嚴(yán) 輝

（西門(mén)子工業(yè)軟件（上海）有限公司，上海 200082）

增材制造技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代初美國(guó)發(fā)明的新型制造技術(shù)。它通過(guò)分層疊加制造獲得三維模型，是二維打印在三維上的延伸，也稱為3D 打印技術(shù)[1]。盧秉恒院士把當(dāng)前主流的制造技術(shù)根據(jù)原材料變成毛坯方式的不同，分為3種不同的制造技術(shù)，即等材制造技術(shù)、減材制造技術(shù)和增材制造技術(shù)[2]。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（American Society for Testing Materials，ASTM）F42 國(guó)際委員會(huì)把增材制造定義為根據(jù)零件三維模型將材料分層連接制作成三維實(shí)體的工藝。與傳統(tǒng)減材制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)往往是逐層疊加的制造工藝[2]。

選區(qū)激光熔融技術(shù)憑借著生產(chǎn)周期短、材料利用率高、無(wú)模生產(chǎn)、柔性生產(chǎn)以及大規(guī)模個(gè)性化定制的優(yōu)勢(shì)[3-6]，迅速發(fā)展成為制造業(yè)中最有發(fā)展前景的先進(jìn)制造技術(shù)之一。選區(qū)激光熔融技術(shù)的激光能量密度高，可以制造一些難加工的金屬（如鈦合金和高溫合金等）零件。目前，該技術(shù)已經(jīng)覆蓋了市場(chǎng)上主流的金屬，包括鈦合金、模具鋼、不銹鋼、梯度材料、陶瓷、鋁合金、非晶合金、高溫合金以及鐵基合金等[7]。選區(qū)激光熔融技術(shù)在能源行業(yè)和航空航天等行業(yè)的高性能復(fù)雜金屬構(gòu)件的制造領(lǐng)域中具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)[8]，使其成為未來(lái)制造復(fù)雜幾何形狀零件的首選制造技術(shù)[9]。

選區(qū)激光熔融技術(shù)可以滿足燃?xì)廨啓C(jī)零部件的高強(qiáng)度和高溫度的工作環(huán)境，使其在制造燃?xì)廨啓C(jī)部件方面取得了巨大進(jìn)展。目前，選區(qū)激光熔融技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用主要通過(guò)SLM 成型替代傳統(tǒng)鑄造，從而可以在研發(fā)階段進(jìn)行快速迭代，將連續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿羞^(guò)程，使開(kāi)發(fā)周期縮短75%。此外，徹底的結(jié)構(gòu)變化可以快速實(shí)現(xiàn)之前耗時(shí)耗資的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)目標(biāo)，從而在批量生產(chǎn)階段可以節(jié)約大量時(shí)間和成本。由于鑄造工藝環(huán)境污染比較嚴(yán)重，選區(qū)激光熔融技術(shù)作為一種更加綠色的制造工藝，是一個(gè)很好的替代選項(xiàng)。

1 選區(qū)激光熔融技術(shù)的原理及特點(diǎn)

選區(qū)激光熔融技術(shù)是通過(guò)高能量激光束，按照掃描路徑對(duì)金屬粉末進(jìn)行掃描，并使其熔化再冷卻成型的一種技術(shù)[10]，技術(shù)原理如圖1 所示。第一，它可以加工具有復(fù)雜內(nèi)部腔體的結(jié)構(gòu)、精細(xì)結(jié)構(gòu)以及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)加工方式難以加工的結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中由于加工技術(shù)的局限性而犧牲設(shè)計(jì)自由度的情況，使設(shè)計(jì)更加自由。第二，成型精度高。采用選區(qū)激光熔融技術(shù)加工后的表面質(zhì)量高，部分零件簡(jiǎn)單進(jìn)行后處理就可以直接使用，使用門(mén)檻較低。第三，成型的零件拉伸性能介于鍛件和鑄件之間，力學(xué)性能好。但是，選區(qū)激光熔融技術(shù)也存在明顯的缺點(diǎn)：第一，加工的原材料是粉末，熔融過(guò)程難以完全消除粉末之間的空隙，導(dǎo)致制件的疲勞性能和延伸率比LMD 成型的制件低[11]；第二，加工時(shí)每層需要進(jìn)行鋪粉和刮平等操作，導(dǎo)致加工速度慢和成型效率低；第三，成型的尺寸受鋪粉腔體的限制，制造大于400mm×400mm×400mm 的零件時(shí)還需驗(yàn)證成型設(shè)備的穩(wěn)定性，且大尺寸零件成本非常高。

