選擇性激光熔化

1、· 近年來誕生了選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）金屬粉末的快速成型技術(shù)，用它能直接成型出接近完全致密度的金屬零件。SLM技術(shù)克服了選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering。SLS）技術(shù)制造金屬零件工藝過程復(fù)雜的困擾。用SLS技術(shù)制造金屬零件的方法主要有：（1）熔模鑄造法：首先采用SLS技術(shù)成型高聚物（聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS等）原型零件，然后利用高聚物的熱降解性，采用鑄造技術(shù)成型金屬零件。（2）砂型鑄造法：首先利用覆膜砂成型零件型腔和砂芯（即直接制造砂型），然后澆鑄出金屬零件。（3）選擇性激光間接燒結(jié)原型件法：高分子

2、與金屬的混合粉末或高分子包覆金屬粉末經(jīng)SLS成型，經(jīng)脫脂、高溫?zé)Y(jié)、浸漬等工藝成型金屬零件。（4）選擇性激光直接燒結(jié)金屬原型件法：首先將低熔點(diǎn)金屬與高熔點(diǎn)金屬粉末混合，其中低熔點(diǎn)金屬粉末在成形過程中主要起粘結(jié)劑作用。然后利用SLS技術(shù)成型金屬零件；最后對零件后處理，包括浸漬低熔點(diǎn)金屬、高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓（Hotisostatic Pressing，HIP）。這些方法所制造的金屬零件機(jī)械性能受低型工藝過程的影響因素比較多。為此，德國Fraunhofer激光器研究所（Fraunhofer Institute for LaserTechnology，ILT）最早提出了直接制造金屬零件的SLM技術(shù)。選

3、擇性激光熔化技術(shù)的基本原理SLM技術(shù)是利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化、經(jīng)冷卻凝固而成型的一種技術(shù)。為了完全熔化金屬粉末，要求激光能量密度超過106WCm2。目前用SLM技術(shù)的激光器主要有Nd-YAG激光器、Co2激光器、光纖（Fiber）激光器。這些激光器產(chǎn)生的激光波長分別為1064nm、10640nm、1090nm。金屬粉末對1064nm等較短波長激光的吸收率比較高，而對10640nm等較長波長激光的吸收率較低。因此在成型金屬零件過程中具有較短波長激光器的激光能量利用率高，但是采用較長波長的Co2激光器，其激光能量利用率低。在高激光能量密度作用下，金屬粉末完全熔化，經(jīng)散熱冷卻后可實(shí)現(xiàn)

4、與固體金屬冶金焊合成型。SLM技術(shù)正是通過此過程，層層累積成型出三維實(shí)體的快速成型技術(shù)。根據(jù)成型件三維CAD模型的分層切片信息，掃描系統(tǒng)（振鏡）控制激光束作用于待成型區(qū)域內(nèi)的粉末。一層掃描完畢后，活塞缸內(nèi)的活塞會下降一個層厚的距離；接著送粉系統(tǒng)輸送一定量的粉末，鋪粉系統(tǒng)的輥?zhàn)愉佌挂粚雍竦姆勰┏练e于已成型層之上。然后，重復(fù)上述2個成型過程，直至所有三維CAD模型的切片層全部掃描完畢。這樣，三維CAD模型通過逐層累積方式直接成型金屬零件。最后，活塞上推，從成型裝備中取出零件。至此，SLM金屬粉末直接成型金屬零件的全部過程結(jié)束。· 選擇性激光熔化技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展目前，國外應(yīng)用SLM技術(shù)

5、可制造模具、工具、生物移植物等金屬零件。但技術(shù)仍不夠成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域還不夠廣泛。SLM技術(shù)的研究主要針對以下幾個方面：成型裝備、金屬粉末、成型工藝、成型機(jī)理、成型件性能、成型過程模擬和成型件的應(yīng)用。1選擇性激光熔化裝備SLM裝備的許多方面都影響成型工藝及成型件的精度、機(jī)械性能。在開發(fā)SLM裝備方面，只有德國、日本、美國等少數(shù)幾個國家的生產(chǎn)商成功地開發(fā)了商用裝備。這些公司包括德國的MCP、TRUMPF，日本的MATSUUR和美國的PHENIX。這些公司SLM裝備的不同之處主要體現(xiàn)在激光器、聚焦面光斑尺寸、鋪粉方式和活塞缸鋪粉層厚等方面。MCP公司和PHENIX公司的SLM裝備應(yīng)用的激光器為100

