增材制造的概述

增材制造

增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。

增材制造按能量源分类

⏹激光束

⏹电子束

⏹等离子或等离子束

通过热源加热材料使之结合、直接制造零

件，统称高能束流快速制造

增材制造按工艺分类⏹LMD技术

⏹SLM技术

LMD技术基本原理

LMD技术作为增材制造技术的一种，是通过快速成型（RapidPrototyping，RP）技术和激光熔覆技术有机结合，以金属粉末为加工原料，采用高能密度

激光束将喷洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造

技术。整个LMD系统包括激光器、激光制冷机组、激光光路系统、激光加工机床、激光熔化沉积腔、送粉系统及工艺监控系统等。

LMD快速成型技术的基本原理为：首先，利用切片技术将连续的三维CAD

数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片；第二，提取每一层切片所产生

的轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强

度等，并转换成相应的计算机数字控制程序；第三，将激光溶化沉积腔抽真空，并充入一定压力的惰性保护气体，防止粉末熔化时被氧化；第四，计算

机控制送粉系统向工作台上的基板喷粉，同时激光器在计算机指令控制下，

按照预先设置的扫描程序进行扫描，溶化喷洒出来的粉末，熔覆生成与这一

层形状、尺寸一致的熔覆层；最后，激光阵镜、同轴送粉喷嘴等整体上移

（或工作台下移）一个切片厚度并重复上述过程，逐层熔覆堆积直到形成CAD 模型所设计的形状，加工出所需的金属零件。

SLM技术基本原理

SLM技术作为增材制造技术的另外一种实施方式，由粉床选区激光烧结技术（SLS）发展而来，以金属粉末为加工原料，采用高能密度激光束将铺洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。整个SLM设备包括激光器、激光阵镜、粉末碾轮、粉末储存室、零件成型室等。

SLM快速成型技术的基本原理为：首先，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片；第二，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强度等，并转换成相应的计算机数字控制程序；第三，将激光溶化沉积腔抽真空，并充入一定压力的惰性保护气体，防止粉末熔化时被氧化；第四，计算机控制可升降系统上升，粉末碾轮将粉末从粉末储存室推送到零件成型室工作台上的基板，同时激光器在计算机指令控制下，按照预先设置的扫描程序进行扫描，溶化铺洒在基板上的粉末，熔覆生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层；最后，粉末储存室上移而零件成型室下移一个切片厚度并重复上述过程，逐层熔覆堆积直到形成CAD模型所设计的零件。

增材制造钛合金的组织特征

试样顶部，试样顶部由大量的等轴V晶粒

组成。等轴V晶粒内部组织如图b所示，

其亚结构十分复杂，在粗大的等轴V晶界

上有少量的Al团束析出，而在V晶粒内部

密集分布着针状Al、片状Al及V相转变组

织

试样底部，从基底至沉积试样中部的微观

组织依次为基底纯钛组织、片(条)状组织、

网篮组织、细密马氏体组织

以激光增材制造Ti6Al4V为例

其他方法制造钛合金的组织特征

⏹铸造钛合金——一次性成型，组织存在较多缺陷，力学性能通常低于锻造件

⏹锻造钛合金——

在较短时间内经受较大的变形,因而在组织形态上表现出较为明显的变形方向特征

⏹粉末热压钛合金——通常可得细密、稳定的晶粒组织，组织性能优于锻件

裂纹扩展与断裂韧性裂纹扩展：当材料受到小于屈服强度的交变应力时，会产生疲劳问题，即在疲劳源附近，发生裂纹的萌生和扩展

断裂韧性：表征材料阻止裂纹扩展的能力

裂纹扩展、断裂韧性试样类型及规格尺寸

裂纹扩展、断裂韧性检测方法

在试样中间开一裂纹，通过三点或四点抗弯断裂测试，

计算材料的断裂韧性。

a 232BL

PL Y K IC 公式：

加载频率的影响：裂纹扩展速率低时，加载频率的变化对疲劳裂纹扩展速率基本没有影响；速率高时，加载频率的降低使裂纹扩展速率增大

⏹R ＞0时，随着R 的增大，高速率区，裂纹扩展的寿命减小；在低速率区，疲劳裂纹扩展速率的下限降低⏹R ＜0时，负应力的存在使低速率区裂纹扩展加快；对中速率区的裂纹扩展速度影响不大；在高速率区，裂纹扩展速度有减缓的趋势

应力比R 的影响：a m R -1R 1σσ+=平均应力

循环应力

⏹温度

⏹腐蚀环境等