激光增材制造(LAM)是壹種以激光為能源的增材制造技術，可以徹底改變傳統金屬零件的加工方式。LAM主要分為以粉末床為特征的激光選擇性熔化(SLM)和以同步送粉為特征的激光直接沈積(LDMD)。比如通用電氣公司(GE)SLM航空發動機燃油噴嘴、北航LDMD飛機鈦合金框就是典型的應用案例。
從目前國內外金屬LAM技術的發展來看，產業化的技術方向還是少數，因為基礎理論的積累、關鍵技術的突破、工程應用技術的成熟、技術研發的商業化和推廣都不同程度地制約了LAM技術的產業化應用。目前國內外的研究主要集中在控制性研究上，集中在孔隙率、裂紋、微觀結構特征和各向異性等基礎研究上[5~9]。關於板形控制、測試和產品標準的研究報道較少，這也說明金屬LAM正處於從技術研究向工業應用過渡的發展階段。
通過文獻資料、實地調研和問卷調查，系統梳理了金屬LAM領域研究和應用的發展現狀和趨勢，分析了國內外差距、理論研究和應用需求，提出了產業化應用涉及的核心關鍵技術和瓶頸工藝，以期推動我國金屬LAM技術產業化應用的發展。
二、金屬激光增材制造需求分析
LAM基於數模切片，通過逐層疊加實現金屬零件的近凈成形制造，特別適用於復雜零件、梯度材料和性能構件、復合材料零件和難加工材料的制造，在航空航天等先進制造方向備受青睞。壹方面，相關零件形狀復雜多變，材料性能要求高，加工難度大，成本高；另壹方面，新型飛機正朝著高性能、長壽命、高可靠性、低成本的方向發展，迫切需要采用復雜大型的總體結構。
SLM成形的零件精度高，但零件尺寸受加工間的限制，所以SLM主要用於中小尺寸的復雜精密結構的精密成形，相應產品結構的功能屬性壹般大於承載屬性。為滿足整體性能要求，航空發動機的燃油噴嘴(內部油路、氣路、腔室復雜)、軸承座、操縱室、葉片、飛機艙門支架、鉸鏈、輔助動力艙格柵結構進氣閥、排氣閥、衛星支架等零部件需要進行結構創新設計，成為SLM技術的適宜應用對象。
LDMD成形的零件機械性能較好，但尺寸精度相對較低。LDMD主要用於制造中型或大型復雜承載結構，相應產品結構的承載性能壹般大於功能性能。各種類型的航空發動機機匣、壓氣機/渦輪整體葉盤等結構形狀復雜，甚至需要異質或功能梯度材料來提高效率。為了減輕重量和提高承載效率，需要對飛機接頭、起落架、承載架、滑輪架、高速飛機機翼/氣動舵的網格結構承載骨架等承載部件進行結構拓撲優化設計。這種結構突出的復雜性和制造難度對LDMD技術提出了明確的需求。
此外，采用鍛造工藝很難保證局部凸臺、耳片等特殊結構的飛機、發動機某些承載部件的局部構型和性能。大飛機的超大鈦合金承力框已經超過了現有鍛造設備的加工能力上限。這對鍛造+增材制造/增材連接的復合制造技術提出了明確的需求。
三、國外金屬激光增材制造的發展現狀
(壹)技術研究現狀
1.激光選擇性熔化技術
相關企業通過真空誘導氣體霧化(VIGA)、無坩堝電極誘導熔化氣體霧化(EIGA)、等離子旋轉霧化(PREP)、等離子炬(PA)等方法制備了SLM粉末，具備批量供應能力，占據全球主要市場[10]。
LAM工藝研究的重點主要是微觀結構和性能的控制，對於SLM的微觀結構、缺陷和性能及其與工藝參數的關系已經做了很多研究。比如不銹鋼零件SLM，提高激光功率，降低掃描速度，有利於提高密度[11]；表面粗糙度和孔隙率高會降低AlSi10Mg鋁合金SLM的耐蝕性，形成的氧化膜可以提高耐蝕性；AW7075鋁合金的SLM試樣產生垂直於添加材料方向的裂紋，但預熱鋁粉對裂紋控制沒有作用，內部裂紋引起的疲勞壽命遠低於傳統工藝引起的疲勞壽命[7]。
