金属增材制造技术的研究进展

曾绍连

随着我国国民经济的飞速发展，科学技术的研究进步已然成为当前的重要研究内容，在此过程中，金属增材制造技术的发展也是十分重要的。增材制造技术是当前一种全新的制造技术，在短短几十年中得到了前所未有的快速发展，并成为了当前先进制造技术领域技术创新的重要内容。就目前而言，增材制造技术已经成为许多发达国家实施技术创新、提升本国制造行业发展的重要发展对象，为适应国际发展的大方向，我国在增材制造技术方面的研究也是不断深入，在积极推动3D打印技术在制造业的技术创新过程中，也进一步的加快了信息化以及工业化的进程。不仅如此，为了加快增材制造技术的快速发展，我国政府积极的与国外增材制造技术发展前沿国家进行联合，并共同发起成立世界3D打印技术产业联盟的号召，这也在一定程度上显示出我国对于增材制造技术发展的重视程度。以下将针对金属增材制造技术的研究进展进行更深入的探讨分析。

1 金属增材制造技术概述

金属增材制造技术又称3D打印，是一种以数字三维建模为基础，融合计算机辅助设计、材料加工、材料成形技术，使用金属材料、非金属材料及医用生物材料，按照层层叠加、分层制造的离散-堆积原理，自下而上快速制备出形状复杂工件的成型技术。增材制造技术在过去短短30年里受到了全世界的高度关注，被誉为人类历史上“第三次工业技术革命”。金属增材制造技术按照能量源又分为主要包括激光和电子束打印技术等主要两大类。金属增材制造技术包括选择性激光烧结技术（SLS），直接金属粉末激光烧结（DMLS）、选区激光熔化技术（SLM）、激光成形技术（LENSS）、电子束选择性熔化（EBSM）等。近年来，金属增材制造的新技术显示出爆炸性的增长，2017年，帝国理工学院开发了电化学增材制造（ECAM）金属3D打印工艺，ExOne开发了粘结剂喷射（BJ）技术。法布里森公司于2017年开发了超声波3D打印（UAM），XJet开发了喷墨金属打印技术。所有金属3D打印技术都显示出独特的技术解决方案。选区激光熔化技术是一种成熟的金属3D打印技术，在强度、精度和紧凑性等方面具有巨大的潜力。与传统的减材制造、粉末冶金制造技术相比，增材制造技术由于具有轻量化减重，无需多余的夹具、模具，无需大型热加工设备，可制造复杂内腔的工件，实现个性化定制，降低制造成本，易于修复与再制造等优点，已被广泛应用于航空航天、国防、汽车、生物、医疗器械等领域。

2 金属增材制造技术分类

2.1 激光增材制造技术

通常由激光近净成形技术、激光直接金属烧结、激光选区熔化以及激光选择性烧结等就是激光增材制造技术的组成部分，本文主要选取了激光近净成形与激光选区熔化两种技术展开具体论述。

2.1.1 激光选区熔化（SLM／DMLS）

作为激光增材制造技术最具典型特点的激光选区熔化中的选择性激光烧结（SLM）工艺，与金属烧结（DMLS）并没有特别大的区别，所以下面将共同介绍两组工艺。按照计算机设置好的路径，运用激光对铺粉器预铺的一层金属粉末进行扫描，金属粉末熔化且与前一层构成冶金，进而形成实体；为了最大程度避免形成阶段出现氧化情况，实践操作中可以采取氩气、氦气等惰性气体实施有效保护，以此来全面改善成形质量，增强层间的浸润程度，最大程度减少沉积层的表面张力。

SLM尽管有较强的精度，但依然有一些热应用与球化情况产生在成形阶段，直接影响了成形的精度。美国通用电气公司在2012年运用SLM技术研发出了一款LEAP喷气式发动机制造燃油喷嘴，虽然成形后明显降低了零件质量，但是却进一步增强了性能。SLM技术在国内的研究相对于先进国家较晚，虽然在工艺与设备研发方向，华南理工大学与华中科技大学展开了大量的实践研究，但所得到的材料与精度仍无法追上先进国家的程度。

