雷射立體成形

《雷射立體成形：高性能緻密金屬零件的快速自由成形（材料科學與工程）》是一本系統論述雷射立體成形技術的專著，作者們系統地總結了十餘年來在雷射立體成形方面的研究成果，同時也吸納了世界上這一領域學者反映在學術刊物、會議和網路中的研究成果，撰寫了這部著作，對相關領域的研究和套用工作有所幫助。

基本介紹

• 書名：雷射立體成形
• 作者：黃衛東
• ISBN：9787561221594
• 出版社：西北工業大學出版社
• 裝幀：平裝
• 叢 書 名：冷配線上

內容簡介

《雷射立體成形：高性能緻密金屬零件的快速自由成形（材料科學與工程）》內容共分6章：

第1章回顧了雷射立體成形技術的發展歷程，重點評述了快速原型技術、雷射熔覆技術和雷射立體成形技術的特點、套用背景和國內外的發展狀況。

第2章探討了雷射立體成形技術的一些主要工藝問題；對不同工藝參數對成形特性的影響規律進行了總結。

第3章從快速凝固基礎理論出發，討論了雷射立體成形件的材料微觀結構特徵和相及組織形成機理。

第4章闡述了雷射立體成形的理論模型和數值分析方法；總結了雷射熔凝及熔覆過程理論模型的歷史發展過程；討論了雷射熔凝及熔覆的基本問題及各類數值模型，並對這些模型進行了分析比較；詳細介紹了雷射立體成形數值模擬的方法。

第5章討論了雷射立體成形過程與成形件的力學行為，包括成形件的內應力和變形形成規律及主要影響因素，雷射立體成形過程裂紋形成機理，雷射立體成形件的力學性能和影響因素，以及消除成形缺陷、獲得優良力學性能的工藝方法。

第6章簡要介紹了雷射立體成形技術的套用情況，包括在航空、航天、汽車工業、模具製造、醫學、零件修復及合金設計等領域的一些套用實例。

圖書目錄

第1章 緒論

1.1 雷射立體成形的技術原理和主要特點

1.2 發展歷史

參考文獻

第2章 雷射立體成形工藝特性

2.1 雷射立體成形裝備系統

2.2 雷射立體成形工藝特性

參考文獻

第3章 雷射立體成形組織形成原理

3.1 雷射近快速凝固理論基礎

3.2 柱狀晶/等軸晶生長轉變

3.3 雷射熔池形狀對微觀組織的影響

3.4 雷射立體成形的典型組織特徵

參考文獻

第4章 雷射立體成形的理論模型和數值分析方法

4.1 概述

4.2 雷射熔凝的數學模型及分析

4.3 雷射熔凝控制方程的數值解法

4.4 雷射、粉末和基體相互作用的數學模型及數值分析

參考文獻

第5章 雷射立體成形過程中的力學行為

5.1 雷射立體成形內應力及其產生原因

5.2 殘餘應力和殘餘變形

5.3 雷射立體成形過程中的裂紋

5.4 雷射立體成形結構件的力學性能

參考文獻

第6章 雷射立體成形技術的套用與發展

6.1 金屬零件的雷射立體成形

6.2 雷射成形修復

6.3 合金設計

參考文獻

雷射成形

雷射立體成形：高性能增材製造技術的代表 黃衛東

1892年，一個立體地形模型製造的美國專利首創了疊層製造原理，在其後的一百年間，類似的疊層製造專利有數百個之多，實踐中的技術探索也層出不窮。但以立體光刻技術的誕生為標誌，以快速滿足柔性化需求為主要套用目標的現代增材製造技術才真正形成。可以說，如果沒有CAD實體模型和對其進行分層剖分的軟體技術，沒有能夠控制雷射束按任意設定軌跡運動的振鏡技術、數控工具機或機器手，增材製造技術的柔性化特徵就只能停留在一種理想的原理上。因此，增材製造技術應該被稱為信息化增材製造技術或數位化增材製造技術。作為信息化時代的代表性製造技術，增材製造技術是應該得到大力支持的前沿技術，是使我國在信息化時代，特別是當前回歸實體製造業的世界潮流中占領製造技術領域國際制高點的優先發展方向。

