浅析激光熔覆成形技术的应用及其发展方向
王斌修，田新国
制备技术与机床
摘要:介绍激光熔覆成形技术的原理、特点和应用，对激光熔覆成形技术的国内外研究进展进行综述，指出该技术存在的问题，并对其发展方向进行预测和展望。
关键词:激光熔覆成形无模制造研究现状前景展望
激光熔覆成形技术是20世纪90年代初发展起来的一种集激光技术、数控技术、计算机技术和材料加工技术等于一体的新型先进制造技术。该技术以“离散+堆积”成形的思想为基础，突破了传统去除材料的加工方法，把激光熔覆表面强化技术和快速原型制造技术相结合，实现了三维近终形全密度金属零件的分层增材制造。激光熔覆成形时，首先在计算机上生成待加工零件的CAD模型，然后对CAD模型进行切片处理，将一个复杂的三维零件转变成一系列的二维平面图形，计算机从每一层二维平面图形中获取扫描轨迹指令，控制数控工作台和激光器的运动。加工过程中利用高能激光束在金属基体上形成熔池，将通过送粉装置和喷嘴输送来的金属粉末或预先置于基体上的涂层快速熔化，金属粉末或涂层快速凝固后，在基材表面形成无裂纹和气孔的冶金结合层。该技术能够按照轮廓轨迹逐线、逐层堆积材料直接生成近终形三维实体零件，其工作原理如图l所示。由于激光熔覆成形技术可以直接制造全密度金属零件，该技术逐步成为快速成形加工领域的研究热点和发展方向，具有广阔的应用前景。
除能直接生成近终形三维实体零件外，还具有自身独特的优点:
(l)可以优化成形零件的结构
激光熔覆成形技术通过逐线、逐层堆积材料进行零件成形，零件结构可以得到充分的优化。比如使用这种技术成形塑料注塑模具时，可以在模具的制造过程中，将模具内部的冷却通道一起制作出来，并使冷却通道沿着型芯和型腔的轮廓制造，不但极大提高了冷却效率而且减小了零件的变形，提高了制造精度。
(2)成形零件性能优良
激光具有很高的功率密度，加工过程中熔化和冷却速度极快，使得材料内部的组织得到很好的细化，提高了材料的综合力学性能，能够达到甚至超过传统铸造和锻造方法成形零件的性能。
(3)柔性化程度高，可以进行梯度功能材料的制造
激光熔覆成形技术可以实现零件的无模近终成形，在零件的制造过程中不会产生废水、废气，无边角料而且未熔的金属粉末还可以回收再利用，减少了材料的浪费，缩短了产品的研制周期，具有很高的柔性化程度，尤其适合于单件或小批量复杂形状零件的快速制造。零件在加工过程中采用自动送粉时，可以通过精确控制不同料斗的送粉速度，在零件的任意部位获得所需的组织成分和性能，进行梯度功能材料制造，从而使零件的不同部位具有不同的耐磨、耐腐蚀、耐高温和抗氧化等性能，这是传统的铸造和锻造技术所无法实现的。
此外，激光熔覆成形技术还具有成形零件结构复杂，可加工材料范围广泛，加工时热影响区和基体的变形小等独特的优点，是一种优质、低成本和无污染的先进制造技术，可以广泛应用于复杂零件的直接制造和修复。
激光熔覆成形技术可以在无需支撑的条件下成形具有悬臂特征和复杂内腔的零件，使用这种方法成形模具时，可以在制造过程中优化布置模具内部的冷却管道，实现模具特定区域快速冷却以减小零件的变形，提高模具制造精度。在使用激光熔覆成形技术加工零件时，零件的生产周期可以缩短约20%，降低零件成本，提高制造精度。此外，激光熔覆成形技术还可以用来加工难熔金属、高温合金和金属间化合物等难加工材料。采用锻造和机加工生产带翼肋的整体性补强飞机结构件时，制造周期长，材料利用率低;若采用激光熔覆成形技术加工，不仅制造周期缩短75%，成本降低20%一30%，而且零件性能可以达到甚至超过铸造和锻造材料的标准。
激光熔覆成形技术使用高功率激光进行加工，能量密度高度集中，可以进行难加工材料的成形，加工完成后熔覆材料和基体形成冶金结合，为航空发动机叶片、汽轮机叶片、叶轮，石化行业转子、定子和核阀零件等关键零部件的修复提供了一条崭新的途径。该技术还可以用来修复定向凝固单晶超合金叶片，在降低修复成本的同时而不会降低母材的性能，零件的表面耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能甚至有所提高。
2激光熔覆成形技术的国内外研究进展
从20世纪70年代开始，随着激光熔覆及相关技术的发展，激光熔覆成形技术逐渐成为激光加工领域的研究热点，获得迅猛发展。在这一时期，国内外的众多研究机构进人该领域，并取得了一系列研究成果，其中美国的 LosAlamos国家实验室、Sandia国家实验室和AeroMet公司等所取得的研究成果比较具有代表性。
