金属零件的直接快速制造技术及发展趋势

增材快速成形与制造技术在高形状复杂度、高功能复杂度零件的制造方面独具特色，被认为是现代制造技术发展史上的一个里程碑，并正向高功能、高性能材料零件直接制造方向发展,对制造业产生着深远的影响[1-2]。其中，金属零件的直接快速制造(DirectRapidMetalManufacturing)需求范围最广，也是其主要发展方向之一。目前主要有采用激光束、电子束、等离子束的高能三束，以及非高能束的成形方法，该技术可直接由零件CAD模型，完成难加工复杂形状金属零件的快速成形，还可根据零件不同部位的工作条件与特殊性能要求实现梯度功能材料零件的快速成形。因此，这是一种零件结构与材料设计、新材料制备、成形、加工一体化的创形创质并行的短流程、数字化制造技术，代表着先进制造技术的发展方向。由于该技术和装备在航空航天、国防、能源、交通等尖端支柱领域的重要应用前景,受到发达国家政府和企业的高度重视和大力支持,但目前尚处在工业规模实用化的前夜。

高能束金属零件直接快速制造技术现状

因篇幅所限，本课题主要分析广泛使用的致密金属零件的直接快速制造技术现状，其中，采用高能束流的直接制造主要有选区激光熔化/烧结成形法（SLM/SLS）和激光近终成形法（LENS）、电子束成形法（EBM）、等离子束熔积成形法(PDM)，以及其它派生的技术。

1、SLM技术

SLM（SelectiveLaserMelting）技术是在SLS技术基础上发展起来的，与SLS方法的相同之处是，因控制热变形困难等限制而只适于成形复杂形状小型件；不同之处是将粉末烧结改良成粉末熔化，省去了SLS法后续的低熔点金属浸渗致密化环节，较SLS方法可直接成形密度显著提高的金属产品。然而，对于成形过程中出现的熔化金属“聚球”现象，需严格控制材料参数、工艺参数和扫描方式才能减轻[3]。要得到高致密度零件需采用热等静压技术，但这往往需要后续加工来保证精度，从而增加了制造难度、时间和成本。SLM/SLS技术皆因采用层层铺粉的送料方式而难以制造梯度功能材料FGM零件。图1为MTT公司采用SLM技术制造的金属零件[4]。

PHENIXSYSTEMS公司研究开发了与SLS方法相似的激光烧结方法，不同之处在于采用了激光固相烧结的专利技术，并使用了光纤激光器。公司宣称：金属粉末成形无后续热处理工序[5]，但未见其对成形件密度数据影响的报道；其开发的PM250机型的圆柱成形室空间为直径250mm，高300mm，成形材料采用高温合金、不锈钢、模具钢等粉末。

2、LENS技术

由美国Sandia国家试验室与AlliedSignalInc．，EastmanKodakCo．，HasbroInc．，LaserFareInc．等公司合作开发，已成功制造了316、304不锈钢，Inconel625、690、718镍基高温合金，H13工具钢，Ti-6Al-4V钛合金以及镍铝金属间化合物等材料零件，还制备了316-304不锈钢、304不锈钢-A690合金、Fe-Cu、Ti-V和Ti-Mo梯度材料零件，显示出其在功能梯度材料制备方面的独特优势。目前，Optomec公司专门从事该技术的商业化工作，已开发出1kW的LENS850商业机，运动定位精度在X-Y方向为0.05mm，Z方向0.5mm，成形最小层厚0.0756mm，最大成形速度8.19cm3/h[6]。图2为Optomec公司开发的LENS850成形机成形腔内状况和成形零件。