2.1.2 激光近净成形（LENS）

利用激光熔覆原理，激光近净成形主要通过大功率激光器将送粉喷头放入熔池粉末的方式，实现一层一层沉积直至成形。LENS利用对工艺参数的优化与调整，可以实现非均质材料、多金属的成形，其应用于多金属材料结合零件或者大型零件上面的优势更为突出。LENS被美国华盛顿州立大学运用于钛合金、多孔钛制备，KRISHNA等学者使用LENS已研发出多孔钛材料臀骨柄，与纯钛相比，多孔钛可以对人体成骨细胞带来更大的刺激以此快速分化。而我国的北京航空大学与西北工业大学在国内利用大量实践明确了最佳工艺参数，并在此前提下实现了对镍合金与钛合金的LENS成形研究，得出结果显示成形件已达到应用水准，具有较突出的力学性能。

2.2 电子束增材制造技术

2.2.1 电子束选区熔化（EBM）

对于SLM的形成过程而言，电子速选区熔化与其较为几乎相同，在电磁偏转线圈发挥的作用下，EBM使用高能电子束对金属材料实施轰击来形成熔池，并遵循提前设置的路线，一层一层熔化预置粉末，一直到零件成形为止。自2003年一家Arcam的瑞典公司提出EBM商业化设备，推动了电子束选区熔化的发展。该设备拥有每秒10至100米的扫描速度，最大成形尺寸为200mm*200mm*160mm，精度达到了±1mm。2004年我国清华大学研发了两套实验系统，分别是EBM-250与EBM-150，成形缸有100mm*100mm*100mm与250mm*250mm*250mm两种尺寸，推动了双金属粉末EMB的成形。汤慧萍等学者在西北有色金属研究院开展了EBM铺粉装置的优化，得到了超薄铺粉，具有较高的精度。

2.2.2 电子束熔丝沉积（EBF3）

EBF3的沉积材料通常以丝材为主，其更适合运用在太空微重力环境下成形，并有其他金属增材制造技术无法比拟的电子束选区熔化技术优势，进一步推动了航天器深空探测与有效维护。美国航空航天局在二十世纪九十年代于兰利研究所研究了空间金属材料增材制造技术，以电子束熔丝沉积为前提，分别研发了两种沉积设备，分别为便捷式与落地式，是为一种便携式电子束熔丝成形系统，并且利用飞行试验对工艺参数展开了优化。

2.3 电弧增材制造技术（WAAM）

WAAM利用分层叠加制造原理，使用焊丝成形材料，以等离子弧焊、非熔化极气保焊、熔化极气保焊等焊接工艺形成的电弧作为主要热源，在三维零件成形过程中，使用一层一层覆沉积的方式。在增材制造技术的快速发展中，三维焊接技术应运而生，其充分结合了增材制造技术与焊接工艺，主要用于零部件的直接制造以及产品零部件的原型制造。SPENCER等学者在英国Nottingham大学利用六轴机器人和GMAW工艺，促进了三维堆焊成形。SONG等学者在韩国科学研究所实现了金属零件成形，充分结合了CNC铣削技术与三维堆焊技术，成形阶段的任何一次堆焊都是一次对成形面实施的铣削，使成形精度更强，已进一步证实成形件力学性能的高效。

3 金属材料增材制造的应用

增材制造（Additive Manufacturing，AM），俗称3D打印，以数字化设计、新材料为基础，其基本工艺是通过计算机切片算法，将三维物体的数值模型切割为一系列平行的片层，然后控制激光、电子束或紫外光等能量束的扫描方式，将液态、粉状或丝状材料逐层固化、层层堆叠形成完整的三维物体。经过30多年的发展，3D打印技术已形成包括粉床选区烧结、激光净成型、树脂光聚合，熔融沉积、等离子沉积、墨水直写和双光子成型等在内的众多种类，并广泛用于各个工程领域，具体如下。

