近年來(lái)誕生了選擇性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)金屬粉末的快速成型技術(shù)，用它能直接成型出接近完全致密度的金屬零件。SLM技術(shù)克服了選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering。SLS)技術(shù)制造金屬零件工藝過(guò)程復(fù)雜的困擾。用SLS技術(shù)制造金屬零件的方法主要有：(1)熔模鑄造法：首先采用SLS技術(shù)成型高聚物(聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS等)原型零件，然后利用高聚物的熱降解性，采用鑄造技術(shù)成型金屬零件。(2)砂型鑄造法：首先利用覆膜砂成型零件型腔和砂芯(即直接制造砂型)，然后澆鑄出金屬零件。(3)選擇性激光間接燒結(jié)原型件法：高分子與金屬的混合粉末或高分子包覆金屬粉末經(jīng)SLS成型，經(jīng)脫脂、高溫?zé)Y(jié)、浸漬等工藝成型金屬零件。(4)選擇性激光直接燒結(jié)金屬原型件法：首先將低熔點(diǎn)金屬與高熔點(diǎn)金屬粉末混合，其中低熔點(diǎn)金屬粉末在成形過(guò)程中主要起粘結(jié)劑作用。然后利用SLS技術(shù)成型金屬零件;最后對(duì)零件后處理，包括浸漬低熔點(diǎn)金屬、高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓(Hotisostatic Pressing，HIP)。這些方法所制造的金屬零件機(jī)械性能受低型工藝過(guò)程的影響因素比較多。為此，德國(guó)Fraunhofer激光器研究所(Fraunhofer Institute for LaserTechnology，ILT)最早提出了直接制造金屬零件的SLM技術(shù)。

　　選擇性激光熔化技術(shù)的基本原理

　　SLM技術(shù)是利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化、經(jīng)冷卻凝固而成型的一種技術(shù)。為了完全熔化金屬粉末，要求激光能量密度超過(guò)106W/Cm2。目前用SLM技術(shù)的激光器主要有Nd-YAG激光器、Co2激光器、光纖(Fiber)激光器。這些激光器產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)分別為1064nm、10640nm、1090nm。金屬粉末對(duì)1064nm等較短波長(zhǎng)激光的吸收率比較高，而對(duì)10640nm等較長(zhǎng)波長(zhǎng)激光的吸收率較低。因此在成型金屬零件過(guò)程中具有較短波長(zhǎng)激光器的激光能量利用率高，但是采用較長(zhǎng)波長(zhǎng)的Co2激光器，其激光能量利用率低。

　　在高激光能量密度作用下，金屬粉末完全熔化，經(jīng)散熱冷卻后可實(shí)現(xiàn)與固體金屬冶金焊合成型。SLM技術(shù)正是通過(guò)此過(guò)程，層層累積成型出三維實(shí)體的快速成型技術(shù)。

　　根據(jù)成型件三維CAD模型的分層切片信息，掃描系統(tǒng)(振鏡)控制激光束作用于待成型區(qū)域內(nèi)的粉末。一層掃描完畢后，活塞缸內(nèi)的活塞會(huì)下降一個(gè)層厚的距離;接著送粉系統(tǒng)輸送一定量的粉末，鋪粉系統(tǒng)的輥?zhàn)愉佌挂粚雍竦姆勰┏练e于已成型層之上。然后，重復(fù)上述2個(gè)成型過(guò)程，直至所有三維CAD模型的切片層全部掃描完畢。這樣，三維CAD模型通過(guò)逐層累積方式直接成型金屬零件。最后，活塞上推，從成型裝備中取出零件。至此，SLM金屬粉末直接成型金屬零件的全部過(guò)程結(jié)束。

　　選擇性激光熔化技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

　　目前，國(guó)外應(yīng)用SLM技術(shù)可制造模具、工具、生物移植物等金屬零件。但技術(shù)仍不夠成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域還不夠廣泛。SLM技術(shù)的研究主要針對(duì)以下幾個(gè)方面：成型裝備、金屬粉末、成型工藝、成型機(jī)理、成型件性能、成型過(guò)程模擬和成型件的應(yīng)用。

