密度的激光作为热源，按照预定的加工路径，将同步送进的粉末或丝材逐层熔化堆积，从而实现金属零件的直接制造与修复。其原理如图2所示。图3为激光直接沉积过程中熔池的热影响区，从图中可见横截面主要划分三个区域：沉积层、熔覆层和热影响区，层与层之间形成了良好的冶金结合，可显著提高基材表面硬度和耐磨耐腐蚀性等。激光直接沉积技术的特点如下：①无需模具。②适于难加工金属材料制备。③精度较高，可实现复杂零件近净成形。④内部组织细小均匀，力学性能优异。⑤可制备梯度材料。⑥可实现损伤零件的快速修复。⑦加工柔性高，能够实现多品种、变批量零件制造的快速转换。图2激光直接沉积技术原理行2016年增刊1881激光直接沉积过程中熔池的热影响区（3）电子束熔丝沉积成形电子束熔丝沉积技术又称为电子束自由成形制造技术。在真空环境中，高能量密度的电子束轰击金属表面形成熔池，金属丝材通过送丝装置送入熔池并熔化，同时熔池按照预先规划的路径运动，金属材料逐层凝固堆积，形成致密的冶金结合，直至制造出金属零件或毛坯。图4为电子束熔丝沉积成形原理。图4电子束熔丝沉积成形原理（4）电子束选区熔化成形电子束选区熔化技术是指电子束在偏转线圈驱动下按预先规划的路径扫描，熔化预先铺放的金属粉末；完成一个层面的扫描后，工作舱下降一层高度，铺粉器重新铺放一层粉末，如此反复进行，层层堆积，直到制造出需要的金属零件，整个加工过程均处于10-2Pa以上的真空环境中，能有效避免空气中有害杂质的影响。图5为电子束选区熔化技术原理。电子束选区熔化技术有如下特点：①真空工作环境。②电子束扫描控制依靠电磁场，控制灵活，反应速度快。③成形速度快。④良好的控温性能。⑤尺寸精度高。2.金属材料3D打印技术成形材料多样性是粉末激光烧结技术最显著的特点，也成为快速成形技术的发展瓶颈。（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。Mower和Long采用激光熔融制备Ti6Al4V合金，其拉伸变形性能是有限的，由于固有的脆性机制，导致应变失效值仅为1%~4%。DMLSTi6Al4V合金的疲劳强度比锻造合金和退火合金的强度要低，由于DMLSTi6Al4V合金在制备过程中存在缺陷。Gu介绍了采用SLM技术制备TiC/Ti复合材料，纳米TiC颗粒均匀分布在材料中，起到增强相的作用。在激光强度为400J/m时，复合材料中TiC为标准的纳米结构，随着强度增加至600J/m，TiC增强相为超细的叠层纳米结构，可是其分散性有所下降；当激光强度增至1200J/m，TiC增强相显示出连续的网状分布和典型的树脂状形貌。另外，随着线性激光能量密度的增加，复合材料的硬度也随着增加。Rodriguez等介绍了EBM技术制备Ti6Al4V合金，并对其拉伸行为进行了研究，结果表明构件的断裂机制与拉伸应变速率有关，在准静态加载速率下，断开形貌呈现出杯-锥形貌、等轴尺寸的韧窝；然而高速应变加载速率下，剪切断裂，且出现孔洞。Tan等采用EBM技术制备出梯度微观组织结构的Ti6Al4V合金制件，从底部到顶部晶粒尺寸有小变大，等轴晶演变成柱状晶结构，另外其力学性能也呈现出梯度性。（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，随着图5电子束选区熔化技术原理向2016第二届轨道交通先进金属加工及检测技术交流会2016年增刊1882冷加工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。国内外众多科研团队着力于Inconel718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。Inconel625和Inconel738是该系列中另外两种被重点研究和应用的材料。赵宇辉等研究了激光增材制造熔池温度的影响因素对Inconel625镍基高温合金激光增材制造过程的熔池温度进行了测试实验实验测试结果表明，激光增材制造过程熔池温度随着激光功率的增高扫描速度的降低送粉速率的降低，而增高交错扫描的方式加工过程温度平稳扫描间距影响激光增材制造加工过程，温度分布90°扫描转角情况下温度变化幅度最大。Sun等在定向凝固镍基高温合金上激光熔覆Inconel738，从裂纹敏感性的角度着手进行研究。（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。Mower和Long采用DMLS技术制备316L不锈钢，结果显示DMLS316L不锈钢显示较高的韧性，其屈服强度和应变硬化比锻造钢和退火钢要高。Gu采用SLM技术制备多孔361L不锈钢构件，原材料为球形颗粒，平均直径为75um，同时添加0.05~0.1的添加剂——H3BO4和KBF4，可获得多孔的不锈钢制件。Farshidianfar等采用LAM技术制备361L不锈钢制件，采用实时检测激光加热冷却温度，来评价冷却速率对361L不锈钢的物相、微观组织结构、硬度和晶粒尺寸等影响。（4）低熔点金属铝合金的熔点较低，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；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