难加工材料激光快速成形的研究现状与展望黄因慧

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1、26航空制造技术2010 年第 21 期 专 稿 FEATURE 难加工材料激光快速成形的 研究现状与展望 南京航空航天大学 黄因慧 田宗军 高雪松 刘志东 赵剑峰 沈理达 激光快速成形技术突破了传统的材料变形成形和去 除成形工艺方法的许多限制， 基于增材制造的原理， 迅速 制造出形状复杂的三维实体模型， 可直接对难加工材料 进行成形。 地位。 金属材料 随着科学技术的不断发展， 航空 航天、 工程机械设备及其构件工作条 件日益苛刻， 要求材料必须具有耐高 温、 耐腐蚀、 耐磨损、 抗疲劳及耐冲蚀 等特性， 单纯的金属材料已不能满足 要求。一些耐腐蚀、 耐热的合金逐步 出现， 由于其自身的加工

2、性能受到了 影响， 激光快速成形技术在该领域迅 速得到应用。目前， 难加工金属材料 快速成形主要应用在航空航天结构 件方向， 如 316 不锈钢是航空发动机 的主轴材料， 钛合金为进气扇、 压气 叶片材料， 而镍基高温合金为燃烧室 和叶片的主要材料。它们都存在着 利用常规方法难以加工的问题， 尤其 是叶片等薄壁材料， 用常规切削方法 黄因慧 南京航空航天大学机电学院教 授， 博士生导师。长期从事特种加工 技术、 激光快速成形、 复合材料加工、 纳米涂层技术等学科的教学和研究工 作。先后主持和参加国家自然科学基 金重点项目、 面上项目、 国防预研基 金、 航空科学基金、 江苏省科技支撑计 划项目

3、、 江苏省自然科学基金重点项 目等 20 余项。获得省部级科技进步 奖 8 项， 获国家“有突出贡献的博士 学位获得者”称号， 享受国家特殊津 贴， 发表学术论文 100 余篇。 Reviews and Prospect for Laser Rapid Prototyping of Intractable Materials 难加工材料一直是机械加工领 域的重点研究对象。科学地说， 以材 料的切削性能作为衡量标准， 硬度 HB250、 强度1000MPa、 伸长率 80%、 冲击值0.98MJ/m2、 导热 系数k41.8 的材料统称为难加工材 料 1。 例如， 钛合金由于导热系数低， 切削时

4、温度较高， 刀具容易产生粘结 磨损、 氧化磨损； 镍基高温合金硬度 高， 容易产生崩刃现象； 而金属基复 合材料、 陶瓷材料由于脆性大更是很 难进行加工。激光快速成形技术突 破了传统的材料变形成形和去除成 形工艺方法的许多限制， 基于增材制 造的原理， 迅速制造出形状复杂的三 维实体模型， 可直接对难加工材料进 行成形 2。 本文主要针对激光快速成形技 术在难加工材料领域的应用状况进 行综述， 探讨如何能使激光快速成形 技术在机械加工领域占有更重要的 2010 年第 21 期航空制造技术27 专 稿 FEATURE 很难成形。 在国外， 美国Texas大学Austin 分校成功地制造了用于 F

5、-14 战斗 机 和 AIM-9 导 弹 的 INCONEL625 超合金和 Ti-6Al-4V 合金的金属 零件 3。德国的汉诺威激光中心 已对钴基 (stellite6) 和镍基合金 (Inconel625)进行研究。 德国EOS公 司用直接金属激光烧结法制成了新 的钴铬超合金零件 4。钴铬合金零 件的主要优点是强度高、 耐高温侵 蚀。美国 Sandia 实验室 5 对激光 净成形技术进行了研究， 所使用的 材料包括镍基高温合金、 钛合金、 钨 等。与传统工艺制造相比， 在没有损 失塑性的情况下， 采用激光净成形工 艺制造的近形金属件的强度显著提 高。通过调整工艺参数， 成形件的 最小特征

6、尺寸可达 0.76 mm， 制造的 近形件与 CAD 模型的设计公差仅为 0.0020.015。其生产的 Ti26Al24V 零件相对密度达 99.996%， 伸长率和 强度与传统方法相比均有很大提高。 在国内， 沈以赴等 6-8 采用直接 金属激光烧结的方法， 对 316 不锈钢 粉末进行了一系列烧结试验。结果 表明激光与不锈钢粉末直接作用很 容易产生球化现象， 影响成形质量； 而适当提高扫描速度或减小激光功 率可以在一定程度上减小 316 不锈 钢粉末激光烧结的球化效应， 从而制 备性能较高的不锈钢制件。 陈静等 9-10 对 TC4 钛合金的激 光快速成形工艺进行了较为系统的 研究。研究