20世纪90年代中期，美国Sandia国家实验室与UnitedTeehnologiesPratt&Whitney公司展开合作，利用激光近形制造技术，对多种材料的激光熔覆成形工艺进行研究，制造出镍基超合金、钦合金、不锈钢和H13工具钢等零件，成形零件的性能相对于锻造件在强度和塑性方面均有显著的提高，加工精度在x、y方向达到 0.05mm，:方向达到 0.38mm，通过改变粉末的成分使零件的不同部位具有不同的成分和性能，实现了零件的梯度功能制造。sandia还与3M、Honey-well、NASA以及Ford等合作，将激光近形制造技术集成于零件的制造过程中，缩短零件的制造周期，降低零件成本，提高零件的性能。 LosAlamo。国家实验室开发了采用 2kwNd:YAG激光器和五轴数控工作台的DLF系统，在充满氢气的不锈钢手套箱中进行加工，系统中带有粉末回收装置，可以将未熔化的粉末回收，而且还可以输送4种不同成分的粉末实现功能梯度材料的制造，零件的表面粗糙度可以达到10协m，精度达士 0.12mm。AeroMet公司采用激光熔覆成形工艺进行航空钦合金零件的成形制造和修复，为洛克希德马丁公司生产的F一22支架，为波音飞机公司生产的F/A- 1SE/F机翼连接板和降落连杆等均已达到航空零件的J性能要求。这些采用激光熔覆成形技术制造的钦合金零件不仅疲劳寿命大大超过传统工艺制造的零件，而且零件的成本降低了20%一40%，制造周期也缩短了80%。
国内在激光熔覆成形技术方面的研究起步始于20世纪90年代末，西北工业大学凝固技术国家重点实验室、中国有色金属研究总院、清华大学和北京航空航天大学等单位相继在该领域展开研究，并在快速成形理论、工艺、设备和材料等各方面取得阶段性成果。如清华大学开发了应用于激光熔覆成形的同轴送粉系统;中国有色金属研究院、西北工业大学和北京航空航天大学均采用不同的合金制成了具有一定形状的激光熔覆成形件;西北工业大学在快速成形组织的定向凝固及力学性能、快速成形工艺等方面进行了大量的研究[8]。
随着激光技术和测控技术等学科的进步，激光熔覆成形技术在成形理论、硬件和软件系统等方面均得到快速发展，应用范围不断扩大，零件成形质量和性能不断提高。
3激光熔覆成形技术存在的问题和发展方向
经过国内外学者和研究机构多年的不懈努力，激光熔覆成形技术在梯度功能材料、超硬材料和金属间化合物零件的快速制造以及大型模具的快速直接制造，航空航天、武器装备、医疗器械等的高性能特种零件和民用领域中的高精尖复杂零件的制造和修复方面获得较为广泛的应用。但是，要使激光熔覆成形技术实现大规模工业化应用，还需要对以下几个方面进行进一步研究。
(l)进一步加强成形理论的研究。现有的激光熔覆成形理论模型多是借助于激光熔覆表面强化理论，涉及快速凝固方面的理论还不够完善，激光熔覆成形组织形成规律及组织性能控制等方面还没有完善的理论做指导，导致在复杂零件的成形过程中无法全面考虑熔池的传热及材料的热物性变化等，影响了零件的成形准确性。
(2)控制微裂纹，提高成形质量。目前，激光熔覆成形零件的成形质量和精度较低，成形零件大多属于近终件，很多情况下仍需进行精加工才能使用。另外，金属零件在激光熔覆成形过程中容易产生微裂纹，想要大力发展激光熔覆成形技术，实现其大规模工业化应用，微裂纹问题就成为一个巫待解决的关键问题。
(3)加强激光熔覆成形技术在梯度功能零件制造
上的研究和应用。激光熔覆成形技术可以制造传统方法难以加工甚至不能加工的复杂零件，而且零件的不同部位可以分部采用不同的成分进行制造，从而得到局部增强结构和梯度功能材料，在航空航天、武器制造和机械电子等行业具有广阔的应用前景。但目前激光熔覆成形中可以使用的材料种类较少，缺乏专用材料，限制了该技术在梯度功能零件制造上的应用。另外根据所需的成形性能定性甚至定量地设计合金的成分，并根据不同的工况条件设计不同形状的材料，同样成为未来的研究方向之一。
(4)揭示和研究激光熔覆成形多源复杂祸合信息作用的规律及决策机制。在激光熔覆成形过程中，汇聚了制造装备、零件、工艺以及执行过程等多方面的信息，如激光功率、功率分布、扫描速度、光束直径、熔池—印川dR娜绍邃温度场分布、外部环境影响、有无辅助气体及种类、成形材料特性等因素，这些因素成为激光熔覆成形高精度制造必须考虑的关键信息，揭示和研究激光熔覆成形过程中多源复杂祸合信息的复合作用规律及决策机制，是高精度、高质量激光熔覆成形加工的技术基础。
4结语
随着大功率激光技术、测控技术、材料加工技术和其他相关技术的进步，激光熔覆成形技术必将以其独特的技术优势和巨大的发展潜力，在复杂零件制造及修复、航空航天、武器和医疗器械制造等领域获得广泛的应用。
参考文献略
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