激光直接金属快速成形技术的研究进展
张安峰, 李涤尘, 卢秉恒
兵器材料科学与工程
摘 要: 激光直接金属快速成形技术既是快速成形基本原理与激光加工技术精华的集成, 又是快速成形领域研究与发展的必然趋势。系统地介绍国外 5 种和国内 3 种最具有代表性的激光直接金属快速成形技术的最新研究进展, 分析这几种技术的主要优点和不足之处, 指出其目前存在的问题和今后主要的研究方向。研究表明, 金属零件激光直接快速成形工艺具有常规制造方法无法比拟的优势, 在航空航天、能源动力、机电工程、仪器仪表、军事武器装备及医疗卫生等领域都具有广阔的应用前景。
关键词: 直接金属成形; 激光熔覆; 快速成形技术; 综述; 金属材料
激光直接金属快速成形技术 (Laser direct metal rapid prototyping and manufacturing, LDMRPM) 是快速成形技术要实现的最重要目标之一, 能直接或间接制造具有完全使用功能的金属零件和模具, 已成为快速成形技术发展的必然趋势。受成形原理与工艺设备的制约, 快速原型制造技术还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; 要想采用现有的快速成形技术获得最终功能性零件, 一般需要以这些原型为基础, 借助于其它技术和经过非常繁琐的工艺才能制造出最终的金属零件, 不仅成本高, 而且制造周期长, 精度损失严重, 大大削弱了制造企业采用快速成形技术来“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。大大限制了该项技术在现代装备制造业中的推广应用。因此研究复杂形状结构金属零件和模具的直接快速成形技术, 提高制造企业在复杂结构金属零件和模具方面的制造能力, 已经成为国际上快速成形技术发展的必然趋势。在制造业这样的发展背景下, 激光直接金属快速成形制造技术应运而生, 迅速成为快速成形领域内最有发展前途的新型制造技术。
1 原理与特点
激光直接金属快速成形技术融合了快速成形技术和激光熔覆技术, 以“离散- 堆积”、“添加式制造”的成形原理为基础。首先在计算机中生成最终功能零件的三维 CAD 模型; 然后将该模型按一定的厚度分层切片, 即将零件的三维数据信息转换为一系列的二维轮廓几何信息, 层面几何信息融合成形参数生成扫描路径数控代码, 控制成形系统采用同步送料激光熔覆的方法按照轮廓轨迹逐层扫描堆积材料; 最终形成三维实体零件或仅需进行少量加工的近形件。国内外各研究单位对激光直接金属快速成形技术有不同的命名,但实质上是一样的。激光直接金属快速成形技术是将现有的快速成形技术推进到直接成形功能性金属零件的新水平, 是快速成形基本原理和激光加工技术精华的集成[1]。
从激光直接金属快速成形技术的原理可以看出,该技术与 RP 技术的基本思路是一致的, 其实质就是CAD 软件驱动下的激光三维熔覆过程。因此, 它除了具有与快速原型技术相同的特点之外, 还具有一些独特的优点[2-3]: 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零件; 4) 可在零件不同部位形成不同成分和组织的梯度功能材料结构, 不需反复成形和中间热处理等步骤; 5) 激光直接制造属于快速凝固过程, 金属零件完全致密、组织细小, 性能超过铸件; 6) 近成形件可直接使用或者仅需少量的后续机加工便可使用。
2 国外研究进展
2.1 LENS 制造技术
