大型金属零件激光选区熔化成形工艺及装备研究进展_李会敏.pdf

2023 年3 月第2 期 大型铸锻件HEAVY CASTING AND FORGING March 2023 No.2 大型金属零件激光选区熔化成形工艺及装备研究进展李会敏关凯（天津铺 明激光科技有 限公 司，天津300380)摘要：激光选 区熔化成形技术是重要 的金属增材制造技术之一，具有 强度 高、塑性好、尺寸精度高、表 面质最优等优点，巳成为大型金属零件高效制造 的重要技术 之一。阐述 了SLM 技术在 大型金 属零件 的研究进展，总结了其未来发展趋势。关键词：大型金屈零件；激光选 区熔化SLM;增材制造中图分类号：TG665 文献标志码：A Research Progress of Laser Selective Melting Forming Process and Equipment for Large Metal Parts Li Huimin,Guan Kai Abstract:Laser selective melting forming technology is one of the important metal add 山ve manufacturing technologies.It has the advantages of high strength,good plasticity,high dimensional accuracy and excellent surface quality.It has become one of the important technologies for efficient manufacturing of large metal parts.This paper describes the research progress of SLM technology in large metal parts and summarizes its future development trend Key words:large metal parts;laser selective melting SLM;add 山ve manufacturing 激光选区熔化成形(selective laser melting,简称SLM)技术是增材制造技术 的一种，其基本原理为：根据零件的三维模顽，将模顽按一定的厚度切片分层，再基千快速成形的基本思想，在数控系统的控制下，采用逐层熔化的增材制造方式，用激光熔化选定区域的金属粉未，直接成形具有特定几何形状的零件。该工艺具有成形精度高、表面质扯好、致密度高和后处理流程简单的优点I,3。近年来，随着技术的不断发展和下游应用端的需求牵引，国内外在大型金属零件激光选区熔化技术及装备制造取得了突破性的进展，大型零件金属制造能力得到 了显著 的提升2,超越 了以往400 mm x 400 mm 幅面的打印极限，配合多激光的精密打印制造，生产效率和打印精度均得到显著提升，甚至到达了800 mm x 800 mm 的打印幅面。在航空航天、汽车工业、模具制造、核工业等高端装备领域的应用逐渐增加，本文将介绍大顽金属零件激光选区熔化技术 的技术原理，近年来大荆金属零件激光选 区熔化成形技术 的最新进展，探讨分析其发展前景。收稿 日期：2022-12-07 作者简介：李会敏(1985)，女，硕士，工程师，从事金属增材制造工作。6 1 大型SLM 增材装备进展1.1 SLM 技术原理如图1 所示，SLM 设备 由光学系统、铺粉机构惰 性保护系统及成形平台等儿个主要部分组成 4 J。图1 SLM 设备示意 图Figure 1 Schematic 小agram of SLM equ1pmen 图2 为SLM 技术原理图，其制造过程是：先用计算机软件设计零件的三维模型，将其转化为切片文件，得到各截面的轮廓数据，再根据轮廓数据生成扫描路径；然后用铺粉装置将一层粉末均匀铺设在基板表面；接着控制高能激光束按照规划的路径扫描，熔化金属粉未并待其凝固，加工出当前层；而后基板下移一层，开始新一轮的铺粉、DOI:10.14147/ki.51-1396/tg.2023.02.008李会敏：大型金属零件激光选 区熔化成形工艺及装备研究进展2023 年第2 期扫描，如此层层加工，直至整个零件制造完毕。需要说明的是，整个制造过程中成形仓需通惰性气体保护，以防止金属在高温下氧化4 J。振镜劝h 偏转镜X 轴偏转镜F-0 轴偏转镜F-0 激光打印当前层、粉床图2 SLM 选 区激光熔化技术原理 图Figure 2 Schematic diagram of SLM selective laser melting technology SLM 成形技术是 目前金属增材制造 中发展最成熟、应用最广泛的技术之一，所采用激光功率较低、激光能最密度高、光斑直径小、粉末沉积效率低，但是制造精 度很 高，最小壁厚 可 以达 到100m,构件性能可达到同成分锻件水平，尺寸精度远高于精铸工艺，零部件致密度近100%。1.2 装备发展SLM 激光选区熔化技术最早是 由德 国弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer ILT)千1996 年研发成功的，最早的激光选区熔化设备制造商是德国的EOS 公司，前些年，该公司的激光选 区熔化设备代表了先进技术发展方向5。近儿年，在我国，由西北工业大学、华中科技大学、华南理工大学等高校牵头从事激光选区熔化的设备与工艺研究2.6 积累了大量 的SLM 设备制造 的理论基础，向产业化应用迈 出了关键的一步。所孵化出的新兴企业如鑫精合、铅力特、易加三维、华曙高科等也加入了该项研究的大军，后来居上，不断推出了各种型号的SLM 设备，极大丰富了国内的SLM 设备种类，呈现出高度定制化、功能智能化、尺寸大型化的新特点，这也正是航空航天领域的大型复杂构件旺盛需求牵引的结果。