　　1選擇性激光熔化裝備

　　SLM裝備的許多方面都影響成型工藝及成型件的精度、機(jī)械性能。在開(kāi)發(fā)SLM裝備方面，只有德國(guó)、日本、美國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家的生產(chǎn)商成功地開(kāi)發(fā)了商用裝備。這些公司包括德國(guó)的MCP、TRUMPF，日本的MATSUUR和美國(guó)的PHENIX。這些公司SLM裝備的不同之處主要體現(xiàn)在激光器、聚焦面光斑尺寸、鋪粉方式和活塞缸鋪粉層厚等方面。

　　MCP公司和PHENIX公司的SLM裝備應(yīng)用的激光器為100W光纖激光器，激光波長(zhǎng)為1090nm，其主要工作模式為CW/Modulated，光纖激光器激光束的輸出模式為T(mén)EM00(TransverseElectromagnetic Modes);其光束橫截面能量分布為高斯分布，且在傳輸過(guò)程中保持不變，光束質(zhì)量好，激光束經(jīng)聚焦后的激光光斑在30un～250um之間。

　　TRUMPF公司的SLM裝備配備250W盤(pán)形激光器，激光波長(zhǎng)為1030nm;光斑大小可變范圍在200um～400um。

　　MATSU U RA公司的SLM裝備采用500W脈沖式Co2，激光器，激光波長(zhǎng)10640nm，其峰值達(dá)1.5kW，頻率達(dá)100kHZ。光斑大小為600um。

　　除了以上公司進(jìn)行SLM裝備的商業(yè)生產(chǎn)外，還有包括比利時(shí)魯汶大學(xué)、日本大阪大學(xué)等在內(nèi)的高校從事SLM裝備的研制。這些高校自行研制的SLM裝備和上述公司商用生產(chǎn)的裝備相似，主要是在激光器，聚焦光斑、鋪粉層厚、鋪粉方式等方面有所不同。

　　目前國(guó)內(nèi)主要有華中科技大學(xué)在這方面進(jìn)行了研究，并不斷地跟蹤SLM技術(shù)的最新發(fā)展情況。華中科技大學(xué)快速制造中心已經(jīng)研制出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的商品化SLM設(shè)備——HRPM系列金屬粉末熔化成型設(shè)備。該設(shè)備采用了150W CW Nd—YAG激光器和lOOW CW光纖激光器，由武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司生產(chǎn)制造，已在市場(chǎng)上進(jìn)行了銷售，打破了國(guó)外公司在這方面的壟斷，大大降低了該設(shè)備的價(jià)格，方便了國(guó)內(nèi)的廣大用戶。

　　2選擇性激光熔化技術(shù)所用粉末

　　適合SLM技術(shù)的金屬粉末比較廣泛。如果自行設(shè)計(jì)適合SLM成形的材料成分并制備粉末，其造價(jià)比較高，不經(jīng)濟(jì)。因此，目前用于SLM技術(shù)研究的粉末主要來(lái)源于商用粉末。可以研究它們的成型性，從而提出該技術(shù)選用粉末的標(biāo)準(zhǔn)。

　　用于SLM成型的粉末可以分為混合粉末、預(yù)合金粉末、單質(zhì)金屬粉末3類。

　　(1)混合粉末。

　　混合粉末由一定成分的粉末經(jīng)混合均勻而成。設(shè)計(jì)混合粉末時(shí)要考慮激光光斑大小對(duì)粉末顆粒粒度的要求。Kruth J.P.等人研制了鐵基混合粉(包含F(xiàn)e，Ni，Cu，F(xiàn)e，P)。因激光光斑為600 u 111，所以要求混合粉中顆粒的最大尺寸不能超過(guò)該光斑直徑。應(yīng)用這種混合粉的SLM成形件不能滿足100%致密度要求，因此其機(jī)械性能還有待進(jìn)一步提高。魯中良等研制了Fe-Ni-C混合粉末，其組成成分為：ω(Fe)=91.5%、ω(Ni)=8.0%、ω(C)=O.5%。Fe、Ni粉末為-300目，C粉為-200目。應(yīng)用該混合粉末的SLM成型件致密度較低，存在大量的孔隙。對(duì)混合粉的SLM成型研究表明，混合粉的成型件致密度有待提高，其機(jī)械性能受致密度、成分均勻度的影響。

