前沿技术｜金属增材制造代表性工艺详解

1 金属增材制造技术

表1是金属增材制造代表性工艺概略。金属增材制造有使用金属粉末和熔丝两种工艺，包括利用金属粉末在激光等能量源作用下快速熔化与凝固进行塑形的粉末床熔合法（PBF）；金属粉末和熔丝在能量源作用下形成熔池，逐层沉积进行制造的定向能量沉积法（DED）。还有其他金属增材制造方法，如使用电弧、激光和电子束等热源，采用不锈钢、工具钢、Ni基超合金、Co基超合金、Ti合金、Al合金和Cu合金等多种材料。另外，还有不使用热源的制造方法，如用喷墨方式涂敷黏结剂的黏结剂喷射（BJ）成型技术。

2 使用金属粉末的增材制造技术

2.1选择性激光熔化法

目前，在金属增材制造技术中，主流的制造方法是选择性激光熔化法（SLM）。该制造方法是用叶片和辊将金属粉末均匀地铺设成数十微米厚的粉末床，按照3D-CAD图，在规定位置照射激光，使铺设的粉末熔化、凝固成型的工艺。SLM法塑形自由度高，可制造复杂形状的成形件。基于SLM的特征，正在模具等领域研究在成形件内加入复杂通路的水冷孔，以改善冷却效率、提高模具寿命等措施。利用SLM法可制造提高冷却效率的热交换器、航空燃气轮机发动机的燃油喷嘴，不仅能提高部件数量和耐用性，还可以实现轻量化改善燃油效率。

但另一方面，SLM法因每层为数十微米的增材高度，成型效率比其他工艺低，这成为技术性问题。目前正在开发采用多激光同时照射达到缩短成型时间的装置。在材料方面，为了保证成形件的质量，SLM法不仅需要粉末床均匀，而且各种粉体特性，特别是填充性和流动性（易流动）要具有独特性。

2.2电子束熔融成型法

电子束熔融成型法（EBM）是与SLM法类似的工艺，但热源不是激光，是电子束。EBM法使用电子束，因此是在真空下进行成型的工艺，没有气氛中的气体成分吸附，适合制造高质量成形件。使用电子束可以将粉末床预热到700℃以上，因此可以使缺乏延性的材料成型。另一方面，预热工艺能够防止因电子束照射导致金属粉末带电、排斥和飞散。图1是EBM法制造的齿轮滚刀。例如，EBM方法可以用难加工易裂的TiAl合金类材料制造成形件，正在进行对用铸造方法等制造的低压透平机翼的适用研究。

2.3激光粉末沉积法

作为DED法的一种，激光粉末沉积法（LMD-P）是热源使用激光的粉末类成型工艺。LMD-P法是采用堆积沉积层制造成形件。该方法将焊炬安装在机器人上，搭配热源的激光振荡器和供给粉末的给料器构筑成系统。目前已经推出了五轴加工机和成型机组合的复合型LMD-P成型装置，该装置采用在内部反复成型和切削加工的工序，具有用一台装置便可制造成品零部件的优势。图2是LMD-P法制造的滑块芯。与SLM法和EBM法相比，LMD-P法成型率高，而且可以在制品的一部分制造成形件，因此可以在特定部位增材具有耐磨损性、耐热性和耐蚀性等特性的合金粉末。另一方面，与PBF法相比，LMD-P法难以成型复杂形状，需要在近终形制造成型后，进行切削精加工处理。但是，通过运用程序控制和CAM软件，LMD-P法的特定部位成型和在曲面上成型的优势，将使其适用于模具的修补和追加形状，以及对滑动部件耐磨损材料的部分修复。

2.4黏结剂喷射成型法

黏结剂喷射成型法（BJ）是近年来受关注的成型方法之一。BJ法与之前所述方法不同，其特征是在工艺中不涉及粉末熔融、凝固的工艺。BJ法与SLM法、EBM法一样，是平铺粉末的工艺，但在粉末中选择性涂敷树脂黏结剂，使粉末之间结合成型，在其后的工序中进行去除黏结剂和烧结的热处理。该方法没有热源照射工序，因此成型率高，与其他增材制造工艺相比，适合大量生产，因此期待向汽车行业推广。与BJ法类似的金属粉末注塑成型（MIM）（Metal Induction Molding）技术优点是无需准备具有适合SLM和EBM法粉体特性的金属粉末。另外，BJ法由于去除黏结剂和烧结处理，在成型密度和尺寸精度（热处理时的收缩）上存在技术性问题。

3 用熔丝的增材制造技术

4.1电弧熔丝增材制造法

目前使用金属粉末的增材技术是主流，但近年来熔丝增材制造技术也受到关注。熔丝增材制造的特征是，虽然不适合复杂形状、高精度的成形件制造，但成型率高，与机器人组合可以制造大型构件。电弧熔丝增材制造法（WAAM）是将普通焊接用电弧作为热源进行增材制造的工艺。WAAM法可以使用现有的气体保护电弧焊（GMAW）用电源。热源电弧的温度为10000℃以上，虽然线能量的控制存在问题，但近年来开发了可以采用低线能量焊接的焊丝进给控制方式的电源，期待适用于WAAM法。虽然WAAM法的应用实例较少，但使用等离子电弧的WAAM法制造的Ti合金飞机零件获得认证，且应用实例正在增加。

4.2激光熔丝沉积法

4.3电子束熔丝增材制造法

本文为部分内容，全文请参阅《世界金属导报》27期B06。