20 世纪 90 年代中期, 美国联合技术公司(UTC)与美国桑地亚国家实验室(Sandia National Laboratories) 合作开发了使用 Nd: YAG 固体激光器和同步粉末输送系统全新理念的激光工程化净成形技术(Laser Engineered Net Shaping, LENS)[4-5], 成功地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直接快速成形技术, 使 RP 进入了激光近形制造的崭新阶段。LENS 系统主要由连续 Nd: YAG 固体激光器、可调气体成分的手套箱、多轴计算机控制定位系统和送粉系统 4 部分构成。其中 Nd: YAG 激光器功率 700 W, 波长 1.064 !m, 此波长有利于金属元素吸收激光热辐射, 使用 150 mm 焦距的平凸透镜把激光束聚焦到加工平面上; 数控运动系统可以灵活地加工复杂的零件; 为了克服侧向气体送粉对扫描方向的限制, Sandia 开发了一种环形粉末喷嘴, 送粉装置的独特设计可以通过控制水平轴的转速来实现送粉量的精确调节; 为避免加工过程中金属材料与空气中氧、氮等元素发生反应, 整个加工过程均在由惰性气氛保护下的手套箱中进行。
Sandia 实验室对多种材料的 LENS 工艺进行研究, 所使用的材料包括镍基高温合金、钢、钛合金、钨等。与传统制件相比, 在塑性没有损失的情况下, 采用LENS 工艺制造的近形金属件的强度显著提高。通过调整工艺参数, 成形件的最小特征尺寸可达 0.76 mm;制造的近形件与 CAD 模型的设计公差仅为 0.002~0.015。通过调节送粉装置, 逐渐改变粉末成分和送粉速度, 在一个零件中实现了材料成分的连续变化, 表明LENS 工艺在加工异质材料 ( 功能梯度材料、复合材料)方面具有独特的优势, 为合理化设计零件提供了一个灵活的实现手段。为了了解 LENS 加工过程中热影响区的温度梯度状况对成形材料性能和几何外形的影响, Griffith M L[6]等人采用红外热成像仪记录了 LENS工艺中热影响区的温度场分布, 并利用高速摄影的方法测量热影响区的温度梯度和等温线分布, 通过监控LENS 工艺中的热信号在现场中实时校准测量仪器,并结合传感器和反馈算法实时调整参数、控制零件的制造过程。但美中不足的是该实验室的制件成形效率较低, 其堆积速率仅为 8 cm3/h。
2.2 DLF 制造技术
美国 Los Alamos 国家实验室在美国能源部的支持下, 与 SyntheMet合作开发了“直 接 光 学 制 造(Directed Light Fabrication, DLF)”的金属零件快速成形技术[7-8]。DLF 在金属零件的成形原理上和 LENS 基本相同, 不同之处在于所使用的激光器功率、沉积速率、层面扫描路径的数据存储格式以及数控机床的可动轴数不同。LENS 技术是在计算机中建立 CAD 模型后, 把模型离散成无数的三角形面片, 存为 STL 格式文件, 然后再分层切片, 生成层面扫描路径几何信息;而 DLF 工艺是直接由 CAD 模型分层获得数控加工路径格式的文件, 避免了生成庞大的 STL 文件时所产生的数据冗余和错误, 提高了零件成形的效率和精度[9-10]。DLF 功率为 2 kW 的 Nd: YAG 固体激光器, 采用同轴送粉系统, 沉积速率为 12 cm3/h。DLF 的数控机床采用五轴联动, 即工作台可沿 x、y 方向水平运动, 同时可以在 x- y 平面内围绕 z 轴转动以及相对于 z 轴进行倾斜; 此外, 激光头还可在 z 方向上垂直运动。DLF的加工过程也是在充满保护气体的氩气手套箱中进行, 氩气循环使用的过程中通过一个真空干燥器, 用来保持 O2和 H2O 的含量小于 0.000 5%; DLF 还有一个未熔金属粉末的回收再利用装置。DLF 技术通过调整激光功率和扫描速度, 可以使单层熔覆厚度控制在0.3~2.5 mm 范围内, 而成形零件的精度可以控制在±0.12 mm 范围内, 表面粗糙度约 10 !m。采用 DLF 工艺不仅可以直接成形具有复杂内部孔腔结构的金属零件, 而且可以完成用传统方法无法胜任的金属零件的近形制造。此外, DLF 独特的五轴运动系统和可以同时输送四种不同成分粉末的送粉装置使 DLF 在加工高致密度、异质材料方面表现出显著的优越性。