6、W光纖激光器，激光波長為1090nm，其主要工作模式為CWModulated，光纖激光器激光束的輸出模式為TEM00（TransverseElectromagnetic Modes）；其光束橫截面能量分布為高斯分布，且在傳輸過程中保持不變，光束質(zhì)量好，激光束經(jīng)聚焦后的激光光斑在30un250um之間。TRUMPF公司的SLM裝備配備250W盤形激光器，激光波長為1030nm；光斑大小可變范圍在200um400um。MATSU U RA公司的SLM裝備采用500W脈沖式Co2，激光器，激光波長10640nm，其峰值達(dá)15kW，頻率達(dá)100kHZ。光斑大小為600um。除了以上公司進(jìn)行SLM裝備的

7、商業(yè)生產(chǎn)外，還有包括比利時魯汶大學(xué)、日本大阪大學(xué)等在內(nèi)的高校從事SLM裝備的研制。這些高校自行研制的SLM裝備和上述公司商用生產(chǎn)的裝備相似，主要是在激光器，聚焦光斑、鋪粉層厚、鋪粉方式等方面有所不同。目前國內(nèi)主要有華中科技大學(xué)在這方面進(jìn)行了研究，并不斷地跟蹤SLM技術(shù)的最新發(fā)展情況。華中科技大學(xué)快速制造中心已經(jīng)研制出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的商品化SLM設(shè)備HRPM系列金屬粉末熔化成型設(shè)備。該設(shè)備采用了150W CW NdYAG激光器和lOOW CW光纖激光器，由武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司生產(chǎn)制造，已在市場上進(jìn)行了銷售，打破了國外公司在這方面的壟斷，大大降低了該設(shè)備的價(jià)格，方便了國內(nèi)的廣大用戶。2選

8、擇性激光熔化技術(shù)所用粉末適合SLM技術(shù)的金屬粉末比較廣泛。如果自行設(shè)計(jì)適合SLM成形的材料成分并制備粉末，其造價(jià)比較高，不經(jīng)濟(jì)。因此，目前用于SLM技術(shù)研究的粉末主要來源于商用粉末?？梢匝芯克鼈兊某尚托裕瑥亩岢鲈摷夹g(shù)選用粉末的標(biāo)準(zhǔn)。· 用于SLM成型的粉末可以分為混合粉末、預(yù)合金粉末、單質(zhì)金屬粉末3類。（1）混合粉末?；旌戏勰┯梢欢ǔ煞值姆勰┙?jīng)混合均勻而成。設(shè)計(jì)混合粉末時要考慮激光光斑大小對粉末顆粒粒度的要求。Kruth JP等人研制了鐵基混合粉（包含F(xiàn)e，Ni，Cu，F(xiàn)e，P）。因激光光斑為600 u 111，所以要求混合粉中顆粒的最大尺寸不能超過該光斑直徑。應(yīng)用這種混合粉的SL

9、M成形件不能滿足100致密度要求，因此其機(jī)械性能還有待進(jìn)一步提高。魯中良等研制了Fe-Ni-C混合粉末，其組成成分為：（Fe）=915、（Ni）=80、（C）=O5。Fe、Ni粉末為-300目，C粉為-200目。應(yīng)用該混合粉末的SLM成型件致密度較低，存在大量的孔隙。對混合粉的SLM成型研究表明，混合粉的成型件致密度有待提高，其機(jī)械性能受致密度、成分均勻度的影響。（2）預(yù)合金粉末。根據(jù)預(yù)合金主要成分的不同，預(yù)合金粉末可以分為鐵基、鎳基、鈦基、鈷基、鋁基、銅基、鎢基等。鐵基合金粉末包括工具鋼M2、工具鋼H13、不銹鋼316L（14404）、Inox 904L、314sHC、鐵合金（Fe-15Cr

10、-15B），其SLM成型結(jié)果表明：低碳鋼比高碳鋼的成型性好，成型件的相對致密度仍不能完全達(dá)到100。鎳基合金粉末包括Ni625、NiTi合金、Waspaloy合金、鎳基預(yù)合金（Ni）=836、（Cr）=94、（B）=18、（S i）=28、（Fe）=20、（C）=04），其成型結(jié)果表明：成型件的相對致密度可達(dá)997。鈦合金粉末主要有TiAl6V4合金，其SLM成型結(jié)果表明：成型件相對致密度可達(dá)95。鈷合金粉末主要有鈷鉻合金，其SLM成型結(jié)果表明：成型件相對致密度可達(dá)96。鋁合金粉末主要有A16061合金，其SLM成型結(jié)果表明：成型件的相對致密度可達(dá)91。銅合金粉末包括CuSn合金、銅基合金（8