圖1 選區(qū)激光熔融技術(shù)原理圖

2 選區(qū)激光熔融技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀

燃?xì)廨啓C(jī)的制造具有高度復(fù)雜性，被很多人譽(yù)為制造業(yè)“皇冠上的明珠”。因此，它是一個(gè)國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)、創(chuàng)新能力、制造實(shí)力以及科技實(shí)力的反映，關(guān)乎國(guó)家安全和能源安全，是具有戰(zhàn)略重要性的產(chǎn)業(yè)。燃?xì)廨啓C(jī)的裝備制造能力依賴于一個(gè)國(guó)家在材料、制造、工藝和設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)科研的能力，因此燃?xì)廨啓C(jī)制造能力的提升與一個(gè)國(guó)家的基礎(chǔ)研究能力的提升密切相關(guān)。

傳統(tǒng)制造技術(shù)的局限性使設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)零部件時(shí)，需根據(jù)制造能力的限制在很多方面做出妥協(xié)和讓步。選區(qū)激光熔融技術(shù)作為一種新的制造技術(shù)，相比傳統(tǒng)制造技術(shù)可以帶來(lái)更大的設(shè)計(jì)自由度，從而使設(shè)計(jì)師可以根據(jù)功能需求和性能需求做出最優(yōu)的設(shè)計(jì)。

目前，選區(qū)激光熔融技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)的制造中展現(xiàn)出了重要的創(chuàng)新作用。在國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)與東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司等單位協(xié)同創(chuàng)新，對(duì)增材制造技術(shù)應(yīng)用于高溫透平葉片進(jìn)行了研究，且研究成果已經(jīng)服務(wù)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)項(xiàng)目[12]。機(jī)械科學(xué)研究總院楊義成結(jié)合高速攝像和圖像處理等全過(guò)程監(jiān)控激光增材，并分析和優(yōu)化工藝，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)K435 合金葉片葉隼固定面缺失尺寸的高精度修復(fù)[13]。在國(guó)外，Meli E 等提出了利用增材制造技術(shù)制造經(jīng)增材工藝優(yōu)化的3D 葉輪，并在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為方面配置轉(zhuǎn)子組件，從而減輕了整體重量。利用該技術(shù)對(duì)大型3D 葉輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)一家總部位于意大利的石油和天然氣公司的機(jī)器，測(cè)試驗(yàn)證了它的有效性[14]。增材制造技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)子和定子組件時(shí)，可以調(diào)節(jié)固有頻率，降低應(yīng)力水平，減輕旋轉(zhuǎn)部件的質(zhì)量，并在生產(chǎn)時(shí)間和組件可用性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[15]。西門(mén)子已經(jīng)使用增材制造技術(shù)生成燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒系統(tǒng)組成部件，如圖2 所示。西門(mén)子也引入SLM 技術(shù)用于修復(fù)燃燒器，如圖3 所示，且使用增材制造技術(shù)重新設(shè)計(jì)和生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)葉片，如圖4 所示。GE 公司在9HA 燃?xì)廨啓C(jī)的制造中使用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)微孔預(yù)混技術(shù)，用于生產(chǎn)9HA 燃?xì)廨啓C(jī)中的核心部件燃燒室燃料噴嘴和預(yù)混器。

圖2 燃燒頭

圖3 修復(fù)的燃燒器

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)葉片

3 選區(qū)激光熔融技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)中應(yīng)用的若干挑戰(zhàn)

選區(qū)激光熔融技術(shù)可以進(jìn)行全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于進(jìn)一步提升渦輪的效率和部件的耐久性具有重要作用。除了增材制造技術(shù)，幾乎沒(méi)有其他的辦法能夠開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)承受更高溫度的新渦輪部件。選區(qū)激光熔融技術(shù)作為增材制造技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，已應(yīng)用到渦輪制造、燃燒室零件制造以及燃?xì)廨啓C(jī)中其他領(lǐng)域的原型設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)，最終目的是希望工程師應(yīng)用選區(qū)激光熔融技術(shù)就像應(yīng)用紙上印刷技術(shù)一樣簡(jiǎn)單，但是目前仍存在許多問(wèn)題需要克服，以推動(dòng)這個(gè)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。

