激光熔覆成形技术及其在汽车工业中的应用

激光熔覆成形技术的研究进展

1基本概念

激光熔覆成形(Laser cladding forming, LCF)技术集激光技术、计算机技术、数控技术、传感器技术及材料加工技术于一体，是一门多学科交叉的边缘学科和新兴的先进制造技术。该技术把快速原型制造技术和激光熔覆表面强化技术相结合，利用高能激光束在金属基体上形成熔池，将通过送粉装置和粉末喷嘴输送到熔池的金属粉末或事先预置于基体上的涂层熔化，快速凝固后与基体形成冶金结合，根据零件的计算机辅助设计模型，逐线、逐层堆积材料，直接生成三维近终形金属零件。激光熔覆成形系统主要由计算机、粉末输送系统、激光器和数控工作台四部分组成，其原理如图1 所示。由于该技术可以直接制造全密度金属零件，从20 世纪90 年代中期开始，就成为快速成形领域的研究热点和发展方向，具有广阔的应用前景。激光熔覆成形技术在产生后的短短几年内获得了飞速发展，并被冠以不同的名称：如送粉方式的激光工程化近成形(Laser Engineered Net Shaping, LENSTM)、直接光制造技术(Directed light fabrication, DLF)、直接金属沉积(Direct metal deposition, DMD)、堆积成形制造(Shape deposition manufacturing, SDM)，激光固结(Laser consolidation, LC)，激光增材制造(Laser additive manufacturing, LAMSM)，以及粉末预置方式的选择性激光熔化(Selective laser melting, SLM)和金属直接激光烧结(Direct laser sintering of metals ,DSM)等，这些技术的原理和加工方法基本相同，将它们统称为激光熔覆成形技术。

图1 激光熔覆成形原理示意图

2激光熔覆成形的特点和研究进展

和传统的材料成形方法相比，激光熔覆成形技术具有成形零件复杂、结构优化、性能优良、加工材料范围广泛，柔性化程度高，可实现梯度功能材料的制造、制造周期短、可实现无模近终成形等独特优点，在材料利用率、研制周期

和总的制造成本方面均优于铸造和锻造技术，是一种优质、节材、低成本、无

污染的先进制造技术。

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% -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、定子和核阅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。

2.1激光熔覆成形技术的发展

在激光熔覆成形技术的研究方面，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入该领域，并取得了一系列

研究成果，美国的Los Alamos 国家实验室、Sandia 国家实验室、密执安(Michigan)大学和Aero Met 公司等等所取得的研究成果较有代表性。

20 世纪90 年代中期，美国Sandia 国家实验室与United Technologies Pratt & 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，制造出锦基超合金、铁合金、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z 、

y 方向达到0.0 5 mm，z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、Honeywell、NASA 以及Ford 等合作，将激光成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。Los Alamos 国家实验室开

发了采用2 kW Nd：YAG 激光器和五轴数控工作台的DLF 系统，在充满氧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10μm ，精度达土0. 12mm。Aero Met 公司采用激光熔覆成形工艺进行航空铁合金零件的成形制造和修复，该系统内装有自动反馈控制传感器，工作台定位精度为±0.00762 cm(3/1 000 in)，可加工长度243.84

cm(8ft)、质量为272.154 kg(600 b)的飞机原型。该公司的制造速率较高，其单层沉积厚度达到4 mm，单道沉积宽度达到13 mm，可进行较大体积零件的制造，产品达到近终形，且成分和性能己经达到ASTM标准。图5 为Aero Met 公司的Lasform 工艺系统和采用该技术制造的大型零件，零件最大尺寸已达到2 400 mm×225 mm×100 mm。

Aero Met 公司在2000 年3 月为波音飞机公司(Boeing Company)制造了F/A-18 E/F 机翼零件。其生产的Ti-6Al-4V 零件Lockheed-Martin F-22 支架、波音F/A-18 E/F 机翼连接板和降落连杆零件已达到航空零件的性能要求。这些激光熔覆成形技术加工的钛合金零件不仅疲劳寿命大大超出传统工艺制造的零件，同时该技术节约材料及切削加工费用，零件成本降低20%～40%，生产周期也缩短80%。

国内在激光熔覆成形技术方面的研究起步较晚，始于20 世纪90 年代末，到2000 年以后才陆续有文献报道。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、北京航空航天大学和上海交通大学等单位相继开展这方面的研究，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。如西北工业大学、中国有色金属研究院和北京航空航天大学已采用不同的合金制成了具有一定形状的激光熔覆成形件，清华大学开发出了应用于