能量密度對Ti-6Al-4V鈦合金的SLM組織和缺陷有明顯影響[5，12，13]:低能量密度導致片狀α+β相組織，易造成氣孔和熔合不良；高能量密度導致針狀馬氏體的α′結構，促進了鋁的偏析和α2 -Ti3Al相的形成。沈積態Ti-6Al-4V合金的疲勞強度比鍛件低約80%[6]。熱等靜壓可以降低孔隙率，改善性能。對於CMSX486單晶合金SLM，低能量密度減少裂紋，高能量密度減少孔隙率[8]。CM247LC合金SLM縱截面主要由柱狀γ晶粒組成，Hf、Ta、W、Ti的偏析增加了析出物和殘余應力，導致零件內部開裂[14]。IN738LC高溫合金SLM中的微裂紋與Zr在晶界的富集和偏聚有關[15]。添加適量Re可以細化IN718合金的枝晶，但過量Re對疲勞強度不利[14]。SLM的Hastelloy-X合金熱處理後形成等軸晶，屈服強度下降。熱等靜壓後，抗拉強度恢復到沈積態水平，延伸率可提高15% [16]。
對於金屬LAM工藝，國外已經進行了許多細致的研究。據了解，德國設備制造商開發壹種新材料的SLM技術需要6~8個月，調整的參數超過70個。通過拓撲優化實現結構輕量化設計也是SLM應用研究的重點，國外提出了設計指導制造、功能優先等新概念。還開發了特殊的支架設計技術，無需從基板上切割零件，有效縮短了揀貨周期。
此外，金屬LAM標準的研究和制定壹直與技術應用同步發展。2002年，美國發布了《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沈積產品》，隨後又發布了19相關標準，涵蓋了產品退火和熱等靜壓制度、時效制度、制造過程中的應力消除退火制度等諸多方面。標準的及時形成對LAM技術的產業化應用起到了基礎性的支撐作用。
2.激光直接沈積技術
1995年，約翰霍普金斯大學、賓夕法尼亞州立大學和MTS系統公司聯合開發了基於高功率CO2激光的大型鈦合金零件LDMD技術，沈積速率為1~2 kg/h，促進了LDMD零件在飛機上的應用[12]。
LDMD技術的研究主要包括成形工藝和組織性能。桑迪亞國家實驗室和洛斯阿拉莫斯國家實驗室制備的LDMD成形零件的機械性能接近甚至優於傳統鍛造零件。瑞士洛桑聯邦理工學院研究了單晶葉片LDMD修復過程中穩定性、零件精度、顯微組織、力學性能與工藝參數之間的關系，形成的修復技術已應用於工程。
Ti-6Al-4V合金的LDMD技術已被國外學者深入研究，揭示了工藝參數與增材制造組織和力學性能的關系，闡明了工藝調整和熱等靜壓對組織和性能的調整作用[13，17~19]。LDMD技術為控制材料的微觀結構提供了更大的自由度:通過調整鎳基高溫合金LDMD的形核和生長條件，獲得預期的單晶和多晶結構[9]；美國國家航空航天局(美國國家航空航天局)開發的LDMD技術可以使零件的性能隨著零件的不同而變化。德國企業通過將LAM技術與傳統切割方法相結合，可以加工傳統工藝難以制造的形狀復雜的零件，產品精度和表面粗糙度得到提高[11]。
(二)設備發展現狀
經濟高效的LAM設備是LAM技術推廣應用的基礎。SLM裝備發展集中在德國、法國、英國、日本、比利時等國家，而LDMD裝備發展國家主要有美國和德國。
1.激光選擇性熔化設備
德國是第壹個研究SLM技術和設備的國家。EOS公司推出的SLM設備具有壹定的技術優勢。將相關設備應用於GE公司LEAP航空發動機燃油噴嘴的制造，通過對增材制造過程的監控，進壹步提高了制造產品的質量。Realizer GmbH的全方位設計和零件堆疊技術方案獨樹壹幟；Concept Laser的設備以建築尺寸大著稱；SLM Solutions在激光技術和氣流管理技術方面處於領先地位。美國3D系統公司依靠其特殊粉末沈積系統的技術優勢，形成精確的細節特征。英國Renishaw PLC公司在材料使用的靈活性和更換的方便性方面具有技術特點。
2.激光直接沈積設備
美國EFESTO公司在大尺寸金屬LAM方面具有技術優勢，開發的LDMD設備工作室尺寸可達1500mm 1500mm 2100mm。美國Optomec公司引進的LDMD設備，工作室空間900 mm 1500 mm 900 mm，配備5軸移動工作臺，最大成型速度1.5 kg/h..德國企業提供的激光綜合加工系統也是主流的LDMD設備。