3.1 制造成本高

3.1.1 設(shè)備自身方面

設(shè)備自身導(dǎo)致制造成本較高的原因有以下幾個(gè)方面。第一，目前，國(guó)內(nèi)外選區(qū)激光熔融生產(chǎn)設(shè)備的產(chǎn)量較少，設(shè)備零部件沒(méi)有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，而零部件的高昂成本增加了設(shè)備整體的成本。第二，由于設(shè)備制造商只關(guān)注自己產(chǎn)品的市場(chǎng)，因此產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化工作不完善，且在設(shè)備的制造和后續(xù)維修上也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使后續(xù)維護(hù)成本高。第三，選區(qū)激光熔融技術(shù)是一種層疊加制造的工藝。根據(jù)層疊加的制造原理，只能通過(guò)設(shè)置較小的層厚度和采用較小的光斑激光束進(jìn)行熔融操作，才可以獲得較高的制造精度和表面粗糙度。而較小的層厚度使得相同高度的零件需要更多的層數(shù)，且每層打印都需要經(jīng)過(guò)鋪粉和刮平等操作，降低了打印效率，增加了時(shí)間成本。此外，當(dāng)前設(shè)備打印的穩(wěn)定性不高會(huì)增加打印成本，一旦打印任務(wù)失敗，操作人員必須先把打印失敗的任務(wù)從設(shè)備中清理，然后重新加載打印，會(huì)造成大量的材料、設(shè)備工時(shí)和人力的浪費(fèi)。

3.1.2 材料方面

材料方面導(dǎo)致制造成本較高的原因有以下幾個(gè)方面。第一，選區(qū)激光熔融技術(shù)成型需要15 ～45μm 粒度的粉末。一般采用霧化法生產(chǎn)這些粉末。為了獲得穩(wěn)定的打印質(zhì)量，粉末的尺寸應(yīng)盡可能穩(wěn)定，從而增加了工藝成本。第二，目前，選區(qū)激光熔融粉末的產(chǎn)業(yè)用量小，整個(gè)行業(yè)粉末產(chǎn)量都較小，而沒(méi)有規(guī)模效應(yīng)的粉末在價(jià)格上無(wú)法和傳統(tǒng)工藝材料競(jìng)爭(zhēng)，增加了成本。第三，選區(qū)激光熔融技術(shù)中，加工很小的零部件也需要在加工腔體中鋪滿粉末，而加工大尺寸零件時(shí)腔體較大，需要的粉末量大，導(dǎo)致成本增加。

3.1.3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面

研究顯示，設(shè)計(jì)方案和成本的相關(guān)性大約為80%[16]。由于很多用來(lái)打印的零件是基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的，因此沒(méi)有考慮對(duì)選區(qū)激光熔融技術(shù)的兼容性和適用性。在零件設(shè)計(jì)階段，如果沒(méi)有結(jié)合制造工藝特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，那么零件在部分工藝節(jié)點(diǎn)往往會(huì)產(chǎn)生額外的成本。例如，多個(gè)零件合成一個(gè)零件、整體進(jìn)行優(yōu)化減重、設(shè)計(jì)具有較少支撐的優(yōu)化結(jié)構(gòu)以及減少后處理難度等優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，如果依據(jù)傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的零部件采用選區(qū)激光熔融技術(shù)打印，則選區(qū)激光熔融的成本就會(huì)比傳統(tǒng)工藝高很多。

3.2 制造質(zhì)量不穩(wěn)定

選區(qū)激光熔融制造過(guò)程是激光熔化粉末再固化的過(guò)程，易產(chǎn)生一些冶金缺陷。目前，這些冶金缺陷的生成機(jī)理、特征以及控制還沒(méi)有很好的理論依據(jù)，且在外物理場(chǎng)或外介質(zhì)（如電磁場(chǎng)和超聲波）中的物理化學(xué)反應(yīng)行為、無(wú)損檢驗(yàn)特性和相關(guān)檢驗(yàn)方法、對(duì)構(gòu)件和材料力學(xué)性能的影響、缺陷的微觀力學(xué)行為和缺陷損傷容限特性等方面尚不明確[17]。因此，需要進(jìn)一步研究這些冶金缺陷，以確保制造質(zhì)量。

選區(qū)激光熔融技術(shù)使用的原材料為金屬粉末，并使用霧化工藝進(jìn)行制造[18]。霧化工藝是一種成熟的粉末制備工藝，主要是為了輔助熱噴涂工藝，如真空等離子噴涂和高速氧燃料火焰噴涂等。因此，粉末制備生產(chǎn)過(guò)程中并沒(méi)有考慮空心顆粒在激光熔融后所產(chǎn)生的孔洞和裂紋等缺陷問(wèn)題。由于材料的缺陷，以及選區(qū)激光熔融成型過(guò)程中復(fù)雜的物理轉(zhuǎn)變、化學(xué)反應(yīng)以及冶金等過(guò)程，制造出來(lái)的零件易存在球化、孔隙以及裂紋等缺陷[19]。