11、45Cu-8Sn-65P一1Ni）、預(yù)合金Cu-P，其SLM成型結(jié)果表明：成型件的相對致密度可達(dá)95。鎢合金粉末主要有鎢銅合金，其SLM成型結(jié)果表明：成型件的相對致密度仍然達(dá)不到100。（3）單質(zhì)金屬粉末。單質(zhì)金屬粉末主要有鈦粉，其SLM成型結(jié)果表明：鈦粉的成型性較好，成型件的相對致密度可達(dá)98。綜上所述，SLM技術(shù)所用粉末主要為單質(zhì)金屬粉末和預(yù)合金粉末。單質(zhì)金屬粉末和預(yù)合金粉末的成型件的成分分布、綜合機(jī)械性能較好。所以成型工藝研究主要針對預(yù)合金、單質(zhì)金屬粉末的工藝優(yōu)化，以提高成型件的致密度。3選擇性激光熔化成型工藝SLM成型工藝主要研究工藝參數(shù)對粉末成型軌跡和致密度的影響規(guī)律。（1）工藝參數(shù)

12、對成型軌跡的影響。在SLM成型過程中，成型軌跡特征受工藝參數(shù)的影響。成型軌跡主要包括激光束對粉末的單點(diǎn)、單道掃描，單層、多道掃描成型的軌跡，通過對成型軌跡的評價(jià)來研究工藝參數(shù)對成型軌跡的影響規(guī)律。（2）工藝參數(shù)對致密度的影響。金屬零件致密度是影響其機(jī)械性能的一個主要因素。金屬粉末SLM成型件致密度是一個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，受激光波長、激光功率密度和粉末成分的影響。在Co2激光（波長為10640nm）作用下成型件致密度較低，這與金屬粉末對激光的較低吸收率、激光功率密度有關(guān)；而YAG激光（波長為1064nm）作用下的成型件致密度較高，是因?yàn)槠浼す夤β拭芏雀?，金屬粉末對激光的吸收率高。此外，粉末化學(xué)成分是

13、影響其潤濕性的主要因素，所以低碳成分的鐵基合金粉末的潤濕性好，其SLM成型件的致密度高。· 4選擇性激光熔化成型機(jī)理在SLM成型過程中，提高粉末的成型性，就必須提高液態(tài)金屬的潤濕性。在成型過程中，若液態(tài)金屬成球，則說明液態(tài)金屬的潤濕性不好。液態(tài)金屬對固體金屬的潤濕性受工藝參數(shù)的影響，因此可優(yōu)化工藝參數(shù)來提高特定粉末的潤濕能力。研究結(jié)果表明，液態(tài)金屬在缺少與氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況下是不能潤濕固體氧化膜的，因此在成型過程中要防止氧化，雖然添加合金元素P可提高潤濕性，但是元素P會影響成型件的機(jī)械性能。5選擇性激光熔化成型件性能S L M成型件性能主要包括殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變、顯微組織和機(jī)械

14、性能。（1）殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)變。金屬粉末在SLM成型過程中，會因溫度梯度產(chǎn)生熱應(yīng)變和殘余應(yīng)力，進(jìn)而影響成形過程。研究結(jié)果表明：翹曲、裂紋、熱應(yīng)力、表面粗糙、顯微組織等問題主要是因成型過程中激光作用下的快熱快冷（淬火）所致。為此，提出了雙激光（Co2、Nd-YAG）掃描系統(tǒng)方案。（2）顯微組織。工藝參數(shù)會影響SLM成型件的顯微組織。如果激光掃描速度快，那么冷卻速度也會較快，使顯微組織更細(xì)，有利于提高SLM成型件的機(jī)械性能。（3）機(jī)械性能。S L M成型件的機(jī)械性能主要包括強(qiáng)度、硬度、精度和表面粗糙度等。SLM成型件的彎曲強(qiáng)度受激光工作模式的影響，在脈沖及其反沖作用力工作模式下的SLM成型件，其最