3.1 生物医药

由于生物材料结构复杂、病人需求各异、无需大批量生产等因素，增材制造技术非常适合制造生物材料。锌金属具有良好的生物相容性，锌-钕合金激光增材制造中的稀土钕既提高了锌合金的致密度，致密化率达98.71%，成形质量优良，又提高了锌合金的力学性能；此外，钕合金化抑制了促炎因子的释放，从而使锌-钕合金具有良好的抗炎活性，增材制造的锌-钕合金可作为承重骨植入体内，是一种很有前景的骨修复材料。增材制造孔隙结构钛合金结构可植入人体充当关节，当植入体和人体骨骼间缺少体液，会发生干滑动摩擦，从而出现发炎、肿胀等现象。通过研究三角形、正方形和无序3种孔隙结构的摩擦性能，发现三角形孔隙结构位移矢量小于无序孔隙结构，但其旋转矢量和造成的简谐振动频率过高，摩擦力大于无序孔隙结构；正方形孔隙结构因结构稳定性最差，导致磨损量最大；在3种孔隙结构中，无序孔隙结构产生的摩擦热量最少，虽在摩擦力、散热等方面强于三角形，但其磨损量大于三角孔隙结构。金属增材制造技术在口腔修复体制作中的应用主要集中在金属基底冠、可摘局部义齿的金属支架和种植体。激光增材制造制作的钴铬合金底冠金瓷结合力接近甚至超过传统制作；由于激光增材制造冷却速度快、结构致密无缺陷，激光增材制造制作的钴铬合金强度高于传统铸造；经过恰当的计算机辅助设计、参数设定，激光增材制造的钴铬合金能达到良好的基牙密合性。激光增材制造的钴铬合金可摘局部义齿金属支架在合适度和功能上接近传统支架，但微观结构上更加优良。激光增材制造技术制作的钛合金种植体支架由于快速冷却及晶相组成等因素，拥有更高的致密度和硬度，结构轻巧、生物相容性好。

3.2 交通行业

金属增材制造在轨道交通领域的应用主要在零部件制作和损伤零部件增材修复。金属增材制造在高密度热源下快速熔化、凝固，制造零件微观晶粒细小均匀、溶质偏析较小，能获得超过锻造件力学性能并接近锻造件疲劳性能的金属零部件。国外机车公司在列车后续维护中已使用金属增材制造成形结构复杂的列车轴承，提高轴承抗振动性能和耐磨性能，使用不锈钢增材制造轨道列车转向架抗侧滚扭杆安装座，在拓扑优化设计的基础上打印出具有仿生结构的安装座，在保证原有性能的情况下减重70%。金属增材制造修复轨道交通受损的零部件，提高零件使用寿命，降低企业成本。用不锈钢粉激光增材修复有缺陷的棒状车轴，疲劳试验表明增材修复后的车轴耐疲劳性能优于原始车轴零件。随着金属增材修复机车车轴研究的增多，越来越多的金属粉末投入使用，工艺参数也得到优化，力学性能更加优异。激光熔覆增材制造技术在车轴钢表面熔覆镍基粉末，制造出结合牢固的覆盖层，显著提高了涂层硬度，熔覆层的平均硬度是基体硬度的3倍以上。金属增材制造技术在汽车行业主要应用在产品开发和生产2个阶段。开发阶段使用增材制造技术，可快速制造成形、迅速验证和优化零件设计；在生产阶段涉及小批量复杂零部件时，金属增材制造可较快实现零部件的近净成形。利用金属增材制造技术制造发动机缸盖，形成的产品致密度高，不会出现铸造时可能产生的裂纹和缩孔，性能接近锻件，但省去了传统制造中开模、浇注等系列工序，解决了小批量生产缸盖耗时长问题。发动机缸体和变速箱壳体制造传统上采用铸造方式生产，结合金属增材制造技术和铸造，可在保证产品质量的同时降低成本、缩短工期。