2.3 SDM 制造技术
美国 Stanford University 和 Carnegie Mellon Uni-versity 合作开发了形状沉积制造技术 (Shape Deposi-tion Manufacturing, SDM)[11-12]。SDM工艺把增材制造和减材制造相结合, 并且在沉积制造过程中使用了牺牲支撑结构。SDM工艺最大的特色在于融入了实体自由制造、焊丝沉积和层面数控平整加工的激光多层熔覆技术, 采用 2.4 kW Nd: YAG 激光器加工致密金属零件, 材料沉积速率约 30 g/min, 沉积过程中使用焊炬熔化金属丝形成熔滴并凝固在基材上, 这样逐点、逐线、逐层熔凝金属材料, 在沉积完每一层后都进行表面和侧面轮廓的机加工, 直至加工出整个零件。但是成形过程中需要生成轮廓加工文件即增加了计算机程序的复杂度。其次, SDM与 LENS、DLF 等不同之处在于使用了支撑结构, 这样不必借助于 5 轴或 6 轴运动控制系统就能够实现悬垂结构件的加工; 当加工金属零件时,通常使用铜来作为支撑结构, 当成形完毕后可以很容易地用硝酸去除铜等支撑结构; 支撑结构使得 SDM在加工全装配机构和具有复杂内部特征的零件等方面表现出独特的优势。
2.4 DMD 制造技术
美 国 密 歇 根 大 学 (University of Michigan)Mazumder 等人研究开发了直接金属沉积技术(DirectMetal Deposition, DMD)[13-14], 融合激光、传感器、计算机数控平台、CAD/CAM软件、熔覆冶金学等多种技术的闭环控制 DMD 系统, 能够制造出适于直接应用的金属零件。DMD 与 LENS 的主要区别在于 DMD 能实时反馈控制熔覆层高度、化学成分和显微组织。DMD成形材料的种类范围很广, 包括不锈钢、工具钢、镍基合金以及其它高温合金等, 材料沉积速度可以达到 4cm3/min。 1998 年 美 国 Michigan 大 学 成 立 了 POM(Precision Optical Manufacturing) 公司, 专门从事 DMD技术在商业和国防等领域的应用推广工作。POM公司开发的最新设备 DMD5000 使用 6 kW CO2激光器, 最大扫描速度达到 170 mm/s, 加工零件体积范围为 1 m×0.5 m×0.5 m, 采用 5 轴数控加工中心, 可以灵活沉积金属粉末以成形复杂的功能零件。
2.5 CMB 制造技术
德国弗朗和夫生产技术研究所 (Fraunhofer Insti-tute for Production Technology) 融合材料添加和去除方法开发了控制金属堆积技术(Controlled Metal Buildup, 简称 CMB)[15]。该技术的原理与 LENS/DLF 相似, 但不是用金属粉末而是用基于激光沉积焊接技术的金属焊丝作为原材料, 并在 CMB 系统上配备了铣切装置, 在扫描沉积了一层后, 利用铣切来加工每一层的表面轮廓使之平整, 这样就改善了零件的精度和表面粗糙度。在制造不锈钢零件时, 可以达到 100%的致密度。CMB 可加工体积为 600 mm×600 mm×600 mm, 加工精度为±0.02 mm。