目前激光选区熔化设备巳实现了产业化，逐步实现国产化，改变了此类设备完全依赖进 口的局面。近年来，国内外各大主流SLM 增材设备制造商都推出了个性化的机型，表现出以下儿个技术特色：(1)设备高度定制化。汉邦推出了低成本的模具专用打印机7。(2)设备大型化。随着航空航天产品的大型化、集成化、一体化，对SLM 的成形尺寸提出了更高的要求，国内外 的增材设备制造商都顺势推出了大尺寸的SLM 设备，如易加三维的EP-M650、华曙高科的FS8llMs-9J。(3)过程监控智能化。针对增材制造打印特点，在设备控制端增加了熔池监控、铺粉过程监控等功能，提高适时千预与修正的时效性。天津擂明激光科技有限公司，作为鑫精合激光科技发展（北京）有限公司的全资子公司，坚持差异化、特色化发展战略，相继开发出特色鲜明的LiM-A 系列、LiM-H、LiM-Q 系列设备，其 中LiM-A 系列产品包括LiM-Xl50A、LiM-X260A、LiM-X400A 等型号，LiM-H 系列产品包括LiM-X400H、LiM-X650H 等型号，LiM-Q 系列 产 品包 括LiM-600Q、LiM-800Q,设备外观如图3 所示。以下就几种典型的设备型号进行介绍。i 恤，崝凛光(a)LiM-XISOA(b)LiM-X260A(c)LiM-X260A(d)LiM-X600Q (e)LiM-X800Q 皇(f)LiM-X400H 图3 几种典荆 的设备型号Figure 3 Several Lypical equipment models(g)LiM-X650H 72023 年第2 期 大型铸锻件LiM-650H 设备是大幅面大纵深SLM 设备，成形尺寸为650 mm x 650 mm x 1500 mm,属国际领先水平。该装备配有完整闭环的粉未 自动输送系统，零件打印全程尤需人工干预粉末上下料及筛分过程，配有粉末清理回收模块，高效、实用、安全。LiM-X650H 系列装备可广泛应用到航空、航天、汽车制造等各领域，已有钦合金、高温合金、铝合金等材料成熟的打印参数包，该装备在成形效率、打印质矗、使用成本等方面均有优异表现，已成功为某航天客户打印高度为1400 mm 的零件，得到客户认可。图4 为其所打印的大型铝合金点阵产品，外观质量良好。图4 大型点阵产品(LiM-X650H,AlSilOMg)LiM-X800Q 设备的成形尺寸为800 mm x 800 mm x 1000 mm,可配置4、6、8、10 激光器，适用不同的效率及质拭要求。在沿用LiM-650H 的移缸取件方案基础上，创新性地提出了 剖腹产”方案设计，结合Z 轴侧面双驱机械结构，成为大纵深设备中最矮的设备。辅机方而采用全流程 自动化粉未输送，并增加烘干及混粉功能闭环处理。该产品的显著特 点是：设备高度仅为市面同类产品的1/3,并通过 剖腹产”取件方案实现设备宽度减半，对场地规划非常友好。2 SLM 工艺材料研究进展SLM 技术可成形很多金属材料，但 比较典型并成熟应用的材料包括铢基高温合金、铁合金、铝合金等10。此外，对于鸽、铝等难熔金属也有研究。2.1 釱合金铁合金有很多优异的性能，其强度高、耐蚀性8 好、耐热性高。钦合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。其中Ti6Al4V 是应用最广泛的材料，Ti6Al4V 是一种重显轻、强度高、耐腐蚀等具有多种优点的金腐。这种金属的特点是重最轻、力学性能优良、耐腐蚀和生物相容性好。此外，它具有低导热 性且无磁性。由于其特性，Ti6Al4V 被许多高端零件与装备制造领域应用，例如航空航天、汽车和医疗设备的制造I 1-12。SLM 成形的典型Ti6Al4V 试样的微观组织结构，其横向低倍组织无明显的组织织构，纵向低倍组织隐约可见平行于Z 轴 的、原始 的柱状 晶晶界，高倍组织极为细小，形貌为片层状的a 相（臼色）和B 相（黑色）纵横交织的网篮组织，a 相层片厚度为1-2m,如图5 所示。SLM 技术成形邸Al4V 试样，其退火态室温拉伸性能可 以达到锻件 性能，其中抗拉强度达到了980 MPa 以上，屈服强度达到了920 MPa 以上，断后伸长率达12%以上，如表1 所示。(a)横向低倍组织(b)横向高倍组织(c)纵向低倍组织(d)纵向高倍组织图5 SLM 成形Ti6Al4V 样件金相组织（退火态）Figure 5 Microstructures of Ti6Al4 V sample formed by SLM(annealed state)表1 SLM 成形Ti6Al4V 试样室温拉伸（退火态）Table 1 Room temperature tension test of Ti6Al4V samples formed by SLM(annealed state)方向R,JMPa Rp0 2/MPa A/%997 958 16.0 横向996 951 16.5 986 939 16.5 1010 965 18.0 纵向1004 953 12.0 990 926 14.0 Ti6Al4V 锻件895 825 8 2.2 铝合金铝合金除具有铝的一般特性外，由于添加合李会敏：大型金属零件激光选 区熔化成形工艺及装备研究进展2023 年第2 期金化元素的种类和数星的不同又增添了一些独 自的特性。铝合金具有密度低、力学性能佳、加工性能好、无毒、易回收、导电性、传热性及抗腐蚀 性能优良等特 点，在船用行业、化工行业、航空航天、金属包装、交通运输等领域广泛使用。目前SLM 成 形 工 艺 最 成 熟 的 材 料 是AlSilOMg,SLM 成形的AlSilOMg 合金的显微结构由分布于熔池边界 臼色区域以内的细晶区、白色区域以外的热影响区和介于两者之间的粗晶区三个区域内的组织组成，典型形貌组织如图6。结合XRD、微结构和研究结果可知，在激光选 区熔化过程中，熔池中存在灰色枝晶a-Al 基体、弥散分布于基体中的自色Si 颗粒、少最Mg2Si 相以及在熔池边界处析 出的自色 网状组织共 晶Si 相。由千在熔池内部和熔