　　(2)預(yù)合金粉末。

　　根據(jù)預(yù)合金主要成分的不同，預(yù)合金粉末可以分為鐵基、鎳基、鈦基、鈷基、鋁基、銅基、鎢基等。

　　鐵基合金粉末包括工具鋼M2、工具鋼H13、不銹鋼316L(1.4404)、Inox 904L、314s—HC、鐵合金(Fe-15Cr-1.5B)，其SLM成型結(jié)果表明：低碳鋼比高碳鋼的成型性好，成型件的相對(duì)致密度仍不能完全達(dá)到100%。

　　鎳基合金粉末包括Ni625、NiTi合金、Waspaloy合金、鎳基預(yù)合金(ω(Ni)=83.6%、ω(Cr)=9.4%、ω(B)=1.8%、ω(S i)=2.8%、ω(Fe)=2.0%、ω(C)=0.4%)，其成型結(jié)果表明：成型件的相對(duì)致密度可達(dá)99.7%。

　　鈦合金粉末主要有TiAl6V4合金，其SLM成型結(jié)果表明：成型件相對(duì)致密度可達(dá)95%。鈷合金粉末主要有鈷鉻合金，其SLM成型結(jié)果表明：成型件相對(duì)致密度可達(dá)96%。

　　鋁合金粉末主要有A16061合金，其SLM成型結(jié)果表明：成型件的相對(duì)致密度可達(dá)91%。銅合金粉末包括Cu/Sn合金、銅基合金(84.5Cu-8Sn-6.5P一1Ni)、預(yù)合金Cu-P，其SLM成型結(jié)果表明：成型件的相對(duì)致密度可達(dá)95%。

　　鎢合金粉末主要有鎢銅合金，其SLM成型結(jié)果表明：成型件的相對(duì)致密度仍然達(dá)不到100%。

　　(3)單質(zhì)金屬粉末。單質(zhì)金屬粉末主要有鈦粉，其SLM成型結(jié)果表明：鈦粉的成型性較好，成型件的相對(duì)致密度可達(dá)98%。

　　綜上所述，SLM技術(shù)所用粉末主要為單質(zhì)金屬粉末和預(yù)合金粉末。單質(zhì)金屬粉末和預(yù)合金粉末的成型件的成分分布、綜合機(jī)械性能較好。所以成型工藝研究主要針對(duì)預(yù)合金、單質(zhì)金屬粉末的工藝優(yōu)化，以提高成型件的致密度。

　　3選擇性激光熔化成型工藝

　　SLM成型工藝主要研究工藝參數(shù)對(duì)粉末成型軌跡和致密度的影響規(guī)律。

　　(1)工藝參數(shù)對(duì)成型軌跡的影響。在SLM成型過(guò)程中，成型軌跡特征受工藝參數(shù)的影響。成型軌跡主要包括激光束對(duì)粉末的單點(diǎn)、單道掃描，單層、多道掃描成型的軌跡，通過(guò)對(duì)成型軌跡的評(píng)價(jià)來(lái)研究工藝參數(shù)對(duì)成型軌跡的影響規(guī)律。

　　(2)工藝參數(shù)對(duì)致密度的影響。金屬零件致密度是影響其機(jī)械性能的一個(gè)主要因素。金屬粉末SLM成型件致密度是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，受激光波長(zhǎng)、激光功率密度和粉末成分的影響。在Co2激光(波長(zhǎng)為10640nm)作用下成型件致密度較低，這與金屬粉末對(duì)激光的較低吸收率、激光功率密度有關(guān);而YAG激光(波長(zhǎng)為1064nm)作用下的成型件致密度較高，是因?yàn)槠浼す夤β拭芏雀撸饘俜勰?duì)激光的吸收率高。此外，粉末化學(xué)成分是影響其潤(rùn)濕性的主要因素，所以低碳成分的鐵基合金粉末的潤(rùn)濕性好，其SLM成型件的致密度高。

　　4選擇性激光熔化成型機(jī)理

　　在SLM成型過(guò)程中，提高粉末的成型性，就必須提高液態(tài)金屬的潤(rùn)濕性。在成型過(guò)程中，若液態(tài)金屬成球，則說(shuō)明液態(tài)金屬的潤(rùn)濕性不好。液態(tài)金屬對(duì)固體金屬的潤(rùn)濕性受工藝參數(shù)的影響，因此可優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)提高特定粉末的潤(rùn)濕能力。研究結(jié)果表明，液態(tài)金屬在缺少與氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況下是不能潤(rùn)濕固體氧化膜的，因此在成型過(guò)程中要防止氧化，雖然添加合金元素P可提高潤(rùn)濕性，但是元素P會(huì)影響成型件的機(jī)械性能。

