【原创】解密“LAM”技术,你还需要这些硬核知识


来源:中国粉体网   星耀

[导读]  激光增材制造(LAM)技术是一种兼顾精确成形和高性能成形需求的一体化制造技术,也是目前金属增材制造最可靠和可行的方法。

中国粉体网讯  航空航天是增材制造技术研发与工业应用最有望获得突破的领域,增材制造已发展成为提升航空航天设计与制造能力的一项关键核心技术,其应用范围已从零部件级(飞机、卫星、高超飞行器、载人飞船的零部件打印)发展至整机级(发动机、无人机、微/纳卫星整机打印)。


金属材料增材制造技术作为整个增材制造体系中最具前沿和难度的技术,是先进制造技术的重要发展方向。对于金属材料增材制造技术,按照热源类型的不同主要可分为激光增材制造、电子束增材制造、电弧增材制造等。其中激光增材制造(LAM)技术是一种兼顾精确成形和高性能成形需求的一体化制造技术,也是目前金属增材制造最可靠和可行的方法。


1激光增材制造技术原理


根据材料在沉积时的不同状态,激光增材制造技术分为定向能量沉积(DED)和粉末熔覆(PBF)两类。


1.1激光粉末熔覆技术PBF


激光粉末熔覆技术PBF,又称为激光选区熔化成形技术(SLM),该技术首先利用CAD软件设计出零件的三维模型,然后根据打印工艺对模型进行切片分层后,将各截面的二维轮廓数据导入打印设备中,并设定具体的扫描路线。激光打印时根据设定的扫描路线逐层熔化通过送粉装置均匀铺敷在工作平面基板的金属粉末,具体的原理如下图所示。

 

激光粉末熔覆原理图


SLM技术可以直接制造出终端金属产品,实现了材料、结构和功能的一体化设计和制造;可以加工出传统制造方法无法加工的复杂金属零件,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,解决了复杂金属构件难加工、周期长、成本高等技术难题;金属零件具有很高的尺寸精度以及很好的表面粗糙度,无需二次加工。


SLM技术成形精度高但零件加工尺寸受限,主要用于小型或中型复杂构件的直接精密成形。但是适用于SLM成形的材料种类还较少,目前报道的主要有铁基合金、镍基合金、铝合金和钛合金等。


1.2激光定向能量沉积技术(DED)


激光定向能量沉积技术(DED),又可以称为激光直接沉积成形技术(DLD),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,其原理如下图所示。

 

激光定向能量沉积技术原理图


激光直接沉积成形技术的生产效率高于SLM,并且成形尺寸基本不受限制(仅取决于设备的运动幅度),可实现同一构件上多材料的任意复合和梯度结构制造,并可用于损伤构件的高性能修复。但是,DLD技术表面质量不如SLM,制造后需要二次加工。目前,激光直接沉积技术所应用的材料已涵盖钛合金、镍基高温合金、铁基合金、铝合金、难熔合金、非晶合金以及梯度材料等,其中钛合金的应用最为成熟。


DLD技术相对SLM具有较高的生产效率,其主要用于大型金属构件的制造。但是DLD成形过程中零件开裂,内部质量和力学性能控制,产品应用技术标准等是制约其工程应用的关键。


2面向激光增材制造的高性能金属材料


目前,激光增材制造技术已经成功制造出高致密度金属构件,包括钛合金、铝合金、镍基高温合金等,已广泛应用于航空航天、国防军工、核电、船舶、医疗、汽车等领域。


2.1铝合金及铝基复合材料


对于激光增材制造而言,铝基材料是典型的难加工材料,这是由其特殊的物理性质(低密度、低激光吸收率、高热导率及易氧化等)决定的。从增材制造成形工艺角度看,铝合金的密度较小,粉体流动性相对较差,在SLM成形粉床上铺放的均匀性较差,故对激光增材制造装备中铺粉/送粉系统的精度及准确性要求较高。另外,铝基材料激光增材制造容易形成“球化”效应,且成形件内部易产生孔隙、裂纹,从而降低成形件性能。