西北工業大學博導 黃衛東

雷射立體成形是能夠滿足成形/成性一體化極限需求的增材製造技術

自立體光刻技術誕生以來，產生了很多構思奇妙的增材成形製造技術，對社會生產力的發展起到了極大的推動作用。但大多數增材成形技術主要是套用於快速原型製造，所以一度被冠以“快速原型”技術的名稱。但增材成形原理絕非只能用於成形，也可以解決高性能的需求。雷射立體成形技術就是一種兼顧精確成形和高性能成性需求的一體化製造技術。雷射立體成形技術是將增材成形原理與雷射熔覆技術相結合，集雷射技術、計算機技術、數控技術和材料技術諸多現代先進技術於一體的一項實現高性能緻密金屬零件快速自由成形的增材製造技術。

20世紀90年代以來，材料加工技術發展前沿呈現了一個明顯的趨勢，即追求短流程、低消耗、高柔性、環境友好、成形與組織性能控制一體化的先進技術。這種趨勢反映的是需求的極限化要求，即同時滿足多方面高端需求。這種極限化的需求在很多領域反映出來，而尤以航空航天領域為典型。航空航天領域的金屬材料加工技術的典型前沿需求是兼顧高精度、高性能、高柔性與快速反應，成形結構十分複雜的薄壁金屬零件。儘管鑄、鍛、焊、粉末冶金等各種傳統技術都被努力發揮到近於極限，但由於其各自的技術原理所帶來的根本性限制，依然難以滿足這種極限化需求，這常常成為制約航空航天整體技術發展的瓶頸。雷射立體成形技術，作為一種快速自由成形高性能緻密金屬零件的新技術，為解決同時滿足上述多方面高端需求的難題提供了一條全新的技術途徑。這項技術在醫學植入體、船舶、機械、能源、動力領域複雜整體構件的高性能直接成形和快速修復等領域也都有廣闊的套用前景。

同批量化製造相比，滿足多樣化需求的個性化製造本質上是高成本的。信息化增材製造與採用常規製造技術來滿足多樣化和個性化需求相比，成本已經得到了極大的降低，但同批量化製造相比其成本仍然更高。因此，除了在新品研製和航空航天等可以承受較高製造成本的高端領域外，雷射立體成形技術在其他領域的套用發展還受到較大的限制。但任何新技術的發展都有一個從初期的高成本逐漸降至低成本的過程。雷射立體成形有進一步降低製造成本的廣闊空間。一方面，雷射器及其運行成本在不斷降低；另一方面，隨著人力成本越來越高，雷射立體成形相對於需要大量人力的傳統加工技術的成本會變得越來越低。在現階段，雷射立體成形還主要是在要求高性能、小批量、快速反應的零件生產的場合具有競爭力，而未來在批量生產領域的競爭力也會逐漸增強。

增材製造/雷射立體成形技術的發展現狀與趨勢

近年來，雷射立體成形技術得到已開發國家政府、大企業和研究機構的高度重視。作為美國製造業振興計畫 “We Can‘ t Wait”項目的一部分,美國政府於2013年8月高調宣布成立國家增材製造創新研究所（NAMII ：National Additive Manufacturing Innovation Institute ），其第一階段的政府和民間投資為7000萬美元。歐巴馬總統強調這個研究所的成立是強化美國製造業的步驟。在空客於2006年啟動的集成機翼計畫（Integrated Wing ATVP，第一階段總經費3400萬英鎊）中，英國焊接研究所（TWI）承擔起落架雷射成形研發工作，經費400萬英鎊，TWI為此建立了兩套雷射成形裝備。南非科技與工業研究院（CSIR）下屬的國家雷射中心與南非航空製造公司Aerosud將合作開展Aeroswift項目研究。Aeroswift的目標是，自主開發高速度、大體積的高性能金屬零件雷射添加材料製造（LAM）系統，為全球航空工業製造鈦金屬材料配件，並力爭在未來三年內，使Aerosud成為全球航空結構材料製造領域的領軍者。Aeroswift的目標是直接加工2m×0.5m×0.5m的零件。為此，南非科技部已經投入了2800萬蘭特（約合1712萬元人民幣），並且預計他們的LAM製造體系將在2012年底至2013年初完成組建和試驗工作，然後開始最佳化和工藝鑑定，希望從2015年開始全面生產。

雷射立體成形 / 增材製造設備

美國波音公司、洛克希德·馬丁公司、通用電氣航空發動機公司、Sandia國家實驗室和Los Alomos國家實驗室、歐洲EADS公司、英國羅羅公司、法國SAFRAN公司、義大利AVIO公司、加拿大國家研究院、澳大利亞國家科學研究中心等大型公司和國家研究機構都對雷射立體成形技術及其在航空航天領域的套用開展了大量研究工作。參與這項研究的世界著名大學更是數不勝數。

