关于金属材料激光立体成形技术探讨

摘 要：激光立体成形技术是在三十多年前，八十年代末期出现的一项高新制造技术，到二十一世纪为止激光立体成形技术经过近几十年的发展已经取得了很大进步，激光立体技术能够实现高性能致密金属零件的无模具快速近终成型。自八十年代起于美国的Sandia国家实验室，Los Alamos国家实验室，密歇根大学Mazumder教授的研究小组，相继进行关于金属材料激光立体成形技术探讨。到目前为止还处于实验研究阶段，金属材料激光立体成形技术的探讨、发展状况以及形成特性、凝固组织的形成规律已经进入了更加深入的研究。

关键词：激光立体成形；工艺技术；金属材料；精确度

引言：激光立体成形技术与以往的金属锻造过程相比来说，具有无模具、形成周期较短、低成本、高性能及快速响应能力。激光立体成形技术将为我国顶尖领域所研究的先进设备和先进发动机中的关键零件的生产提供前提条件，为我国乃至全世界开辟一条成形快速、经济、高效质量的激光立体成形体系。

目前，以美国为首的国外激光立体成形技术快速发展，在立体成形技术方面依然走在世界先端。在制造业所使用的技术零件激光立体成形研究中所使用的材料有很多种类，其中包括镍基超合金、不锈钢、工具钢、钛合金、钨等。通常我们利用激光立体成形技术。形状复杂、使用性能高于其他锻造制造的零件，在实际使用中可以增加金属零件的使用寿命，从而增加经济效益，进一步推动世界激光立体成形技术更加快速的发展。

1、激光立体成形技术的原理以及优点

激光立体成形技术的加工过程：首先必须在计算机中生成所需制造的金属零件三维模型图，按一定比例分层将其分割成为二维模型图，然后用激光熔覆的方法将二维模型材料堆积为三维模型实体金属零件或近似实体金属零件，最后经过机械设备的简单加工和处理，得到最终的实际金属材料零件。这就是金属材料激光立体成形技术。优点为：

（1）制造柔性化程度高，可以多品种、大批量的生产，推动了以往的金属制造技术发展。

（2）生产过程中省去了使用模具的时间和费用，缩短的制造周期从而提升了加工速度。

（3）激光立体成形技术分为三个阶段，计算机设计、激光立体成形和后期处理。制造过程完全符合了二十一世纪的发展节奏，信息化、现代化和智能化。

（4）激光成形技术利用计算机技术在很大程度上方便了金属零件所处不同部位，以及不同部位零件的组成成分的转变，实现最佳性能的搭配。

（5）由于激光成形技术完全由计算机操控，不需要模具成形，节约了经济开支、方便了制造商。

（6）利用激光成形技术的快速融化及凝固过程，可以加工结构复杂的材料，并且提高材料的使用性能。

（7）激光成形技术的快速发展优化了工艺，成形件具有内部致 密无缺陷的优点。

激光成形技术所制造的金属材料形状的符合度和性能要高于普通的金属锻造技术。许多飞机的器械设备所需的金属零件，几乎全是由激光成形技术制造来完成的。激光器的制造功率也提高了很多，目前达到了18KW。制造的金属零件的耐高温和强压能力也逐渐上升到一个新的层面，而且零件的制造不再局限于小金属零件的制造，利用激光成形技术制造的最大零件尺寸已经达到了数米见方，已经在实际应用阶段。

现如今中国在激光成形技术方面的发展也突飞猛进，但是相对于国外来说国内的激光成形技术和国外相比依然有些差距。国内激光成形技术在一九九五年才独立提出构思，逐步摸索着进行探索工作。一九九七年，西北工业大学凝固技术国家重点实验室与北京航空工艺研究所共同开展了对金属材料立体成形技术系统性的基础研究。一九九八年开始，国内乃至全球对激光立体成形技术的研究文献报道大幅度增加，开辟了激光立体成形技术的新纪元。也引起了该领域研究的热潮，清华大学和北京航空单位也相继开展了金属材料立体成形技术的研究工作。

2激光立体成形技术发展展望

2.1工艺技术研究进一步系统化

虽然激光立体成形技术带来了很大的便捷但是在一定程度上也带来了新的问题，如何控制工艺达到新的最佳成果，如何减少材料中裂纹的产生。有些金属材料的制造将会应用到国防高科技领域，所以在文献中不报道工艺的研究细节，如何消除工艺过程中的缺陷，如何提高工艺的精确度任然需要系统化。

2.2理论研究进一步深化

激光成形技术侧重于实验操作，但是要想得到准确精密的金属材料就要有充分的理论基础，在理论成熟的基础上才可以进行实际的实验操作。所以理论研究需要进一步深化。

2.3开发适用于激光成形技术的合金材料

金属材料激光成形技术中常用的材料有镍基超合金、不锈钢、工具钢、钛合金、钨等。这些材料都是实际应用比较多的材料，也许在某些程度上并不适合激光立体成形技术的加工过程，其加工过程或许会降低其性能，所以要在原有材料的基础上开发适合于该技术的合金材料。

2.4成形精度與成形速率如何达到最佳匹配

众所周知，激光成形技术加速了金属的制造和批量生产 ，但是在一定程度上我们还面临着激光成形技术的成形精度和成形速率的取舍问题，成形速率是关乎于经济收益的问题，而成形精度关乎于金属材料的精确性。如何达到其最佳匹配是当前的重要问题。

2.5粉末输送系统的改进

根据实验研究发现，需要用到粉末材料时在激光快速形成过程中时常发生堵塞，堵塞之后会在很大程度上影响其精确性和成形速率，因此减少粉末堆积就成了一项大问题，粉末输送系统的改进工作还需要增加。

结语：

尽管激光成形技术存在一定的弊端，但是其优势也不容小觑，激光成形技术修复了许多设备中的关键结构件，解决了锻焊技术中达不到的关键技术难题。该技术还扩展到了修复口腔和医学临床研究，取得了很大的成就和突破，从1995年开始，迄今22年的时间里，持续金属材料激光成形技术的研究和系统化工作，相信在以后的研究过程中激光成形技术将会走在世界的前端，成为一条重要的经济产链。

参考文献：

[1]黄卫东，李延民，冯莉萍，陈静，杨海欧，林鑫.金属材料激光立体成形技术[J].材料工程，2002（03）：40-43+27.

[2]刘业胜，韩品连，胡寿丰，柴象海，曹源.金属材料激光增材制造技术及在航空发动机上的应用[J].航空制造技术，2014（10）：62-67.

作者简介：

第一作者：房东升（1995-），男，籍贯：山东青岛，当前职务：学生，学历：本科，研究方向：材料成型及控制工程。

第二作者： 张帅（1996-），男，籍贯：湖北天门，当前职务：学生，学历：本科，研究方向：材料成型及控制工程。

第三作者：高扬（1994-），，男，籍贯：河南洛阳，当前职务：学生，学历：本科，研究方向：材料成型及控制工程。