7、表明， 激光快速成形 TC4 钛合金的工艺条件较为苛刻， 主要体 现在对粉末颗粒的尺寸范围要求较 为苛刻， 需要较高的激光功率密度， 成形过程中熔覆组织易于被保护气 中的 O、 N、 H 等杂质元素污染。但 是， 钛合金在成形过程中也有自己 的独特优势。在成形过程中不易开 裂， 因而大尺寸、 复杂形状零件的激 光快速成形较易实现。同时， 该实验 室还针对氢化脱氢钛合金粉末氧含 量较高的问题， 研究了添加稀土钕对 激光快速成形 TC4 合金组织的影响， 使成形件抗拉强度达 975 MPa， 延伸 率 9.5， 满足锻件标准要求。王华 明等 11 成功研究了国内首套用于制 备钛合金高活性金属零件的

8、动态密 封、 惰性气氛保护激光快速成形成套 工艺装备， 突破了钛合金复杂结构件 激光快速成形的关键技术， 成为国内 首家、 国际上少数几家全面掌握钛合 金零件激光快速成形技术的研究单 位之一。图 1 为其激光快速成形制 TA15 钛合金飞机结构件的过程及产 品 12。其主持完成的钛合金激光快 速成型项目分别在飞机钛合金次承 力结构件和飞机钛合金大型整体主 承力结构件上得到了应用， 并获得了 国防科技进步一等奖。 席明哲等 13 利用激光快速成形 技术制备了致密、 无裂纹的 316L 不 锈钢镍基合金 Ti6A14V 梯度薄 壁件。结果表明， 梯度薄壁件组织致 密， 未观察到孔洞、 裂纹等缺陷，

9、 各相 组织之间相容性良好。 本课题组是国内较早展开激光 直接烧结制备镍基高温合金结构 件的单位之一 14-16。针对难加工的 FGH95 镍基高温合金做了系统性的 烧结试验， 分析了烧结成形过程中缺 陷 （如孔洞、 裂纹、 球化现象等） 产生 的原因及防止措施， 并对烧结参数 （如功率、 扫描速度、 扫描路径） 对烧 结性能的影响做了详细的分析。图 2（a）是本课题组利用选区激光烧 结技术结合后处理技术制备的飞机 发动机叶片， 从图中可以看出成形质 量较好。图 2（b）为该发动机叶片 的显微形貌图， 从图中可以看出， 激 光烧结过程中液相保持了良好的流 动性， 充分润湿了粉体及其界面间 隙，

10、 形成了致密的烧结实体， 由于其 快速熔融和凝固的特点， 形成较大温 图1 激光快速成形钛合金飞机结构件的过程及产品 图2 利用选区激光烧结技术结合后处理技术制备的飞机发动机叶片 28航空制造技术2010 年第 21 期 专 稿 FEATURE 度梯度， 有利于枝晶的形成及生长， 并且枝晶沿着激光扫描方向生长， 呈 现很好的生长取向。该合金块体的 抗拉强度达到 700MPa 以上， 高温冲 击韧性可达 101.82J/cm2。 激光快速成形技术可以克服难 加工金属材料常规加工问题， 实现 薄壁及复杂形状的直接成形， 具有 很鲜明的特色。但该技术也存在一 定的局限性， 如其成形不够致密、 存 在

11、内应力， 这些都是有待解决的问 题。 陶瓷材料 陶瓷材料具有高强度、 高硬度、 耐高温、 耐腐蚀等优异特性， 在各个 领域都有着广泛的应用。但由于陶 瓷材料硬而脆的特点使其加工成形 尤其困难。在激光直接快速烧结时 液相表面张力大， 在快速凝固过程中 会产生较大的热应力， 从而形成较多 微裂纹。目前， 陶瓷直接快速成形工 艺尚未成熟， 国内外正处于研究阶 段， 还没有实现商品化。现有陶瓷快 速成形原理是在陶瓷中添加一定的 粘结剂， 利用激光与粘结剂的液相烧 结作用而使陶瓷相成形， 再进行后处 理加工。 Austin 大学于 20 世纪 90 年 代提出用选择性激光烧结法快速 制造陶瓷零件， 并得

