激光熔覆式成型技術（LMD）

激光熔化沉積（Laser  Metal  Deposition，LMD）于上世紀90年代由美國Sandia國家實驗室首次提出，隨后在全世界很多地方相繼發展起來，由于許多大學和機構是分別獨立進行研究的，因此這一技術的名稱繁多。例如，美國Sandia國家實驗室的激光近凈成形技術LENS（LaserEngineeredNetShaping），美國Michigan大學的直接金屬沉積DMD（DirectMetalDeposition），英國伯明翰大學的直接激光成形DLF（DirectedLaserFabrication），中國西北工業大學的激光快速成形LRF（LaserRapidForming）等。雖然名字不盡相同，但是他們的原理基本相同，成型過程中，通過噴嘴將粉末聚集到工作平面上，同時激光束也聚集到該點，將粉光作用點重合，通過工作臺或噴嘴移動，獲得堆積的熔覆實體。

LENS技術使用的是千瓦級的激光器，由于采用的激光聚焦光斑較大，一般在1mm以上，雖然可以得到冶金結合的致密金屬實體，但其尺寸精度和表面光潔度都不太好，需進一步進行機加工后才能使用。激光熔覆是一個復雜的物理、化學冶金過程，熔覆過程中的參數對熔覆件的質量有很大的影響。激光熔覆中的過程參數主要有激光功率、光斑直徑、離焦量、送粉速度、掃描速度、熔池溫度等，他們的對熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有著很大影響。同時，各參數之間也相互影響，是一個非常復雜的過程。必須采用合適的控制方法將各種影響因素控制在溶覆工藝允許的范圍內。

同軸送粉和側向送粉的區別 

激光同步熔覆金屬粉末工藝中，常見的有同軸送粉和側向送粉兩種方式，側向送粉方式設計簡單、便于調節，但也有很多不足之處。首先，由于激光束沿平面曲線任意曲線形狀掃描時，曲線上各點的粉末運動方向與激光束掃描速度方向間的夾角不一致，導致熔覆層各點的粉末堆積形狀發生變化，直接影響熔覆層的表面精度和均勻一致性，造成熔覆軌跡的粗糙與熔覆厚度和寬度的不均，很難保證最終零件的形狀和尺寸符合要求。其次，送粉位置與激光光斑中心很難對準，這種對位是很重要的，少量的偏差將會導致粉末利用率下降和熔覆質量的惡化。再次，采用側向送粉方式，激光束起不到粉末預熱和預熔化的作用，激光能量不能被充分利用，容易出現粘粉、欠熔覆、非冶金結合等缺陷。還有，側向送粉方式只適合于線性熔覆軌跡的場合，如只沿著X方向或Y方向運動，不適合復雜軌跡的運動。

另外，側向送粉只適合于制造一些壁厚零件，這是由于側向送粉噴嘴噴出的粉末是發散的，而不是匯聚的，不利于保證成型薄壁零件的精度。當粉末輸送方向與基材運動方向相同與相反時的熔覆狀況，熔覆層形狀明顯受粉末輸送方向與基材運動方向的影響。此外，如果粉末輸送方向與基材運動方向垂直，熔覆層形狀會與兩者方向平行時得到的形狀差別更大。因此，側向送粉具有明顯的方向性，熔覆層幾何形狀隨運動方向不同而發生改變。  同軸送粉則克服了上述的缺點，激光束和噴嘴中心線于同一軸線上，這樣盡管掃描速度方向發生變化，但是粉末流相對工件的空間分布始終是一致的，能得到各向一致的熔覆層，還由于粉末的進給和激光束是同軸的，故能很好地適應掃描方向的變化，消除粉末輸送方向對熔覆層形狀影響，確保制造零件的精度，而且粉末噴出后呈匯聚狀，因此可以制造一些薄壁試件，解決了熔覆成型零件尺寸精度的問題，這在薄壁零件的熔覆過程中優勢非常明顯。由此可見，同軸送粉方式有利于提高粉末流量和熔覆層形狀的穩定性與均勻性，從而改善金屬成型件的精度和質量。 

激光熔覆式快速成型技術的發展 

美國對激光熔覆制造技術的研究起步較早，在二十世紀八十年代即展開研究，至二十世紀九十年代末已建立起一系列的激光熔覆制造工藝并應用于模具等領域的功能件直接制造。國內對激光熔覆制造技術的研究較為成熟。如北京有色金屬研究院采用激光熔覆制造技術直接制造出組織致密的663錫青銅合金零件，零件的力學性能滿足實際使用要求。西北工業大學在二十世紀九十年代即開始了激光熔覆制造技術的探索研究，在后期開發出激光立體成型系統，并針對鎳基高溫合金、不銹鋼、鈦合金等材料的成型工藝特性進行了大量的工藝實驗，獲得了具有復雜形狀的金屬功能件。與電子束選區熔化類似，激光熔覆制造技術可直接制造出組織致密、力學性能良好的金屬功能件，但是受到激光光斑大小和工作臺運動精度等因素的限制，所直接制造的功能件的尺寸精度和表面粗糙度較差，往往需要后續的機加工才能滿足使用要求。  而激光熔化沉積（LMD）的發展稍微晚點，其中美國軍方對這一技術給予了大力的關注和支持，在其支持下，美國率先進行了該技術實用化的研究。

1997年，美國MTS公司成立專門從事鈦合金飛機結構件激光熔化沉積技術開發應用的AeroMet公司，在美國空軍、陸軍及國防部有關研究計劃支持下，進行激光熔化沉積鈦合金飛機結構件的研究；2000年，完成了鈦合金飛機機翼的靜載強度測試試驗。2001年，其生產的三個鈦合金次承力結構件獲準在飛機上使用，其性能超過了傳統的制造工藝，同時由于材料和切削加工的節省，其制造成本降低20～40％，生產周期也縮短80％。但由于在鈦合金主承力結構件的疲勞性能未超過鍛件標準，最終未能實現該技術在飛機大型構件上的應用，公司于2005年關閉。盡管如此，具有低成本、短周期、高性能特點的激光增材制造技術仍在美國的航空航天、國防工業中發揮著重要的作用。  

激光熔覆式快速成型技術的問題 

然而，由于LMD的層層添加性，沉積材料在不同的區域重復經歷著復雜的熱循環過程。LMD熱循環過程涉及到熔化和在較低溫度眾多的再加熱周期過程，這種復雜的熱行為導致了復雜相變和微觀結構的變化。因此，控制成形零件所需要的成分和結構存在較大的難度。另一方面，采用細小的激光束快速形成熔池導致較高的凝固速率和熔體的不穩定性。由于零件凝固成形過程中熱量的瞬態變化，容易產生復雜的殘余應力。殘余應力的存在必然導致變形的產生，甚至在LMD成形件中產生裂紋。成分、微觀結構的不可控性及殘余應力的形成是LMD技術面臨的主要困境。

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