　　5選擇性激光熔化成型件性能

　　S L M成型件性能主要包括殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變、顯微組織和機(jī)械性能。

　　(1)殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)變。金屬粉末在SLM成型過(guò)程中，會(huì)因溫度梯度產(chǎn)生熱應(yīng)變和殘余應(yīng)力，進(jìn)而影響成形過(guò)程。研究結(jié)果表明：翹曲、裂紋、熱應(yīng)力、表面粗糙、顯微組織等問(wèn)題主要是因成型過(guò)程中激光作用下的快熱快冷(淬火)所致。為此，提出了雙激光(Co2、Nd-YAG)掃描系統(tǒng)方案。

　　(2)顯微組織。

　　工藝參數(shù)會(huì)影響SLM成型件的顯微組織。如果激光掃描速度快，那么冷卻速度也會(huì)較快，使顯微組織更細(xì)，有利于提高SLM成型件的機(jī)械性能。

　　(3)機(jī)械性能。

　　S L M成型件的機(jī)械性能主要包括強(qiáng)度、硬度、精度和表面粗糙度等。SLM成型件的彎曲強(qiáng)度受激光工作模式的影響，在脈沖及其反沖作用力工作模式下的SLM成型件，其最大抗彎曲強(qiáng)度為630MPa，未經(jīng)任何處理的成型件表面粗糙度達(dá)10 um～30 um。因SLM成型件的相對(duì)致密度未達(dá)到100%，所以抗彎強(qiáng)度等機(jī)械性能會(huì)受到一定的影響。

　　6選擇性激光熔化成型過(guò)程的數(shù)值模擬

　　SLM成型過(guò)程是一個(gè)激光束熔化粉末、相變和凝固冶金結(jié)合的過(guò)程。在SLM成型過(guò)程中，粉末在極短(毫秒級(jí))的時(shí)間內(nèi)熔化，溫度梯度大，通過(guò)試驗(yàn)方法測(cè)量其溫度動(dòng)態(tài)過(guò)程比較困難;而通過(guò)有限元法模擬分析并揭示其成型過(guò)程，能夠?yàn)橹贫ê侠淼墓に噮?shù)、減少試驗(yàn)次數(shù)、成型高質(zhì)量零件提供重要的理論指導(dǎo)。

　　7選擇性激光熔化成型技術(shù)的應(yīng)用

　　選擇性激光熔化成型技術(shù)可以直接成型金屬零件，主要有生物醫(yī)用零件、散熱器零件、超輕結(jié)構(gòu)零件、微型器件等。因此，SLM技術(shù)在成型薄壁零件、超輕結(jié)構(gòu)零件方面的研究及應(yīng)用較多。

　　8選擇性激光熔化與熱等靜壓(SLM/HIP)復(fù)合成型技術(shù)

　　SLM成型件內(nèi)部存在殘余應(yīng)力且致密度仍有待提高，因此其機(jī)械性能受到了影響。為提高成型件的綜合機(jī)械性能，可以采用SLM與熱等靜壓(Hot Isostatic Pressing，HIP)復(fù)合成型技術(shù)。但是這種針對(duì)金屬粉末的SLS與HIP相結(jié)合的復(fù)合成型技術(shù)還不成熟，SLS技術(shù)難以直接成型致密外殼。為解決這方面的不足，使sLM技術(shù)直接成型致密金屬外殼來(lái)替代包套，從而實(shí)現(xiàn)SLM與HIP的復(fù)合成型技術(shù)，為快速成型技術(shù)的應(yīng)用提供新的發(fā)展思路。

　　選擇性激光熔化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

　　目前我國(guó)正在大力發(fā)展飛機(jī)制造業(yè)，選擇性激光熔化技術(shù)在飛機(jī)零件制造上具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，不僅可以快速地生產(chǎn)出小批量飛機(jī)零件，而且在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段可大大縮短樣件加工時(shí)間，節(jié)省大量開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