12、到迅速推广。 Bertrand 等 17 研究了不同种类的 ZrO2-Y2O3陶瓷选区激光烧结工艺。 研究表明， 颗粒的表面形貌及原始 尺寸对陶瓷材料的烧结性能非常重 要， 陶瓷颗粒尺寸越小， 表面越接近 圆球形， 陶瓷层的烧结质量越好； 同 时激光参数对陶瓷材料的最终成形 影响也非常大， 其中粉末分层、 激光 扫描方式、 温度场控制都是影响最终 成形的重要因素。 Gtiffin等 18烧结 成形的 Al2O3陶瓷部件， 坯体密度可 达 53 65的理论密度。Li L19 利用SHS (自蔓延高温合成) 和SLS 合成了 TiC2/Al2O3 复合材料。史玉 升等 20 人研究了选择性激光烧结

13、 Al2O3/SiO2复相陶瓷零件。随着 SiO2 含量的增加， 烧结件的强度和密度也 随之提高； 当SiO2 (体积分数) 达到 20% 时， 成形件经 1450高温烧结 8h 抗弯强度达到 45MPa， 密度为 2. 35103kg/m3。 本课题组也展开了较多的研究 工作 21-23。图 3（a） 为激光直接烧 结的纳米 Al2O3陶瓷块体， 没有添加 粘结剂， 由于材料为纳米材料， 自然 条件下堆积的密度较低， 所以在烧结 过程中表层很难形成致密的陶瓷体。 图 3（b） 为该块体的端口形貌， 从图 中可以看出该组织结构仍然致密， 表 明激光烧结在保证烧结后晶粒尺寸 纳米尺度的前提下，

14、有能力获得致密 的纳米材料。 图 4（a）为本课题组利用冷 等静压激光烧结复合技术制备的 Al2O3-TiO2复合陶瓷块体。陶瓷材 料选用球形的 Al2O3-TiO2纳米团聚 体， 利用冷等静压使铺粉陶瓷层的致 密度达到 70% 左右， 再利用激光进 行烧结， 得到了成形较好的陶瓷块 体。图 4（b）为该陶瓷块体的高倍 显微形貌图， 从图中可知， 陶瓷块体 的组织结构致密， 晶粒结构细小， 这 种结构极其有利于提高陶瓷的韧性。 陶瓷材料由于具有自身优异的 高温性能， 一直是代替发动机高温叶 片材料的首选， 但由于其自身的成形 性能差等缺点， 限制了其应用。利用 激光快速成形技术可以克服陶瓷自

15、身脆性难加工的特点， 使其成形。但 如何解决陶瓷与激光作用时的烧结 性能是陶瓷激光快速成形成功与否 的关键。 金属陶瓷复合材料 以陶瓷为增强材料， 金属材料为 基体材料制成的金属基陶瓷复合材 料具有比强度高、 比模量高、 耐磨损、 耐高温等优良性能， 具有金属和陶瓷 材料的双重特性， 是目前航空航天领 域最有发展优势的材料。如金属基 2010 年第 21 期航空制造技术29 专 稿 FEATURE 复合材料装甲已用作美国空军 C - 130 运输机的防护装甲、 第三代航空 航天惯性器件材料等。 Vaucher 等 24 对选区激光烧结 Al-SiC、 Ti/SiC金属基复合材料进行 了研究。结

16、果表明， SiC 陶瓷块体均 匀地分布于金属相中， 金属相与陶瓷 相边界接触良好， 没有因热膨胀系数 不同而产生裂纹。Ramesh 等 25 利 用激光直接烧结技术制备了 Fe/SiC 复合材料， 并对材料的摩擦磨损性 能进行了测试。研究表明， 随着 SiC 含量的增加， 材料的摩擦性能明显 升高， 相对于其他复合材料， Fe/SiC 复合材料展现了极其优良的抗摩擦 性能。Maeda 等 26 研究了硬质金属 的选区激光烧结技术。激光烧结的 WC-Co 复合材料显微硬度可以达到 860HV， 而且其硬度随着 WC 含量的 加大会更高。 顾冬冬等 27-28 对选区激光烧结 WC-Co 颗粒增强 Cu 材料体系进行 了系统的研究。结果表明， 粉末激 光成形是基于液相烧结机制， 其中 Cu、 Co 充当粘结相， WC 充当增强 相。烧结试样显微硬度平均值 HV0.1 为 3898 MPa， 且分布平稳。同时研 究了稀土氧化物 La2O3添加量对激 光烧结直接成形 (WC-