此外, Xue 等人在铸态 IN- 738 高温合金上利用激光固化技术堆积 IN- 738 合金, 发现二者之间为完整的冶金结合, 超细的定向柱状晶沿堆积方向向上生长。经固溶时效处理后, 堆积部分合金的室温抗拉强度为1 270 MPa, 较铸态提高 15%, 结合处强度为 900 MPa,垂直方向的伸长率是铸态时的 3～4 倍, 水平方向的伸长率不低于铸态。在 1 010 ℃、55 MPa 的载荷作用下,堆积合金的平均屈服寿命为 423 h, 较铸态时提高 1.5倍[15]。M. Gaumann 等利用激光外延生长技术修复航空航天发动机用的高温镍基合金单晶叶片, 修复后的叶片保持完好的单晶性能, 而且取向与原叶片部分完全一致[16-17]。
3 国内研究进展
3.1 基于 LENS 原理的 LSF 制造技术的研究西北工业大学凝固技术国家重点实验室黄卫东教授, 在快速原型技术的基础上提出了激光立体成形(Laser Solid Forming, LSF) 技术的研究思路, 并开展了前期探索性研究。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, 开展了基于 LENS 原理的金属材料激光直接成形技术研究[18-19]。激光直接快速成形系统由 Rofin- Sinar RS850 5 kW CO2横流激光器、LPM-408 5 轴 4 联动数据工作台、LRF855 激光成形专用工作台、简易防氧化保护箱、JSF21 高精度自动送粉器和自行研制的侧向送粉喷嘴五部分组成。研制的五轴联动专用激光快速成形机可成形最大零件尺寸为 600mm×400 mm×400 mm; 配备进口氧含量监测仪, 工作时室内充惰性保护气体, 氧含量≤0.015%; 数控系统采用 SIEMENS 840D。在建立系统的同时, 针对镍基高温合金、不锈钢、钛合金等材料的成形工艺特性进行了大量的工艺实验。通过对工艺参数进行优化, 获得了形状较为复杂的激光立体成形金属零件, 成形件外形规整无缺陷, 表面质量良好。
在国家“863”计划支持下, 北京有色金属研究总院张永忠等从 1998 年开始开展了基于 LENS 原理的金属材料激光直接成形工艺的研究, 建成了金属零件激光快速成形的专用系统[20-21], 针对锡青铜、不锈钢、镍基高温合金及复合粉末等材料的激光熔覆快速成形开
展了相关研究工作。激光快速成形系统主要由软件系统、2 kW 横流 CO2激光器、四联动数控工作台( 工作空间为 500 mm×500 mm×500 mm)、同轴送粉系统及保护气氛装置等组成, 应用该系统成功制备出具有一定复杂外形的零件, 所制零件组织致密, 成分均匀, 具有快速凝固组织特征, 力学性能与铸造及锻造退火态零件相当, 可满足直接使用的要求。
3.2 基于 DMD 原理的 LRFM 制造技术的研究
清华大学激光加工研究中心钟敏霖针对镍基合金和钨基合金等材料, 研究了基于直接金属沉积(DMD)原理的激光快速柔性制造技术[22-23](Laser Rapid &Flexible Manufacturing, LRFM)。 LRFM 系 统 采 用RPC3000 3 kW CO2激光器、数控工作台以及正压式气动送粉器和自行研制的 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。该研究中还率先在国内进行了激光制造过程的实时检测与闭环控制研究, 提高了激光熔覆快速制造零件的精度, 保证了制造过程的稳定性。应用 LRFM系统制造了具有一定复杂外形和机械强度的合金零件, 如 973 项目“天体高能辐射的空间观测与研究”子课题中一种新型的太空硬 X 射线调制望远镜准直器。由于该零件材料为高熔点、高密度钨基合金,呈薄壁圆筒状结构, 且内含筋板, 因此用传统制造技术是极难制造的。
