金属零件选区激光熔化直接快速成形工艺及最新进展

专题综述［摘要］阐述了金属零件选区激光熔化直接快速成形的原理及其工艺特点；介绍了该工艺技术的最新进展及应用领域。

关键词：金属零件直接制造选区激光熔化快速成形［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｆｅａ－ｔｕｒｅｓｏｆｄｉｒｅｃｔｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｏｆｍｅｔａｌｐａｒｔｂｙｓｅｌｅｃ－ｔｉｖｅｌａｓｅｒｍｅｌｔｉｎｇａｒｅｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｔｈｅｎｅｗｅｓｔｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｓｏｆｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤｉｒｅｃｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆｍｅｔａｌｐａｒｔＳｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｍｅｌｔｉｎｇＲａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ传统制造零件往往采用多个步骤来完成制造过程，从设计到零件制造完毕有时需要很长的周期，不利于快速将产品推向市场。

并且因采用车、铣、刨、磨等去材料成形的方法，使材料浪费严重，此外对具有复杂内腔结构的零件，传统制造方法往往无能为力。

因此，人们对２０世纪８０年代出现的快速成形制造技术寄予很大的希望。

这种技术采用分层制造替代传统制造方法中的大部分工作（如铸造成形、切削成形、冲压成模等），大大缩短了制造周期［１］。

当前发展起来的２０多种快速成形技术中，多数不能直接制造金属零件，往往采用非金属材料通过快速成形的方法制造出零件的模具，然后再浇铸成金属零件［２］。

但工业上对金属零件的直接快速成形制造技术更感兴趣，因此近年来该技术成了快速成形技术的主流发展方向。

目前，能直接成形金属零件的快速原型制造方法主要有选区激光烧结技术（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＳＬＳ）、激光熔覆制造技术（ＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｅｄＮｅｔＳｈａｐ－ｉｎｇ，ＬＥＮＳ）、选区激光熔化技术（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＭｅｌｔ－ｉｎｇ，ＳＬＭ）等，其中选区激光熔化技术由于成形件致密性好，且具有冶金结合组织及精度高的特点，在国外已得到了普遍重视，并已推出了多种选区激光熔化设备样机，有的甚至开始商品化了［３￣６］。

本文将阐述选区激光熔化技术的原理及工艺特点，并着重介绍该技术的最新进展。

１选区激光熔化技术的原理及工艺特点选区激光熔化技术采用快速成形的基本原理，即先在计算机上设计出零件的三维实体模型，然后通过专用软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，将这些数据导入快速成形设备，设备将按照这些轮廓数据，控制激光束选择性地熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件［３，７］。

图１是选区激光熔化的原理示意图。

激光束开始扫描前，水平刮板先把金属粉末平刮到加工室的基板上，然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓，然后可升降平台下降一个图层厚度的距离，水平刮板再在已加工好的当前层上铺金属粉末，设备调入下一图层进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。

整个加工过程在通有气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。

选区激光熔化技术（ＳＬＭ）是在选区激光烧结技术（ＳＬＳ）的基础上发展起来的，两者的不同之处在于后者所采用的往往是一种金属材料与另一种低熔点材料（可以是低熔点金属或有机粘接材料）的混合物，在加工过程中，低熔点材料熔化或部分熔化，但熔点较高的金属零件选区激光熔化直接快速成形工艺及最新进展＊ＮｅｗｅｓｔＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＤｉｒｅｃｔＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｏｆＭｅｔａｌＰａｒｔｂｙＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＭｅｌｔｉｎｇ华南理工大学机械工程学院杨永强吴伟辉来克娴黄常帅广州生产力促进中心付凯旋张荣明＊广东省科技攻关项目（２００４Ａ１０４０３００４）资助。

图１选区激光熔化成形原理示意图［３］Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｍｅｌｔｉｎｇ［３］专题综述金属材料并不熔化，而是被熔化或部分熔化的低熔点材料包覆粘结在一起，从而形成类似于粉末冶金烧结坯件一样的原型。

