激光立体成形高性能金属零件研究进展

摘要：激光立体成形技术是从 20世纪 80年代初期发展起来的一项先进制造技术，能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形。该技术可以用于承受强大力学载荷的三维实体金属零件的快速制造，也可应用于具有较复杂形状和较大体积制造缺陷、误加工损伤或服役损伤零件的修复。主要围绕激光立体成形技术在追逐高力学性能方面的研究工作，综述了激光立体成形研究和应用的主要进展情况。对多种合金的大量研究工作表明：激光立体成形金属零件的综合力学性能同锻件相当，导致这样优越的力学性能的主要原因在于其材料组织致密、细小、均匀，可以通过优化成形工艺和热处理工艺而获得基本上没有冶金缺陷的状态。激光立体成形技术的主要应用对象是兼顾高性能和复杂结构的金属零件的制造和修复。实现高性能修复是激光立体成形技术最近的一个引人注目的研究进展，修复零件的力学性能可以仅在简单的退火热处理状态下即达到锻件力学性能标准，这使得过去认为不可修复的高性能重要金属零件具备了现实的修复技术途径，这必将是激光立体成形技术最有前景的应用方向之一。

关键词：激光立体成形；金属零件；快速制造；修复

1.前言

1995年，本文作者注意到了当时蓬勃发展的快速原型技术，遂产生了利用快速原型技术的实体自由成形原理快速制造具有复杂形状的高性能金属结构件的想法。这在当时是一个大胆的新想法。当时除了激光选区烧结 ( SLS)可以制造承载较小力学载荷的金属或陶瓷注塑模具外，几乎所有的快速成形技术都主要是针对制造原型而不是承载高强度力学载荷的高性能结构件，所采用的成形材料也十分广泛，包括纸、树脂、腊、陶瓷、金属等，因而快速原型技术一度被作为快速成形技术的同义词。由于作者长期在航空航天材料成形领域从事研究工作，意识到如果发展出一种实体自由成形快速制造具有复杂形状的高性能金属结构件的技术，对于航空航天领域的材料成形将具有十分重要的价值。

快速成形技术的主要技术特征是数字化增材成形三维实体零件，如果构成零件的点、线、面基元结构具有高强度，同时这些基元结构在添加成形过程中形成高强度的结合，原则上就可以自由成形高强度的三维实体零件。作者注意到，激光熔覆技术满足以上条件，因此，形成了把快速原型技术的数字化增材成形原理同激光熔覆相结合，发展了一种自由成形高性能复杂结构金属零件的技术构思。实现这个新技术构思首先必须解决的关键问题，是获得材质致密、组织结构细小均匀的金属成形件。因此，1997年立项，由西北工业大学和中航集团北京航空工艺研究所合作承担的航空科学基金重点项目，就是题为 / 金属粉 材激光立 体成形 ( Laser SolidForm ing，LSF)的熔凝组织与力学性能研究0。作者对这项技术是否可以实现其预定目标的唯一担心，是能否克服激光立体成形过程中熔池附近的高温度梯度导致的应力的负面效应。研究结果表明，在适当的工艺条件下,激光立体成形金属结构件可以获得很高的力学性能，通常可以达到与锻件相当的综合力学性能。虽然应力效应是可以克服的，但始终是激光立体成形需要高度关注的问题。对于激光立体成形件可以获得与锻件相当的高性能，一直以来就有很多人存有疑问。因为激光成形件的材料组织属于铸态组织，而通常情况下，铸态组织的力学性能显著低于锻件组织，何以激光成形态组织可以有锻态组织的性能？本文将对此予以解答。

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