近年來，加減料復合加工設備成為市場新熱點。日本DMG公司引進LDMD設備，配備2 kW激光器並輔以5軸數控銑床。成型速度比普通粉床高20倍，在制造過程中可以銑削出最終零件難以接近的部分。日本Mazak公司引進的相關設備可以進行5軸車銑復合加工，應用對象包括多邊形鍛件或鑄件、回轉體零件、復雜異形零件等。
㈢申請狀況
鈦合金LAM在航空領域取得了重要的應用。美國率先將LDMD鈦合金承力件應用於艦載戰鬥機；卡彭特科技公司采用增材制造的高強度定制不銹鋼，生產先進的航空齒輪；F-22飛機的維修采用SLM耐腐蝕支架，顯著縮短了維修時間。英國成功將LDMD技術應用於無人機整體框架制造。
SLM技術已廣泛應用於航空發動機復雜零件的制造。美國GE公司率先將SLM技術應用於高壓壓縮機溫度傳感器外殼的生產。該產品獲得了美國聯邦航空管理局(FAA)的批準，裝備了400多臺GE90-40B航空發動機。GE LEAP系列航空發動機的燃油噴嘴也采用SLM技術生產(2020年生產能力為44000個噴嘴/年)。美國普惠公司采用SLM技術生產管道鏡套筒，配備PW1100G-JM航空發動機。特倫特·XWB-97航空發動機的鈦合金前軸承組件(包括48個翼型導葉)由英國羅爾斯·羅伊斯公司采用SLM制造。
自2012以來，LAM技術已應用於航天器的制造。美國國家航空航天局使用LAM技術制造RS-25火箭發動機的彎曲接頭，零件數量、焊縫和加工工序比傳統方法減少了約60%。如果氫氧火箭發動機采用壹體化設計制造方式，零件總數將減少80%。法國泰雷茲集團利用SLM技術為Koreasat5A和Koreasat7通信衛星制造了TT&C天線的配套件(鋁合金)，質量減輕了約22%，經費節省了約30%。
LAM技術的推廣應用加速了空天飛行器的結構拓撲優化和網格結構設計。歐洲Astrium公司Eurostar E3000衛星平臺遙測/遙控天線的鋁合金安裝支架由LAM公司制造，質量減輕約35%，結構剛度提高約40%。美國Cobra Aero公司與英國Renishaw PLC公司合作，完成了復雜網格結構的整體發動機部件LAM的制造。此外，加減料復合加工技術開始應用。美國維珍軌道公司使用加/減混合機床制造和精加工火箭發動機燃燒室零件，並在2019年完成了24次發動機試車。
(四)發展經驗和啟示
回顧世界金屬LAM技術的發展歷程，以產業發展帶動技術研究和裝備發展，以產業整合提高市場競爭力是壹條重要經驗。應用企業關註的是自己產品的制造質量和生產成本。作為技術發展的主體和最大受益者，他們可以整合材料、工藝、設備、驗證、標準研究和人員培訓，從而更高效地推動LAM產業的發展。如美國GE公司的LAM工業應用處於世界領先地位，主要得益於industry consolidation收購制造品控公司和增材制造設備公司的策略，以加強LAM產業鏈的完整性；產品制造在全球使用300多種工業級制造設備。外企重視LAM產品制造的人才培養。比如GE公司有增材制造培訓中心，配備專用設備，每年可以培訓幾百名工程師。
四、國內金屬激光增材制造的發展現狀及差距分析
發展狀況
1.金屬林技術
國內在LDMD的結構、缺陷、應力和變形控制方面做了很多研究[11，13，14]。北航開發了鈦合金大型結構件LDMD內部缺陷和質量控制等壹些關鍵技術[20]。西北工業大學完成了飛機特大型鈦合金法蘭的LDMD制造，成形精度和變形控制達到了較高水平。沈陽航空航天大學提出了分段掃描成形的方法，有效地控制了LDMD工藝中零件的變形和開裂。優研工程技術研究院有限公司在葉輪和進氣道方面突破了TC11、TA15/Ti2AlNb等不同材料的界面質量控制和復雜形狀壹體化控制問題，產品通過測試。
在中國，形狀尺寸和表面粗糙度的精確控制研究是SLM技術的重點方向。Xi安鉑激光成形技術有限公司采用SLM方法加工最小孔徑約0.3 mm的流道零件，薄壁零件最小壁厚約0.2mm；；零件的整體尺寸精度達到0.2毫米，粗糙度Ra不大於3.2微米米..南京航空航天大學以SLM精密制造為主線，通過全過程控制提高零件的綜合性能。Xi交通大學將LAM應用於空心渦輪葉片、航空螺旋槳、汽車零部件等的制造。[11].