天津工业大学激光技术研究所杨洗陈等研究了以激光熔覆为修复技术平台并融合快速原型等先进制造技术理念的激光再制造技术 (Refabricating Technolo-gy)[24-25], 搭建的再制造系统中融入了较有特色的红外温度监控系统与熔覆层高度红外双色检测控制系统,提高了成形过程的可控性和成形零件的精密性; 针对镍基、铁基、钴基等粉末材料进行了重大装备和模具修复等工业应用实例的研究工作, 已将此技术用于冶金轧辊、拉丝辊的修复, 石油行业的采油泵体、主轴的修复, 铁路、石化行业大型柴油机曲轴的修复, 均收到良好的效果, 展现了激光多层熔覆金属粉末在激光修复领域广阔的工业应用前景。
3.3 基于 SDM 原理的 MPLS 制造技术的研究
中国科学院沈阳自动化研究所将材料去除加工和堆积加工的原理相结合, 开展了基于形状沉积制造(SDM) 原理的金属粉末激光成形技术 (Meta PowderLaser Shaping, MPLS) 的研究工作[26-27]。开发了新型的同步送粉工艺, 构建了附带层面磨削机构的金属零件激光快速成形专用实验系统。MPLS 系统设计主要包括五个组成模块: 激光能量供给模块、数控工作台模块、计算机控制模块、磨平机构模块和金属粉末送给模块; 其中激光发生器属于横流、管板式、多模 CO2激光器, 波长为 10.2 !m, 最大输出功率为 2 kW; 数控工作台行程范围为 200 mm×200 mm×200 mm, 重复定位精度为±0.02 mm; 磨平机构模块用于每加工一层进行一次磨平处理, 从而有效地去除表面缺陷, 提高表面精度与尺寸精度, 使后续加工得以顺利进行。MPLS 系统在以材料添加成形为特征的快速成形技术中引入材料去除成形, 通过优势互补, 使其更具特色。研究了不锈钢、镍基合金和钴基合金三种金属材料的加工工艺, 并成功地制备出具有一定复杂外形且能满足直接使用要求的金属零件。
北京航空航天大学、南京航空航天大学、华中科技大学等高等院校也先后进行激光直接成形工艺的研究, 取得了一定研究成果, 并且已开始形成规模。
4 应用前景与研究重点
激光直接金属快速成形技术是集计算机辅助设计、数控技术、激光熔覆、快速成形、材料科学于一体,在无需任何硬质工模具或模型的情况下, 能快速制备出不同材料的复杂形状零件, 缩短制造周期, 节省材料, 降低成本, 增强产品竞争优势, 特别有利于复杂形状、多品种、小批量零件的生产。所成形零件致密度高,具有快速凝固组织特征, 零件的耐腐蚀性和力学性能达到或超过常规铸造或锻造零件的性能, 能满足直接使用要求, 在航空航天、能源动力、机电工程、仪器仪表、军事武器装备及医疗卫生等领域都具有广阔的市场需求与应用前景。激光直接金属快速成形技术的应用范围主要包括: 特种材料复杂形状金属零件直接制造; 模具内含热流管路和高热导率部位制造; 模具快速制造、修复与翻新; 表面强化与高性能涂层; 敏捷金属零件和梯度功能金属零件制造; 航空航天重要零件的局部制造与修复; 特种大型复杂金属零件制造; 医疗器械的制造与人体骨骼的再造修复等。
今后激光直接金属快速成形技术研究工作的重点应在以下几个方面: 1) 研究提高激光熔覆制造金属零件的尺寸精度和形状精度的有效方法; 2) 进一步研究激光熔覆制造过程中关键工艺因素的实时检测与闭环控制; 3) 激光直接金属快速成形制造过程的计算机数值模拟和理论模型的建立; 4) 研究激光熔覆添加和铣切去除方法相结合的激光直接金属快速成形技术;5) 研发适用激光直接金属快速成形制造的新型合金粉末材料体系, 并建立其优化粉末材料的工艺参数库,为大规模应用打下基础; 6) 研究激光直接快速制造金属零件的成形精度与成形速率之间的最佳匹配原理;7) 加快激光直接金属快速成形制造设备及其配套软件的研制, 促进典型零部件直接金属快速制造技术的研究; 8) 开发可靠性高、送粉位置准确而稳定的送粉系统, 目前送粉装置主要为刮板式和螺旋式送粉装置,存在出粉量不均匀的缺陷。
参考文献略
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