　　通過(guò)以上的分析，SLM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

　　(1)能將CAD模型直接制成終端金屬產(chǎn)品，只需要簡(jiǎn)單的后處理或表面處理工藝。

　　(2)適合各種復(fù)雜形狀的工件，尤其適合內(nèi)部有復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)(如空腔、三維網(wǎng)格)、用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法無(wú)法制造的復(fù)雜工件。

　　(3)能得到具有非平衡態(tài)過(guò)飽和固溶體及均勻細(xì)小金相組織的實(shí)體，致密度幾乎能達(dá)到100%，SLM零件機(jī)械性能與鍛造工藝所得相當(dāng)。

　　(4)使用具有高功率密度的激光器，以光斑很小的激光束加工金屬，使得加工出來(lái)的金屬零件具有很高的尺寸精度(達(dá)0.1mm)以及很好的表面粗糙度值(Ra=30 u m～50um)。

　　(5)由于激光光斑直徑很小，因此能以較低的功率熔化高熔點(diǎn)金屬，使得用單一成分的金屬粉末來(lái)制造零件成為可能，而且可供選用的金屬粉末種類也大大拓展了。

　　(6)能采用鈦粉、鎳基高溫合金粉加工解決在航空航天中應(yīng)用廣泛的、組織均勻的高溫合金零件復(fù)雜件加工難的問(wèn)題;還能解決生物醫(yī)學(xué)上組分連續(xù)變化的梯度功能材料的加工問(wèn)題。

　　由于SLM技術(shù)具有以上優(yōu)點(diǎn)，它具有廣闊的應(yīng)用前景和廣泛的應(yīng)用范圍，如機(jī)械領(lǐng)域的工具及模具(微制造零件、微器件、工具插件、模具等)、生物醫(yī)療領(lǐng)域的生物植入零件或替代零件(齒、脊椎骨等)、電子領(lǐng)域的散熱器件、航空航天領(lǐng)域的超輕結(jié)構(gòu)件以及梯度功能復(fù)合材料零件等。

　　特別是在航空航天領(lǐng)域，應(yīng)用較多的是典型的多品種小批量生產(chǎn)過(guò)程，尤其是在其研發(fā)階段，SLM技術(shù)具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。有些復(fù)雜的工件，采用機(jī)加工不但浪費(fèi)時(shí)間，而且嚴(yán)重浪費(fèi)材料，一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)甚至無(wú)法制造;鑄造能解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造問(wèn)題并提高材料利用率，但鈦和鎳等特殊材料的鑄造工藝非常復(fù)雜，制件性能難以控制;鍛造可有效提高制件性能，但需要昂貴的精密模具和大型的專用裝備，制造成本很高。而采用SLM方法則可以很方便、快捷地制造出這些復(fù)雜工件，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段可以大大縮短樣件的加工生產(chǎn)時(shí)間，節(jié)省大量的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。我國(guó)正在全力推進(jìn)大飛機(jī)的研發(fā)工作，SLM技術(shù)將可以在其中發(fā)揮巨大的作用。

　　可以說(shuō)，SLM技術(shù)代表了快速制造領(lǐng)域的發(fā)展方向，運(yùn)用該技術(shù)能直接成型高復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高尺寸精度、高表面質(zhì)量的致密金屬零件，減少制造金屬零件的工藝過(guò)程，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供更加快捷的途徑，進(jìn)而加快產(chǎn)品的市場(chǎng)響應(yīng)速度，更新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念和生產(chǎn)周期。SLM技術(shù)在未來(lái)將會(huì)得到更好、更快的發(fā)展。但是，由于巨大的市場(chǎng)價(jià)值與商業(yè)機(jī)密，目前SLM技術(shù)的發(fā)展與推廣還存在一些問(wèn)題。主要是SLM設(shè)備十分昂貴，工作效率低;并且由于大工作臺(tái)范圍內(nèi)的預(yù)熱溫度場(chǎng)難以控制，工藝軟件不完善，制件翹曲變形大，因而無(wú)法直接制作大尺寸零件，目前還只能制作一些尺寸較小的工件。只有解決以上問(wèn)題，研發(fā)出可靠性和技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平、價(jià)格低廉、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SLM設(shè)備、成型材料和配套的工藝路線等，才能在我國(guó)推廣這項(xiàng)技術(shù)。