中國航發北京航空材料研究院完成了LAM技術的全面研究:LDMD制造的鎳基雙合金渦輪整體葉盤通過了過轉試驗，通過添加材料修復的伊爾-76飛機起落架批量應用；研制了LAM超聲掃描評價系統，建立了檢測標準和對比試塊。評定和無損檢測技術成果應用於飛機滑輪架、框等安裝件的批量檢驗。
SLM粉方面，國內產品基本滿足成型工藝要求。中科院金屬所突破了SLM用超細鈦合金和高溫合金粉末的清潔制備技術，性能達到進口產品水平。Xi安歐眾材料科技有限公司開發的鈦合金和高溫合金粉末產品已在工程中得到應用。
2.金屬LAM設備
國產LDMD和SLM器件具有較強的R&D能力，獲得了壹定的市場應用份額。Xi安博利特激光成形技術有限公司自主研發了SLM系列設備和激光高性能修復系列設備。南京中科陳余激光技術有限公司研發了自動變焦同軸送粉機、遠程送粉機、高效惰性氣體循環凈化箱等核心設備。，並形成了金屬LDMD系列化設備。此外，北京壹加3D科技有限公司和北京星航機電設備有限公司在工業和小型金屬SLM設備的小批量生產方面取得了良好的進展，上海航天裝備制造總廠有限公司在標準大幅面SLM設備和機器人LDMD設備的開發方面取得了良好的進展。
3.金屬LAM應用
LDMD主要用於制造承重結構。北航制造的主承力架、主起落架等部件已用於空天飛行器、燃氣渦輪發動機等設備。航空工業沈陽飛機設計研究院通過工程應用驗證，促進了LDMD技術的成熟，實現了8種金屬材料、10類結構件的飛機應用。航空工業第壹飛機設計研究院實現了大飛機外主襟翼滑輪架和尾舵臂LDMD零件的安裝應用。大型薄壁骨架艙體結構的LDMD制造和應用已由北京機電研究所實現。
SLM主要用於復雜零件的制造。在航空領域，中國航空制造技術研究院實現了SLM產品的裝機應用；航空工業成都飛機設計研究院已經在飛機上使用了SLM輔助動力艙格柵結構進/排氣閥。航空工業直升機設計研究院在通風格柵結構、防雨密封結構、進氣道多腔結構等方面實現了SLM零件的安裝應用。在航天領域，上海航天裝備制造總廠有限公司的坦克間歇支架、空間散熱器、導向裝置等SLM產品已安裝應用；北京星航機電設備有限公司的客艙結構件、操縱面等SLM產品已經過地面試驗和飛行試驗驗證。北京機電學院實現了小型復雜零件的SLM制造，控制面、支架等產品技術成熟度達到5級；新景和激光技術發展(北京)有限公司利用SLM制造了大尺寸薄壁鈦合金點陣夾層結構(集熱窗框)，滿足了深空探測飛行器嚴格的技術要求。
此外，Xi安鉑激光成形技術有限公司利用SLM技術每年可為航空航天領域提供8000多個零件；華中科技大學通過加減材料的方法制造了具有共形冷卻通道的梯度材料模具，在工業上得到廣泛應用。
(二)面臨的差距
1.金屬LAM材料的設計和制備技術存在差距。
我國LAM專用材料的設計理論和方法體系還比較薄弱，專用材料的設計工作少而散。材料基因組學技術縮短了研發周期，降低了研發成本，在國外已成功應用於相關材料設計。材料基因組技術的研究及其在提高LAM專用材料性能方面的應用在國內相對薄弱。
在粉末制備方面，國內真空氬氣霧化技術相對成熟，制備的不銹鋼和鎳基合金粉末性能基本滿足成形工藝要求。而在鈦合金和鋁合金超細粉末的制備方面，差距較大。主要問題是粉末球形度差，細粉產率低，不能滿足SLM成形的要求，使得實際應用仍依賴進口。
2.金屬LAM設備的設計和制造技術存在差距。
中國與美國、德國等LAM技術強國的差距主要在於技術和裝備。我國使用的SLM設備多為德國進口，而大型工程使用的SLM設備主要依賴進口。國內企業在激光器、振鏡等核心部件方面缺乏自研能力，國產設備的加工尺寸、穩定性和精度亟待提高。國內對粉末流動狀態、熔池狀態等過程監控和成形的控制軟件還不完善。
3.對金屬LAM工藝研究不足