这种原型表面粗糙，疏松多孔，力学性能很差，常常还需要经过高温重熔或渗金属填补孔隙等后处理以后才能使用［２，６￣７］。

选区激光熔化技术的特点［６￣７］：（１）直接制成终端金属产品，省掉中间过渡环节；（２）使用具有高功率密度的激光器，以光斑很小的激光束加工金属，使得加工出来的金属零件具有很高的尺寸精度（达０．１ｍｍ）以及好的表面粗糙度（Ｒａ３０～５０μｍ）；（３）在选区内熔化金属制造出来的零件具有冶金结合的实体，相对密度几乎能达到１００％，大大改善了金属零件的性能；（４）由于激光光斑直径很小，因此能以较低的功率熔化高熔点的金属，使得用单一成分的金属粉末来制造零件成为可能，而且可供选用的金属粉末种类也大大拓展了；（５）适合各种复杂形状的工件，尤其适合内部有复杂异型结构（如空腔）、用传统方法无法制造的复杂工件；（６）适合单件和小批量模具或工件快速制造。

２选区激光熔化技术的最新进展２．１设备的最新进展华南理工大学与北京隆源自动化成型设备有限公司及武汉楚天工业激光设备有限公司合作，在国内的选区激光烧结设备的基础上开发了一种选区激光熔化快速成形设备，目前样机已制造完毕，并已展开工艺试验。

该设备采用了额定功率２００Ｗ，平均输出功率为１００Ｗ的半导体泵浦的Ｎｄ∶ＹＡＧ激光器，通过透镜组将在工作台表面上的激光束光斑直径聚焦到１００μｍ左右。

采用高精度丝杆控制铺粉的厚度，铺粉精度能达到±０．０１ｍｍ，粉末铺设机构全自动化控制。

针对金属粉末在熔化过程中的氧化，采用整体和局部惰性气体保护。

所用软件包括ＡＴ６４００电机控制软件、Ａｒｐｓ２０００扫描路径生成与优化软件、Ａｆｓｗｉｎ２４０操作系统软件等。

该设备要求成形尺寸为８０ｍｍ×８０ｍｍ×５０ｍｍ，尺寸精度达到±０．１ｍｍ，表面粗糙度Ｒａ３０～５０μｍ，相对密度接近１００％［２］。

目前德国在该领域处于领先地位，已有多家公司及研究单位推出了选区激光熔化商品样机，并且已成功地利用选区激光熔化工艺制造出了组织致密、成形精度高、力学性能良好的金属零件。

ＥＯＳＧｍｂＨ公司的ＥＯＳＩＮＴＭ２７０快速成形设备是该公司新开发的选区激光熔化设备，采用了性能优良的Ｙｂ光纤激光器，能将激光束光斑直径聚焦到１００μｍ，大大改善了零件成形的质量，并且由于这种激光器的激光波长短（１．０６μｍ），可使金属材料能很好地吸收激光辐射过来的能量，大大提高激光扫描的速度，减少成形时间。

该设备最大的加工体积可达２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×２１５ｍｍ，加工层厚为２０～１００μｍ，加工速度可达２０ｍｍ３／ｓ［４］。

ＭＣＰ公司的ＭＣＰＲｅａｌｉｚｅｒ＿ｍｅｄ快速成形设备，已能生产相对密度为１００％的金属零件，表面粗糙度为Ｒａ１０￣３０μｍ，产品在数小时内就能生产出来，加工过程全部自动化，每小时建立５ｃｍ３接近１００％相对密度的钢零件，产品只需作简单的喷砂或抛光就可以直接使用。

该设备采用刮板机构进行铺粉，可以将每个加工层控制得很薄（达到３０μｍ），大大提高了成形精度［３］。

此外，德国ＣｏｎｃｅｐｔＬａｓｅｒｓ公司的Ｍ３快速成形设备，Ｐｈｅｎｉｘ－ｓｙｓｔｅｍｓ公司的ＰＭ２５０快速成形设备都可用于金属零件的选区激光熔化快速成形［５］。

