金屬零件的直接快速制造技術及發(fā)展趨勢
增材快速成形與制造技術在高形狀復雜度、高功能復雜度零件的制造方面獨具特色，被認為是現(xiàn)代制造技術發(fā)展史上的一個里程碑，并正向高功能、高性能材料零件直接制造方向發(fā)展,對制造業(yè)產(chǎn)生著深遠的影響[1-2]。其中，金屬零件的直接快速制造(DirectRapidMetalManufacturing)需求范圍最廣，也是其主要發(fā)展方向之一。目前主要有采用激光束、電子束、等離子束的高能三束，以及非高能束的成形方法，該技術可直接由零件CAD模型，完成難加工復雜形狀金屬零件的快速成形，還可根據(jù)零件不同部位的工作條件與特殊性能要求實現(xiàn)梯度功能材料零件的快速成形。因此，這是一種零件結構與材料設計、新材料制備、成形、加工一體化的創(chuàng)形創(chuàng)質(zhì)并行的短流程、數(shù)字化制造技術，代表著先進制造技術的發(fā)展方向。由于該技術和裝備在航空航天、國防、能源、交通等尖端支柱領域的重要應用前景,受到發(fā)達國家政府和企業(yè)的高度重視和大力支持,但目前尚處在工業(yè)規(guī)模實用化的前夜。
高能束金屬零件直接快速制造技術現(xiàn)狀
因篇幅所限，本課題主要分析廣泛使用的致密金屬零件的直接快速制造技術現(xiàn)狀，其中，采用高能束流的直接制造主要有選區(qū)激光熔化/燒結成形法（SLM/SLS）和激光近終成形法（LENS）、電子束成形法（EBM）、等離子束熔積成形法(PDM)，以及其它派生的技術。
1、SLM技術
SLM（SelectiveLaserMelting）技術是在SLS技術基礎上發(fā)展起來的，與SLS方法的相同之處是，因控制熱變形困難等限制而只適于成形復雜形狀小型件；不同之處是將粉末燒結改良成粉末熔化，省去了SLS法后續(xù)的低熔點金屬浸滲致密化環(huán)節(jié)，較SLS方法可直接成形密度顯著提高的金屬產(chǎn)品。然而，對于成形過程中出現(xiàn)的熔化金屬“聚球”現(xiàn)象，需嚴格控制材料參數(shù)、工藝參數(shù)和掃描方式才能減輕[3]。要得到高致密度零件需采用熱等靜壓技術，但這往往需要后續(xù)加工來保證精度，從而增加了制造難度、時間和成本。SLM/SLS技術皆因采用層層鋪粉的送料方式而難以制造梯度功能材料FGM零件。圖1為MTT公司采用SLM技術制造的金屬零件[4]。
PHENIXSYSTEMS公司研究開發(fā)了與SLS方法相似的激光燒結方法，不同之處在于采用了激光固相燒結的專利技術，并使用了光纖激光器。公司宣稱：金屬粉末成形無后續(xù)熱處理工序[5]，但未見其對成形件密度數(shù)據(jù)影響的報道；其開發(fā)的PM250機型的圓柱成形室空間為直徑250mm，高300mm，成形材料采用高溫合金、不銹鋼、模具鋼等粉末。
2、LENS技術
由美國Sandia國家試驗室與AlliedSignalInc．，EastmanKodakCo．，HasbroInc．，LaserFareInc．等公司合作開發(fā)，已成功制造了316、304不銹鋼，Inconel625、690、718鎳基高溫合金，H13工具鋼，Ti-6Al-4V鈦合金以及鎳鋁金屬間化合物等材料零件，還制備了316-304不銹鋼、304不銹鋼-A690合金、Fe-Cu、Ti-V和Ti-Mo梯度材料零件，顯示出其在功能梯度材料制備方面的獨特優(yōu)勢。目前，Optomec公司專門從事該技術的商業(yè)化工作，已開發(fā)出1kW的LENS850商業(yè)機，運動定位精度在X-Y方向為0.05mm，Z方向0.5mm，成形最小層厚0.0756mm，最大成形速度8.19cm3/h[6]。圖2為Optomec公司開發(fā)的LENS850成形機成形腔內(nèi)狀況和成形零件。