選區(qū)激光熔融成型過(guò)程中，激光、熔池、粉末基體以及保護(hù)氣體之間存在著復(fù)雜的物理、化學(xué)和熱力耦合作用。除了復(fù)雜的熱過(guò)程外，激光功率的穩(wěn)定性、激光光斑掃描的定位精度、成型腔體內(nèi)部的保護(hù)氣體、熔融過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺物、熔融產(chǎn)生的煙塵的排除、保護(hù)氣體吹風(fēng)的方向以及支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等，都會(huì)對(duì)零件質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。因此，如何有效監(jiān)控打印過(guò)程是當(dāng)前選區(qū)激光熔融技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)大規(guī)模應(yīng)用方面所面臨的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。

3.3 未形成系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)方法

增材制造技術(shù)可以突破傳統(tǒng)加工方式的限制，使設(shè)計(jì)師可以更好地從功能和性能出發(fā)設(shè)計(jì)零件。但是，當(dāng)前的設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)理念以傳統(tǒng)加工方式為基礎(chǔ)，采用選區(qū)激光熔融技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，且使用的設(shè)計(jì)工具是按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法制造的，不能滿足增材制造技術(shù)的設(shè)計(jì)需求。因此，為了更好地滿足增材制造技術(shù)的設(shè)計(jì)需求，應(yīng)開(kāi)展更多的關(guān)于增材制造技術(shù)的設(shè)計(jì)方法學(xué)研究，甚至是專門(mén)針對(duì)選區(qū)激光熔融技術(shù)的設(shè)計(jì)方法學(xué)研究。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于選區(qū)激光熔融技術(shù)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)有較多的研究成果。例如：德國(guó)Kranz J 等細(xì)致研究了選區(qū)激光熔融成型TC4 鈦合金的設(shè)計(jì)規(guī)則，并分析了一些比較適合采用選區(qū)激光熔融技術(shù)加工的結(jié)構(gòu)特征[20]；英國(guó)威爾士大學(xué)Thomas D 測(cè)試了選區(qū)激光熔融成型能力，為更好地設(shè)計(jì)適合選區(qū)激光熔融打印的結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)[21]。傳統(tǒng)制造設(shè)計(jì)方法有著非常完整的設(shè)計(jì)體系、設(shè)計(jì)方法、用戶基礎(chǔ)以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法比較，設(shè)計(jì)人員對(duì)選區(qū)激光熔融技術(shù)的特點(diǎn)認(rèn)識(shí)還比較有限，用于增材制造技術(shù)的設(shè)計(jì)工具也不完善。為了更好地發(fā)揮選區(qū)激光熔融技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，需要設(shè)計(jì)人員跳出傳統(tǒng)制造設(shè)計(jì)方法的桎梏，嘗試完全以功能為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化、仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)以及創(chuàng)成式設(shè)計(jì)等方法，結(jié)合選區(qū)激光熔融技術(shù)的工藝特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而摸索出最適合選區(qū)激光熔融技術(shù)的設(shè)計(jì)方法。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著裝備的改進(jìn)、工藝的逐漸完善以及標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，未來(lái)選區(qū)激光熔融技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)制造領(lǐng)域中會(huì)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。目前，在成本、質(zhì)量和設(shè)計(jì)方法等方面還存在諸多問(wèn)題，限制了選區(qū)激光熔融技術(shù)的應(yīng)用。因此，建議在選區(qū)激光熔融技術(shù)的基礎(chǔ)研究上，加強(qiáng)選區(qū)激光熔融材料的優(yōu)化，加強(qiáng)激光熔融過(guò)程工藝的控制研究，進(jìn)一步了解相關(guān)物理、光學(xué)和化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，以更好地控制選區(qū)激光熔融技術(shù)的打印質(zhì)量。此外，基于綜合成本和技術(shù)因素，推動(dòng)用于選區(qū)激光熔融技術(shù)的設(shè)計(jì)方法、裝備、材料、檢測(cè)以及質(zhì)量認(rèn)證等端到端的全過(guò)程質(zhì)量控制體系的發(fā)展，從而提升選區(qū)激光熔融技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用水平。