隨著渦輪發動機、飛機等重要裝備材料性能的不斷提高，材料的工藝性有所下降。國內對航空骨幹材料LAM技術研究不足，沒有形成應力變形、開裂控制等有效方法。零件內部組織缺陷問題未得到根治，零件力學性能均勻壹致，批量穩定性不好。而先進航空發動機和高速飛機所需的超高溫結構材料的LAM工藝研究更是缺乏。
4.產品的尺寸精度和表面粗糙度不符合技術要求。
LDMD飛機結構件壹般都有加工余量，尺寸精度和表面粗糙度不壹定是關鍵約束。而渦輪發動機零件多為內部有流道和型腔的復雜結構零件，對應的SLM成形尺寸精度約為0.1 mm，表面粗糙度Ra約為6.3，與精密鑄件仍有較大差距。相關產品也面臨著成型和內表面加工研究不足的問題。
5.缺乏金屬LAM的指導標準
目前，我國LAM行業面臨著質量控制標準缺失的問題，導致金屬LAM產品在設計、材料、工藝、檢測、組織性能、尺寸精度等方面缺乏驗收依據。作為零件的應用基礎，無損檢測、力學性能、金相圖譜等基礎數據。，由於缺乏整理，產品標準難以制定，工業應用和推廣保障不足。
5.我國金屬激光增材制造關鍵技術分析
1.激光加工頭等核心設備的設計與制造。
發展具有自主知識產權的核心器件，重點提升處理器、存儲器、工業控制器、高精度傳感器、數/模轉換器等基礎器件的質量和性能，設計制造過程裝備的核心器件和關鍵部件；研發高光束質量激光及光束整形系統、高功率激光掃描振鏡、動態聚焦鏡等精密光學器件、高精度噴嘴加工等核心部件。
2.掃描策略、參數編程和在線監控。
在數據設計、數據處理、工藝庫、工藝分析與工藝智能規劃、在線檢測與監控系統、成形過程自適應智能控制等方面突破軟件技術。，構建具有自主知識產權的LAM核心支撐軟件系統。
3.基於材料基因組的LAM材料設計優化
開發了遠離平衡條件的特殊物質高通量技術模型，開發了適用於高通量計算的多尺度模擬算法。研究了成分和微觀結構可控的粉末材料制備技術，並通過高通實驗建立了材料基因庫。通過高通計算、實驗和數據庫的合作，迅速開發出性能優異的LAM專用材料。
4.主要材料典型結構的LAM可控性和形狀控制
針對壹些關鍵材料和典型零件，研究了LAM可控性和形狀可控性的關鍵技術以及零件的工程應用。掌握零件制造過程中影響最終質量的因素及解決方案，形成可用於工程的LAM技術體系，涉及原材料控制、工藝裝備、成形工藝、熱處理、機械加工、表面處理、無損檢測和驗證試驗。註意LAM零件的均勻性和批次穩定性，符合工程實際應用要求。
不及物動詞結論
為趕超金屬LAM技術及其工程應用，我國LAM發展應遵循“技術-產品-產業”的客觀規律，夯實組織性能控制的技術基礎，補齊核心設備在硬件/軟件R&D和集成方面的短板，加強產品質量控制、標準和驗證，穩步推進產業化應用。
(1)夯實激光增材制造的研究基礎，充分發揮高校和科研院所的技術探索和攻關作用。工業部門或應用單位將牽頭進行LAM工藝開發和產品性能驗證，本著先易後難的原則，從常規金屬逐步擴展到金屬間化合物、鈮矽超高溫合金等先進材料。
(2)有序推進工程應用研究。提前選擇航空、航天領域具有代表性的產品，開展LAM質量控制、標準和驗證，盡快實現產品批量生產和工程應用；然後逐漸擴展到結構復雜、工作條件惡劣、加工性能差的高價值產品，並在核工業、兵器、汽車、電氣設備等先進制造領域推廣應用。
(3)開展林姆產品質量控制標準的研究和制定。積累LAM缺陷無損檢測、力學性能、金相圖譜、疲勞壽命等基礎數據。，確定材料、工藝、無損檢測、顯微組織和力學性能、尺寸精度、表面粗糙度等的驗收依據。，並制定中國LAM產品的技術標準。
(4)結合行業實際需求，在高等院校和職業技術學院增設LAM相關專業，為企業培養專業技術人才。LAM培訓中心設立在技術優勢企業，為國內多個行業的設計人員、技術人員和設備操作人員提供專項培訓，為LAM產業的發展提供智力支持。