值得注意的是，美國軍方對這項技術的發展給予了相當大的關注，在其直接支持下，美國於2000年率先將這一先進技術實用化。套用目標包括先進飛機承力結構件如鈦合金支架、吊耳、框、梁等，航空發動機零件如鎳基高溫合金單晶葉片，戰術飛彈、人造衛星、超音速飛行器的薄壁結構件如飛彈制導部外殼座、飛彈姿態控制系統的錸燃燒室等。2002年10月該公司獲得美國國防部後勤局（U. S. Defense Logistics Agency）出資1940萬美元，資助AeroMet公司由單純的技術研究開發到成為軍用及民用飛機的通過認證的、性能可靠的鈦合金結構件雷射立體成形製造供應商的轉變。

我國在雷射立體成形技術領域處於世界先進水平。西北工業大學於1995年開始在國內率先提出以獲得極高（相當於鍛件）性能構件為目標的雷射立體成形的技術構思，並在迄今17年的時間裡持續進行了雷射立體成形技術的系統化研究工作，形成了包括材料、工藝、裝備和套用技術在內的完整的技術體系。針對航空航天等高技術領域對結構件高性能、輕量化、整體化、精密成形技術的迫切需求，開展了鈦合金、高溫合金、超高強度鋼和梯度材料雷射立體成形工藝研究，突破結構件的輕質、高剛度、高強度、整體化成形，應力變形與冶金質量控制，成形件組織性能最佳化等關鍵技術。雷射成形和修復了大量飛機中關鍵結構

件，解決了飛機任務研製過程中迫切需要解決的關鍵技術難題，為飛機研製與生產提供了有力的技術保障。針對大型鈦合金構件的雷射立體成形，解決了大型構件變形控制、幾何尺寸控制、冶金質量控制、系統裝備等方面的一系列難題，並試製成功C919大飛機翼肋TC4上、下緣條構件，該類零件尺寸達450mm×350mm×3000mm（圖），成形後長時間放置後的最大變形量小於1mm，靜載力學性能的穩定性優於1%，疲勞性能也優於同類鍛件的性能。而專用於先進飛機結構件的雷射成形修復裝備可以修復尺寸達5000mm×600mm×3000mm的零件。雷射組合製造和成形修復在航空工業中得到廣泛套用。該技術的研究和套用還包括大型機械裝備關鍵零件的高性能快速修復和口腔金屬植入體的成形和醫學臨床研究。在雷射立體成形工藝裝備建設方面取得重大突破，實現我國商用雷射立體成形工藝裝備製造的零突破。截至2012年，西工大向航空航天領域內國家大型企業和研究院所，以及GE中國研究中心提供了5台雷射立體成形與修復裝備，在領域內形成較大影響力。在雷射立體成形裝備方面，國內除西工大外，目前沒有其他單位提供過商用化雷射立體成形裝備。目前，西北工業大學已經開發出了系列固定式和移動式雷射立體成形工藝裝備。針對不同套用特點，分別採用CO2氣體雷射器，YAG固體雷射器，光纖雷射器和半導體雷射器，成形氣氛中氧含量可控制在10ppm以內，具有熔池溫度、尺寸和沉積層高度的實時監測和反饋控制系統，配備自主開發的材料送進裝置、成形CAPP/CAM及集成控制軟體，能夠實現各種金屬材料，包括高活性的鈦合金、鋁合金和鋯合金複雜結構零件的無模具、快速、近淨成形以及修復再製造。圖2顯示了西北工業大學所研發的LSF-V型雷射立體成形與修復再製造商用裝備。表1比較了目前國際上技術成熟度比較高的商業化雷射立體成形裝備的主要特性。可以看到，西北工業大學所研製的LSF系列雷射立體成形裝備多項指標處於國際領先水平。

