张永忠 石力开 章萍芝 徐 骏
(北京有金属研究总院 北京 100088)
摘 要 金属粉末的激光快速成型技术是集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体的先进制造技术，是传统加工成形方法的重要补充。本文系统介绍了金属粉末激光快速成型的原理、系统组成及最新研究进展，并对其发展前景进行了展望。 关键词 金属粉末 激光熔覆 快速成型
中图法分类号:TH16,T G24,T P13 文献标识码:A 文章编号:10022185X(2000)0620361205
1 引 言
快速成型技术(R P,R ap id P ro to typ ing)是从1987年开始发展起来的一种先进制造技术。该技术最初用来制造铸造用模型，后来发展到制造原型零件，主要用于模型或零件的直观检验，其关键是要求形状准确，而对其力学性能没有太高的要求，所采用的成型材料主要有液体光敏树脂、蜡、纸等替代材料。目前，美国、日本、德国已相继开发出多种快速成型技术，如液体光敏树脂固化、熔融沉积成型、实体叠
层制造、分层固化、选择性激光烧结、3D喷射印刷等技术[1～5]。该技术在无需任何硬质工模具的情况下，可直接从计算机三维设计制造出实体零件，在机械制造等众多领域已得到广泛应用。
近年来，快速成型技术有了新的发展，已开始在金属材料、陶瓷材料的制备上得到应用，其主要目标是快速制造出满足使用性能的致密的金属零件。
传统的快速成型方法成型金属零件时，多采用树脂包覆的金属粉末作为原材料，通过激光扫描使树脂熔化将金属粉末固结在一起；也可采用喷射粘结剂的方法将松散的金属粉末粘结成型。在成型后要经过脱粘、浸渗塑料、低熔点金属或铜来加强，可制成镶块用在塑料注射模和压铸模中。如脱粘后经热等静压处理也可制成致密金属零件，但难以保证零件的尺寸精度[6,7]。目前，金属零件的快速成型方法主要有间接激光烧结[8]、直接激光烧结和液滴喷射沉积[9]，其中直接激光烧结技术是目前快速制备致密金属零件的主要技术。本文将着重介绍基于金属粉末的直接激光烧结技术的最新进展情况。
2 成型原理
快速成型技术是一种基于离散 堆积成型原理的新型数字化成型技术。该技术利用CAD软件设计出零件的三维实体模型，然后根据具体工艺要求，按照一定的厚度对模型进行分层切片处理，将其离散化为一系列二维层面，再对二维层面信息进行数据处理并加入加工参数，生成数控代码输入成型机，控制成型机的运动顺序完成各层面的成型制造，直到加工出与CAD模型相一致的原型或零件[10,11]。
直接激光烧结技术基于一般快速成型原理，采用中、大功率激光器熔化同步供给的金属粉末或细丝，在沉积基板上逐层堆积而形成金属零件，其实质是计算机控制下的三维激光熔覆。激光束或沉积基板的运动通过实体模型(由CAD产生)经切片分层处理后形成的二维平面信息来控制，零件成型的关键在于精确连续地供应粉末，并控制金属粉末的熔化及随后的凝固过程，保证一定的熔池形状(熔池尺寸小且稳定)和连续的固 液界面，使得成型过程保持连续和一致[12]。
3 系统组成
金属粉末的激光直接快速成型系统主要由软件
第29卷 第6期2000年 12月
稀有金属材料与工程
RA R E M ETAL M A T ER I AL S AND EN G I N EER I N G
V o l.29,N o16
D ecem ber2000
收到初稿日期:1999212209；收到修改稿日期:2000207226
基金项目：国家“863”计划(8632715201420130)和国家“973”计划资助项目(G200006720521)
作者简介：张永忠，男,1970年生，博士，北京有金属研究总院复合材料中心，北京100088，电话:01026201448822821,E2m ail: yyzhang@inm
系统、激光器、数控系统及工作台、粉末输送系统及保护气氛装置组成(如图1)[13～15]
。
图1 金属粉末激光快速成型系统组成示意图
F ig 11Schem atic diagram of laser rap id p ro to typ ing
system based on m etallic pow ders
软件系统主要包括造型、数据处理及工艺监控3部分。造型软件负责完成零件的三维CAD 造型设计，并生成STL 文件格式，目前R P 所使用的造型软件主要有P ro E ,U n igraph ics ,So lid W o rk s ,A u toCAD 等，快速成型也可使用CT ,M R I 扫描数据及三维数字化系统创建的模型数据；数据处理软件负责对模型的STL 文件数据进行诊断检验及修复、插补、显示、分
层切片，完成轮廓的偏置、扫描路径生成、填充线的优化、支撑的生成及加入加工参数等；工艺监控软件负责数据处理所生成的数控信息对成型系统运动的控制，完成成型制造过程[16,17]。
激光器提供成型时金属粉末熔化所需的能量，目
前主要使用CO 2激光器和N b ∶YA G 固体激光器。金属粉末快速成型所使用激光器的功率一般在几百瓦到几千瓦，激光功率的大小及金属粉末对激光的吸收将影响成型的速度。数控系统及工作台实现成
型时的运动扫描、z 轴的升降，在工艺监控软件支持下完成对激光器开关、激光功率大小、扫描运动速度、送粉器开关、送粉量及保护气等的控制和调节，实现激光功率密度、扫描速度、送粉量之间的相互匹配，完成零件的制造，为保证成型零件质量，最好能实现对成型
过程的闭环控制[13,18]。