3.3 船舶制造业

第一，船舶轻量化建造。与传统制造方法相比，3D打印生产的零件重量更轻。优化船的整体性能就意味着船体能够在保证足够的强度时速度能够变得更快，获得更好的平衡性，降低减重带来的潜在风险。第二，船舶复杂零部件配件的制造。增材制造技术在造船领域的应用研究取得了很大进展。业内已成功印制了多种产品和零部件，如螺杆销、箱式换热器、轴瓦、螺旋桨等。江苏科技大学通过增材制造技术制造了船用液化天然气（LNG）汽化器。第三。船用易损件的修复和改性。一旦原有的部件出现故障或其他问题，就可以在船上生产3D打印替换部件，比如对船用螺旋桨、齿轮和叶轮等部件的激光表面修复和激光表面改性。新加坡Tru-Marine公司利用3D打印快速维修和制造涡轮增压器部件。

3.4 首饰、服饰

增材制造技术可以小批量快速定制，对首饰、服饰设计制造的影响越来越大。金属首饰的增材制造技术主要分为间接法和直接法。间接法先通过增材制造技术制造出蜡模，然后用失蜡法铸造出金属首饰，本质上是高分子材料增材制造与传统铸造的结合；直接法是金属材料在高能束作用下融化在二维平面内，冷却、成形、增厚，一步成型形成金属首饰。金属首饰的一步增材制造主要采用激光选区熔融技术，该方法采用CO2激光器做热源，铺粉烧结后进行下一层的烧结，制作完成后去掉多余粉末，进行打磨抛光便得到所需首饰。该方法制成的首饰有较高的精确度和衔接性，可制造空心、多层镂空、蕾丝状等复杂首饰。贵金属首饰制作可采用叠层增材制造技术，该方法在生产过程中金属变形小，适于制造面积较大、曲面、管状等造型的首饰。除普通首饰增材制造，有工作室还通过增材制造制作了动态机械结构的项链、手链，由独特部件相互交错组成，总体上是一个连续结构，但每个组件是刚性的，无需组装即可使用。形状记忆合金在加热到一定温度后形状会被记忆，在温度降低后逐渐恢复原状，当温度再次变化后，形状记忆合金的形状也随之改变。越来越多的穿戴品使用形状记忆合金进行增材制造，在织物原材料中加入形状记忆合金线，这些线直径较小，加入记忆合金的服饰在外界刺激下而发生微妙变化，使服饰更具真实感和生命感。

4 金属材料增材制造的挑战与展望

尽管金属材料增材制造可以快速、小批量制造复杂工件，但它仍面临着一些问题和挑战。金属粉末床烧结增材制造时，形成的零件易粘结粉末颗粒，表面粗糙，需要进行打磨、抛光等后续处理；成形空间真空度较低，成形时熔融的材料易被氧化，需要惰性气体保护；进行激光增材制造时对粉末质量要求高，设备运维成本较高。金属丝材电弧增材制造时，工艺参数会影响热的输入和累积，热输入较大会对精度和性能产生影响。金属丝材电子束增材制造时处于高温、高真空、高辐射的环境，其熔池形态和温度分布不均匀，易出现裂纹、变形、气孔等问题，温度过高时会烧穿钢板和过度渗透，进而影响零件的精度和良品率。金属叠层增材制造形成的零件抗压性能好，但弹性差、抗拉强度低，由于各个方向上的力学性能不同，制成的零件表面通常有波纹，需进行打磨、抛光。金属材料增材制造有金属熔融、冷却、形成新金属层3个过程，由于热梯度和散热不均，增材制造形成的单层材料在层边缘、中间等不同位置存在不同的晶相，会对强度、耐磨性等造成影响，在层交界处进行新金属层沉积时，晶粒组织会发生变化。

5 结语

总而言之，在经济日新月异发展的背景下，金属增材制造技术面临着巨大挑战和机遇。现阶段，仍有一些设备成本高、材料过于单一以及精度不强的问题存在于金属增材制造技术的生产过程中，所以业界人士必须加强对金属增材制造新工艺、原材料、评价体系、控制系统以及检测缺陷等方面的研发。重视对成形成本、效率以及质量三方面关系的探索，在制造业各个领域渗透金属增材制造技术，从而推动金属增材制造的产业化、规范化发展。