西北工業大學雷射立體成形C919飛機翼肋緣條

成形修復是雷射立體成形技術受到高度重視的發展方向。有一個十分值得關注的趨勢是成形修復技術。雖然雷射立體成形技術最初主要是作為一種緻密金屬零件的高性能快速製造技術而發展起來的，但工業界卻越來越關注它作為一種高性能成形修復技術的巨大技術優勢。除了航空航天領域外，機械、能源、船舶等領域的大型裝備的高性能快速修復都對雷射立體成形技術提出了迫切的需求。據報導，美國採用雷射立體成形技術維護的軍事裝備資產達40億美元/年，其包括飛機、陸基和海基系統都配備了雷射立體成形系統。以製造成本高昂的整體葉盤為例，近幾年來包括美國GE公司、美國H&R Technology 公司、Optomec公司以及德國Fraunhofer雷射技術研究所在內的多個研究機構開展了整體葉盤的雷射成形修復技術研究。2009年3月，作為美國雷射修復技術商用化推進領頭羊的Optomec公司宣稱其採用雷射成形修復技術修復的T700整體葉盤通過了軍方的振動疲勞驗證試驗。美軍已經在其“野戰零件醫院”中列裝了雷射立體成形裝備，用於在靠近現場需要位置快速製造戰損裝備所需金屬零件。這些雷射立體成形裝備已分別布置在科威特、伊拉克和阿富汗的軍事基地。

基於雷射立體成形的雷射組合製造技術是重要的技術發展方向。同鍛造、鑄造和機械加工等傳統製造技術結合，形成雷射組合製造技術，是雷射立體成形技術一個十分重要的技術發展方向。沒有任何一項技術是十全十美，足以覆蓋任何工藝需求的，而相互結合，取長補短則是最適當的選擇。雷射立體成形技術的工藝靈活性和柔性化的特點，使得以其為基礎發展雷射組合製造技術具有十分重要的實用價值。最為重要的是，雷射立體成形技術可以把異質材料結合成一個高性能的整體構件，這是雷射組合製造的技術思路具有實用性的必要基礎。美國Sandia國家實驗室採用雷射立體成形技術開展了“Feature Addition”（可理解為“特徵結構生長製造”）研究，在機械加工的盤上雷射直接沉積薄壁複雜結構，實現了電子裝置支架的雷射複合製造。對於此類結構複雜構件，傳統的鑄造成形工藝存在的以下幾個主要問題：由於結構複雜，鑄造本身工藝困難；製造周期長，如電子裝置支架的鑄造周期長達52周；製造成本高。採用雷射組合製造後該結構件的製造周期縮短為3周，成本降低65%，同時結構件的重量得以減輕。

進一步深化雷射立體成形技術在材料、工藝和裝備等方面的基礎性研究，對於支撐雷射立體成形技術的進一步快速發展和大規模套用具有重要作用。這一特點同雷射立體成形是一個涉及到雷射、機械、數控、材料的多學科交叉的新技術有關。通過整合形成一支具備上述多學科能力的高水平研究團隊，針對影響雷射立體成形進一步發展的關鍵科學和技術問題開展深入系統的研究，這對於雷射立體成形技術的發展具有重要意義。

優先發展領域或重點研究方向建議

雷射立體成形的材料、工藝的基礎研究和工程化研究。雷射立體成形是一個涉及雷射、機械、數控、材料等的多學科交叉新技術，並且發展時間很短，相對於鑄、鍛、焊、粉末冶金、機械加工等傳統的製造技術而言，其技術成熟度還有顯著差距，需要開展系統深入的基礎研究和工程化研究工作，這是使雷射立體成形技術得以在工業與科技實踐中廣泛套用的必要基礎，也是使我國在這項占據戰略制高點的新技術方面與西方已開發國家長期競爭發展中保持同步以至於爭取領先所必須堅持的。

先進裝備技術。任何先進的工業技術必然以先進的裝備技術作為其集中體現。雷射立體成形裝備涉及到雷射、機械、數控、工藝軟體設計、溫度與化學環境檢測與控制、成形材料特性等許多方面因素的互動作用與技術集成，需要高度專業化的團隊與技術條件的密切協同，才能設計製造出高水平的裝備。具備高水平雷射立體成形裝備設計與製造技術，也是我國必須在增材製造技術領域必須發展的核心競爭力。

高性能雷射成形修復再製造技術。高性能雷射成形修復再製造的市場需求可能比直接成形的市場需求要廣闊得多，未來的社會發展必然越來越強調材料、資源的高度節約與循環利用，這方面的發展需要及早規劃安排。

雷射組合製造技術。雷射組合製造能夠更充分發揮增材製造技術作為信息化時代的代表性技術的特徵。如果我們以雷射立體成形技術為核心，結合各種傳統製造技術的優勢，迴避各種技術的短處，必將迎來信息化時代製造技術的跨越式發展。