稳定可靠的粉末输送系统是金属零件精确成型的重要保证。粉末输送的波动将使成型过程失去平衡，并最终可能导致零件制备的失败。送粉系统由送粉器及送粉喷嘴组成，目前送粉器主要是采用等离子喷涂用送粉器，利用载气来输送粉末，送粉量通过调节送粉转盘的转速来控制，具有较高的送粉精度及稳定性，但由于载气流量大，粉末运动速度过高，而降低了粉末的沉积率。针对激光熔覆时粉末流量较低的特点，已开发出专门的送粉器[19]。送粉方式有侧向送粉和同轴送粉，因同轴送粉能克服因激光束和材料引入的不对称而带来对扫描方向的限制，而在金属粉末快速成型系统中得到较多采用，图2a 为激光头周围多个(一般为4个)喷嘴的同轴送粉装置[20]，图2b 为通过共形截面锥来实现同轴送粉的喷嘴示意图[21,22]。一般将同轴送粉装置与激光头固定在一起，完成z 轴运动，且送粉喷嘴与光头(光斑)相对位置可以调节
。
图2 同轴送粉喷嘴
F ig 12Coaxial pow der feeding nozzles :(a )M ulti -nozzle coaxial pow der feeding system and
(b )Schem atic diagram of a coaxial pow der feeding nozzle
保护气氛系统是为防止金属粉末在激光成型过程发生氧化，降低沉积层的表面张力，提高层与层之间的浸润性，同时有利于提高工作安全。为防止金属的氧化，可采用专门设计的粉末输送系统[23]或在一密闭的手操箱内成型(一般要求氧含量低于1×10-5)[14,15]。
4 研究进展
快速成型技术经过十几年的发展，正逐步走向成熟，在提高零件成型精度、减少制造时间、降低制造成本等方面取得了显著进展。目前，快速成型在原型
・263・稀有金属材料与工程29卷
和模型的制造方面，已成为一种不可替代的先进制造技术。据W ho lers 统计报道，到1998年全世界已有3300多台快速成型设备投入使用[24]。与此同时，利用快速成型系统进行工模具制造及陶瓷材料的成型也得到了很大发展[25,26]。近年来，随着大功率激光器的出现，使得采用快速成型方法直接制造金属零件成为可能，近几年来，美国、德国、日本等国家的研究机构及大学在政府资助下对此进行了广泛研究。
美国Sandia 国家实验室在能源部支持下，与A l 2lied Signal Inc .,Eastm an Kodak Co .,H asb ro Inc .,L aser Fare Inc .等合作，研制开发出一种称作L EN S (L aser Engineered N et Shap ing )的金属零件快速成
型技术，可直接由CAD 固体模型制造出致密金属零件。该方法采用一种环形粉末喷嘴(图3a )，克服了
因
激光束和材料引入的不对称而带来对扫描方向的限制，所用激光器为N d ∶YA G 固体激光器，并采用该方法已成功制造了316,304不锈钢,625,690,718镍基高温合金,H 13工具钢,T i 26A l 24V 钛合金以及镍铝金属间化合物零件，零件致密度达到近乎100%，组织具有快速凝固特征，性能较常规方法略有提高(见表1)[12,27]。
图3b 为采用L EN S 制得的316不锈钢件，零件长150mm ，沿长度方向按每毫米扭曲1°设计，所制零件末发生变形[28]。此外，还采用该方法制备了3162304不锈钢、304不锈钢2A 690合金梯度材料零件，显示出其在功能梯度材料制备方面的独特优势[15]。目前,Op tom ec D esign Com pany 专门从事该技术的商业开发
。
图3 L EN S 沉积过程(a )及所制备的零件(b )
F ig 13L EN S depo siti on p rocess (a )and the fabricated part (b )
表1 L ENS 方法所制造拉伸试样的力学性能数据
Table 1M echan ical properties of L ENS manufactured
ten sile spec i m en s
M aterial P lane o rientati on
w ith respect to tensile directi on Λm U lti m ate
strength
M Pa
Y ield
恒温酒窖
strength M Pa E longati on
%316SS
<48Perpendicular 79344866150～47Perpendicular
79344851<47Parallel 80759333A nnealed bar 58624150Inconel 625
150～47Parallel 93163438150～47Perpendicular 93151737A nnealed bar
834
400
40
美国L o s A lam o s 国家实验室同样在能源部支持下，与Syn the M et 合作，基于与L EN S 相似的原理，发展了称作DL F (D irected L igh t Fab ricati on )的金属零件快速成型技术，进行了铝基、铁基、镍基材料，铼、铱、钽、钨等难熔金属，不锈钢、工具钢、银2铜合金，钛合金,N i A l ,M o 5Si 3等材料的零件直接成型研究,
性能与常规方法相当[14,29～31]。采用1k W 左右的N d
∶YA G 激光器和同轴粉末输送系统，沉积速率12
c m 3
h ，表面粗糙度与熔模铸造相当。图4为DL F 方