日本Ｏｓａｋａｄａ实验室的选区激光熔化设备采用峰值功率３ｋＷ，平均功率５０Ｗ，频率为５０Ｈｚ的Ｎｄ∶ＹＡＧ激光器，激光束通过光纤传输到加工室，在加工平面上的光斑直径为０．７５ｍｍ，零件每层的厚度为０．１ｍｍ，扫描速度可达３～４ｍｍ／ｓ。

用该设备对钛金属粉末进行试验，可制成相对密度为９２％的金属零件，其抗拉强度与一级钛金属试样差不多，但抗疲劳性能较差，仍需进行一些后处理才能使用。

２．２工艺的研究进展从金属零件的选区激光烧结技术到金属零件的选区激光熔化技术，需要解决以下几个问题：如何能制造出有冶金结合的金属零件；如何能使用单一成分的金属或合金粉末制造零件；如何实现制造出来的零件无须后处理即能达到很高的相对密度。

（１）光束质量的改善及激光器的选用。

激光光束的质量在很大程度上决定了能否解决好上述３个问题。

选区激光烧结技术往往采用较低功率的ＣＯ２激光器，这种激光器的光斑难以调到足够小，致使激光功率密度不够，此外由于ＣＯ２激光器的波长太长（１０．６μｍ），所发出的激光不能很好地被金属粉末吸收，这使得选区激光烧结工艺不能熔化高熔点的金属专题综述材料，因而必须采用一种主要的金属材料与另一种低熔点的材料的混合物来烧结出金属零件［２，６￣７］。

激光熔覆制造工艺往往采用大功率的ＣＯ２激光器，这样虽然可以熔化高熔点的金属材料，并得到冶金结合的金属构件，但是由于激光束光斑太大，尺寸精度和表面粗糙度较差。

因此，激光器的选用对光束质量的改善将起到决定性作用，这也是选区激光熔化工艺得以实现的一个关键因素［２］。

当前激光器的研究进展很快，半导体泵浦ＹＡＧ激光器具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长及能获得高光束质量输出等优点，已被应用于选区激光熔化技术里，德国ＣｏｎｃｅｐｔＬａｓｅｒ公司的Ｍ３Ｌｉｎｅａｒ金属零件快速成形设备就采用了半导体泵浦的单模Ｎｄ∶ＹＡＧ激光器，激光功率为１００～２００Ｗ［５］。

光纤激光器的研究进展为金属零件选区激光熔化技术提供了另一种激光器，和传统的激光器相比，光纤激光器具有高增益、线宽窄、可宽带调谐、散热性能好以及易于和传输光纤耦合等优点［８］。

由于早期的光纤激光器采用将泵浦光直接耦合进直径小于１０μｍ的单模光纤芯的方法，耦合效率低，导致光纤激光器的输出功率较低，一般输出功率为毫瓦量级。

然而，大多数应用领域更需要瓦量级的光功率输出，由于受到光纤制作技术、泵浦光源以及光学技术的限制，光纤激光器发展比较缓慢。

２０世纪９０年代后期，随着半导体激光器及其掺杂光纤制作技术的日益成熟，光纤激光器的研究才取得了重大进展，其输出功率从１９９４年的５００ｍＷ提高到２００２年的２０００Ｗ［９］。

光纤激光器已能满足工业上的使用要求，近两年，国外的金属零件选区激光熔化工艺中已经开始采用光纤激光器，如德国的ＥＯＳＧｍｂＨ公司（ＥＯＳＩＮＴＭ２７０设备）、Ｐｈｅｎｉｘ－ｓｙｓｔｅｍｓ公司都采用了固体光纤激光器［５］。

此外，在日本，Ｎｄ∶ＹＡＧ固体脉冲激光器也被应用到了选区激光熔化技术中［６］。

（２）材料的研究。

科技工作者希望能利用各种金属粉末材料在选区激光熔化设备上成形金属零件，但目前的选区激光熔化工艺距离这一目标仍有一段距离。

ＭＣＰ公司在材料的选用上做得比较好，目前该公司的选区激光熔化技术设备可以采用锌、青铜、不锈钢、工具钢、钛、铬钴合金等材料［３］。