目前,铝基材料激光增材制造的研究工作及应用验证较多集中在SLM工艺上。激光增材制造用的铝合金材料主要为Al-Si和Al-Si-Mg系铝合金(4XXX系铝合金)。


2.2钛合金及钛基复合材料


钛基材料因具有优异的比强度、耐蚀性和生物相容性而被广泛应用于航空航天、生物医疗、食品化工等领域,是激光增材制造经常采用的金属材料。


目前钛基合金激光增材制造在成形过程中构件易产生气孔、裂纹及表面球化等加工缺陷,降低成形件的性能。


钛基材料对SLM和LMD两类激光增材制造工艺均表现出了较强的适用性。目前用于激光增材制造的钛合金主要集中在工业纯钛(CP-Ti)及TC4等传统钛基材料上。


2.3镍基高温合金及其复合材料


镍基高温合金自身含有较多的合金元素,在激光增材制造过程中普遍存在裂纹敏感性强、元素偏析严重、显微组织各向异性显著、力学性能可控性差等问题。


当前,镍基高温合金激光增材制造主要集中在Inconel系列合金上。


3激光增材制造金属构件工程化应用的瓶颈问题


尽管国内外学者对金属材料增材制造工艺及装备进行了大量研究,迄今为止,激光增材制造金属材料及构件存在的缺陷、内应力、变形、强韧性不足、热处理依赖以及行业标准不规范等问题仍然制约着高精尖制造业的进步,成为航空航天、电子、汽车等众多制造行业发展的瓶颈。


3.1缺陷和应力消除


激光增材制造过程中,材料经历能量吸收、熔化、凝固、冷却、汽化等物理过程,由于快速凝固及冷却过程会产生高温度梯度,同时粉末材料与基体材料以及粉末与熔池之间热膨胀系数不匹配,不可避免引起热应力及构件变形。


减少或消除内应力是防止激光增材制造构件失效并提高其力学性能的有效途径,研究者普遍使用后处理(去应力热处理)方法进行增材制造构件残余应力消除。


3.2强化增韧机制


金属材料在增材制造过程中出现的另一问题,即强度-韧性折衷问题,成为制约增材制造金属构件工程化应用的关键问题之一。


激光增材制造过程中采用的强化机制如二次相强化、晶界强化等会导致金属材料延伸率的降低,国内外学者在提高增材制造金属构件延伸率方面做了诸多尝试。热处理是获得高延伸率的传统方法之一,热等静压工艺可消除组织缺陷及裂纹,也被用来提高增材制造构件的综合力学性能,然而强度的降低仍不可避免。


对于航空航天以及医疗领域应用广泛的钛合金材料,目前尚未出现完善且稳定的强化增韧机制以获得高强韧钛合金材料。


3.3后处理过程


直接激光增材制造金属构件很难同时获得高强韧、高致密度、组织均匀化、高质量表面和高尺寸精度等工程化应用要求,进而无法摆脱对后处理的依赖。


增材制造构件常用后处理工艺包括热处理、表面强化处理、精密加工等。热处理是对增材制造金属构件进行去应力及均匀化处理进而提高材料性能的有效手段,热等静压处理在去应力同时还可消除内部孔隙及裂纹进而实现构件致密化。目前针对增材制造金属构件的表面处理方法有机械打磨、表面热处理、喷丸法、抛光法等。


3.4性能评价体系以及标准化


2018年7月,由我国主导制定的第一项增材制造国际标准《信息技术3D打印和扫描增材制造服务平台框架(AMSP)》正式通过立项,中国增材制造的标准化工作已然领跑世界。


目前,激光增材制造金属构件性能评价仍集中于对其静/动态力学性能、微观组织缺陷等的评价,主要依靠机械试验、仿真模拟以及无损检测的方法对金属构件性能进行评价,尚缺乏相应标准体系对金属材料激光增材制造过程中的工艺稳定性、可靠性进行评价,针对复杂结构、薄壁结构、中空结构、多孔结构以及曲面结构等特征的性能评价标准也尚未建立。


4金属激光增材制造的发展趋势


金属激光增材制造技术经过近20年的快速发展,在航空、航天、船舶、电力、石化、海洋工程等领域发挥越来越大的作用。然而目前激光增材制造技术的研究仍主要是面向现有合金材料和结构件的制备技术,未能充分发挥其技术优势。有学者认为,激光增材制造技术在变革材料冶金和创新结构设计领域具有巨大的发展潜力,这些将是未来高性能金属激光增材制造技术的重要发展方向。


参考来源:

【1】胡美娟.激光增材制造技术及现状研究.石油管材与仪器.2019.

【2】顾冬冬,等.航空航天高性能金属材料构件激光增材制造.中国激光.2020.

【3】张红梅,等.激光增材制造镍基高温合金构件形性调控及在航空航天中的应用.电加工与模具.2020.

【4】刘江伟,等.金属基材料激光增材制造材料体系与发展现状.激光杂志.2020.

【5】汤海波,等.高性能大型金属构件激光增材制造技术研究现状与发展趋势.精密成形工程.2019.

(中国粉体网编辑整理/星耀)

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作者:星耀

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