法所制316不锈钢薄板的截面组织及沉积示意图，其锯齿状组织是由于沉积时激光的往复扫描及沉积层的外延生长造成的，同时可以看出，所得零件组织致密，在每一扫描层之间有约2Λm 厚的热影响区。并通过二次枝晶臂间距计算出成型过程中的平均冷速为,
杆:102K s ，板:104K s [29]
。目前,Syn the M et 正致力于该技术的商业开发。
美国A reoM et Co rp .与John Hopk in s U .,Penn State U .,M T S System s Co rp .合作，在D efen se A d 2vanced R esearch P ro jects A gency 及O ffice of N aval R esearch 联合资助下，采用14k W 的CO 2激光器和稳定的快速供粉系统，发展了钛合金(T i 25A l 2215Sn ,T i 26A l 24V )的柔性制造技术，其工作空间为3m ×3m ×112m ，产品达到近终形，成份和力学性能均达到
A STM 标准
。采用该系统可进行大型钛合金结构件的快速制造，可显著降低制造时间及成本，同时可制备功能梯
度材料及进行大型金属零件的修复[32]。
・
363・6期 张永忠等：基于金属粉末的激光快速成型技术新进展
图4 DL F方法所制316不锈钢薄板的截面组织(a)及沉积示意图(b)
F ig14C ro ss-secti onal m icro structure of the type316stainless steel p late fabricated
by DL F(a)and schem atic of the DL F p rocess(b)
Stanfo rd大学将去除法和添加法结合在一起，形成自己的形状沉积制造技术(Shap e D epo siti on M an2 ufactu ring)，所用材料包括成形材料和支撑材料，所成型的零件具有很高的精度[32]。此外,U n iversity of Cen tral F lo rida,U n iversity of M ich igan，德国的F raunhofer In stitu te fo r P roducti on T echno logy,U2 n iversity of B ir m ingham等在政府资助下，研究了不锈钢、H13工具钢、镍基合金、金属间化合物、生物陶瓷、复合材料以及功能梯度材料零件的近形制造[33～35]。
5 展 望
综上所述，金属粉末的激光快速成型技术集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体，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，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。所成型零件致密度高，具有快速凝固组织特征，能满足直接使用要求，在航天器件、飞机发动机零件及武器零件的制备上具有广阔的应用前景。此外，还可以通过改变成型材料，得到不同部位由不同材料组成的零件，与材料设计相结合，可发展材料的智能制备系统。我国清华大学、西安交通大学、华中理工大学、北京隆源自动成形公司等相继开展了快速成型理论、工艺方法、设备、软件、材料等方面的研究，并在工业造型设计、新产
品样件制造、快速注塑模具及压铸模制造中得到应用，但采用快速成型方法直接制备致密金属零件方面的工作还没有真正开展，因此需大力加强对该技术的研究。
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The Newest Advance i n La ser Rap id Form i ng of M eta ll ic Powders
Zhang Yongzhong ,Sh i L ikai ,Zhang P ingzh i ,Xu Jun
(General R esearch Institute fo r N on 2ferrous M etals ,Beijing 100088)
Abstract L aser rap id p ro to typ ing based on m etallic pow ders is a new m anufacturing techno logy ,w h ich com bines w ith computer aided design ,laser cladding and rap id p ro to typ ing .T he depo siti on m echanis m ,depo siti on system as w ell as the new est advance in th is techno logy are p resented .Som e p ro spects are also p redicted .Key words m etallic pow der ,laser cladding ,rap id p ro to typ ing
B i ography :Zhang Yongzhong ,Ph .D .,Center fo r Compo sites ,General R esearch Institute fo r N onferrous M etals ,Beijing
100088,T el :008621026201448822821,E 2m ail :yyzhang @m ail
.grinm ・
563・6期
张永忠等：基于金属粉末的激光快速成型技术新进展