15、大抗彎曲強(qiáng)度為630MPa，未經(jīng)任何處理的成型件表面粗糙度達(dá)10 um30 um。因SLM成型件的相對致密度未達(dá)到100，所以抗彎強(qiáng)度等機(jī)械性能會受到一定的影響。6選擇性激光熔化成型過程的數(shù)值模擬SLM成型過程是一個激光束熔化粉末、相變和凝固冶金結(jié)合的過程。在SLM成型過程中，粉末在極短（毫秒級）的時間內(nèi)熔化，溫度梯度大，通過試驗(yàn)方法測量其溫度動態(tài)過程比較困難；而通過有限元法模擬分析并揭示其成型過程，能夠?yàn)橹贫ê侠淼墓に噮?shù)、減少試驗(yàn)次數(shù)、成型高質(zhì)量零件提供重要的理論指導(dǎo)。· 7選擇性激光熔化成型技術(shù)的應(yīng)用選擇性激光熔化成型技術(shù)可以直接成型金屬零件，主要有生物醫(yī)用零件、散熱器零件、超

16、輕結(jié)構(gòu)零件、微型器件等。因此，SLM技術(shù)在成型薄壁零件、超輕結(jié)構(gòu)零件方面的研究及應(yīng)用較多。8選擇性激光熔化與熱等靜壓（SLMHIP）復(fù)合成型技術(shù)SLM成型件內(nèi)部存在殘余應(yīng)力且致密度仍有待提高，因此其機(jī)械性能受到了影響。為提高成型件的綜合機(jī)械性能，可以采用SLM與熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP）復(fù)合成型技術(shù)。但是這種針對金屬粉末的SLS與HIP相結(jié)合的復(fù)合成型技術(shù)還不成熟，SLS技術(shù)難以直接成型致密外殼。為解決這方面的不足，使sLM技術(shù)直接成型致密金屬外殼來替代包套，從而實(shí)現(xiàn)SLM與HIP的復(fù)合成型技術(shù)，為快速成型技術(shù)的應(yīng)用提供新的發(fā)展思路。選擇性激光熔化技術(shù)的發(fā)

17、展趨勢目前我國正在大力發(fā)展飛機(jī)制造業(yè)，選擇性激光熔化技術(shù)在飛機(jī)零件制造上具有不可比擬的優(yōu)勢，不僅可以快速地生產(chǎn)出小批量飛機(jī)零件，而且在產(chǎn)品開發(fā)階段可大大縮短樣件加工時間，節(jié)省大量開發(fā)費(fèi)用。通過以上的分析，SLM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：（1）能將CAD模型直接制成終端金屬產(chǎn)品，只需要簡單的后處理或表面處理工藝。（2）適合各種復(fù)雜形狀的工件，尤其適合內(nèi)部有復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)（如空腔、三維網(wǎng)格）、用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法無法制造的復(fù)雜工件。（3）能得到具有非平衡態(tài)過飽和固溶體及均勻細(xì)小金相組織的實(shí)體，致密度幾乎能達(dá)到100，SLM零件機(jī)械性能與鍛造工藝所得相當(dāng)。（4）使用具有高功率密度的激光器，以光斑很小的激光束加

18、工金屬，使得加工出來的金屬零件具有很高的尺寸精度（達(dá)01mm）以及很好的表面粗糙度值（Ra=30 u m50um）。（5）由于激光光斑直徑很小，因此能以較低的功率熔化高熔點(diǎn)金屬，使得用單一成分的金屬粉末來制造零件成為可能，而且可供選用的金屬粉末種類也大大拓展了。（6）能采用鈦粉、鎳基高溫合金粉加工解決在航空航天中應(yīng)用廣泛的、組織均勻的高溫合金零件復(fù)雜件加工難的問題；還能解決生物醫(yī)學(xué)上組分連續(xù)變化的梯度功能材料的加工問題。· 由于SLM技術(shù)具有以上優(yōu)點(diǎn)，它具有廣闊的應(yīng)用前景和廣泛的應(yīng)用范圍，如機(jī)械領(lǐng)域的工具及模具（微制造零件、微器件、工具插件、模具等）、生物醫(yī)療領(lǐng)域的生物植入零件或替代零件（齒、脊椎骨等）、電子領(lǐng)域的散熱器件、航空航天領(lǐng)域的超輕結(jié)構(gòu)件以及梯度功能復(fù)合材料零件等。特別是在航空航天領(lǐng)域，應(yīng)用較多的是典型的多