增材制造技术是基于分层制造原理，采⽤材料逐层累加的⽅法，直接将数字化模型制造为实体零件的⼀种新型制造技术。美国材料与试验协会（ASTM）F42国际委员会给出了增材制造的定义：增材制造是依据三维模型数据将材料连接制作成物体的过程，相对于减法制造，它通常是逐层累加的过程。增材制造技术集成了数字化技术、制造技术、激光技术以及新材料技术等多个学科技术，可以直接将CAD数字模型快速⽽精密地制造成三维实体零件，实现真正的“⾃由制造”。与传统制造技术相⽐，增材制造技术具有柔性⾼、⽆模具、周期短、不受零件结构和材料限制等⼀系列优点，在航天航空、汽车、电⼦、医疗、军⼯等领域得到了⼴泛应⽤。
增材制造技术已成为制造业的研究热点，许多国家包括中国都对其展开了⼤量深⼊的研究，欧美更有专家认为这项技术代表着制造业发展的新趋势，被誉为有望成为“第三次⼯业⾰命”的代表性技术。激光增材制造（LAM）技术是⼀种以激光为能量源的增材制造技术，激光具有能量密度⾼的特点，可实现难加⼯⾦属的制造，⽐如航空航天领域采⽤的钛合⾦、⾼温合⾦等，同时激光增材制造技术还具有不受零件结构限制的优点，可⽤于结构复杂、难加⼯以及薄壁零件的加⼯制造。
⽬前，激光增材制造技术所应⽤的材料已涵盖钛合⾦、⾼温合⾦、铁基合⾦、铝合⾦、难熔合⾦、⾮晶合⾦、陶瓷以及梯度材料等，在航空航天领域中⾼性能复杂构件和⽣物制造领域中多孔复杂结构制造具
有显著优势。激光增材制造技术按照其成形原理进⾏分类，最具代表性的为以粉床铺粉为技术特征的激光选区熔化（SLM）和以同步送粉为技术特征的激光⾦属直接成形（LMDF）技术。本⽂在阐述了这两种典型的激光增材制造技术原理与特点的基础上，着重归纳了这两种技术的发展和研究现状，并探讨了⽬前激光增材制造技术的发展趋势。 激光选区熔化技术的研究现状
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SLM技术的原理和特点
激光选区熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）技术是利⽤⾼能量的激光束，按照预定的扫描路径，扫描预先铺覆好的⾦属粉末将其完全熔化，再经冷却凝固后成形的⼀种技术。其技术原理如图1所⽰。
SLM技术具有以下⼏个特点：
（1）成形原料⼀般为⼀种⾦属粉末，主要包括不锈钢、镍基⾼温合⾦、钛合⾦、钴-铬合⾦、⾼强铝合⾦以及贵重⾦属等。
（2）采⽤细微聚焦光斑的激光束成形⾦属零件，成形的零件精度较⾼，表⾯稍经打磨、喷砂等简单后处理即可达到使⽤精度要求。
（3）成形零件的⼒学性能良好，⼀般拉伸性能可超铸件，达到锻件⽔平。
（4）进给速度较慢，导致成形效率较低，零件尺⼨会受到铺粉⼯作箱的限制，不适合制造⼤型的整体零件。
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SLM技术的发展现状
SLM技术实际上是在选区激光烧结（SLS）技术基础上发展起来的⼀种激光增材制造技术。SLS技术最早由德克萨斯⼤学奥斯汀分校的Deckard教授提出，但是在SLS成形过程中存在粉末连接强度较低的问题，为了解决这⼀问题，1995年德国弗劳恩霍夫激光技术研究所的Meiners提出了基于⾦属粉末熔凝的选区激光熔化技术构思，并且在1999年与德国的Fockle和Schwarze⼀起研发了第⼀台基于不锈钢粉末的SLM成形设备，随后许多国家的研究⼈员都对SLM技术展开了⼤量的研究。
⽬前，对SLM技术的研究主要集中在德国、美国、⽇本等国家，主要是针对SLM设备的制造和成形⼯艺两⽅⾯展开。国
⽬前，对SLM技术的研究主要集中在德国、美国、⽇本等国家，主要是针对SLM设备的制造和成形⼯艺两⽅⾯展开。国外有许多专业⽣产SLM设备的公司，如美国的PHENIX、3DSYSTEM公司；德国的
EOS、CONCEPT、SLMSOULITION公司；⽇本的MATSUUR、SODICK公司等，均⽣产有性能优越的SLM设备，⽬前德国EOS公司⽣产的EOSM400型SLM设备最⼤加⼯体积可达400mm×400mm×400mm。在中国对SLM设备的研究主要集中在⾼校，华中科技⼤学、西北⼯业⼤学和华南理⼯⼤学等⾼校在SLM设备⽣产研发⽅⾯做了⼤量的研究⼯作，并且成功应⽤，其中华中科技⼤学史⽟升团队以⼤尺⼨激光选区烧结设备研究与应⽤获得2011年国家技术发明⼆等奖。但是国内成熟的商业化设备依旧存在空⽩，⽬前国内使⽤的SLM设备主要还是以国外的产品为主，这将是今后中国SLM技术发展的⼀个重点⽅向。在SLM成形⼯艺⽅⾯，⼤量的研究机构都对此进⾏了深⼊研究。
⽩俄罗斯科学院的Tolcochko研究了在选区激光熔化时⾦属粉末球化形成的具体过程，指出⾦属粉末的球化主要会形成碟形、杯形、球形3种典型的形状，并分析了各⾃形成的机理。德国鲁尔⼤学的Meier研究了不锈钢粉末在激光选区熔化成形的相对密度与⼯艺参数的关系，发现⾼的激光功率有利于成形出⾼密度的⾦属零件，低的扫描速度有利于扫描线的连续，促进致密化。英国利兹⼤学Badrossamay等对不锈钢和⼯具钢合⾦粉末进⾏了SLM研究，分析了扫描速率、激光功率和扫描间隔对成形件质量的影响。华中科技⼤学Shi等对SLM成形过程中熔池边界对成形件性能的影响进⾏了深⼊的研究，研究表明熔池边界对成形件的⼒学性能尤其是延展性与韧性有很⼤的影响。华南理⼯⼤学杨永强等[17]对SLM 成形⾦属零件上表⾯的粗糙度影响因素进⾏了研究，发现成形件上的表⾯粗糙度主要受熔道宽度、扫描间距和铺粉层厚3个因素的共同影响，并提出利⽤电化学处理提⾼表⾯精度的⽅法。
近年来SLM技术发展受到了许多国家的⼤⼒扶持，2012年美国国防部成⽴了国家选区熔化成形创新联盟（NAMII），国防部、能源部、商务部、国家科学基⾦会（NSF）以及国防航空航天局（NASA）共同承诺向激光选区熔化成形试点联盟投资4500万美元，创新联盟共包括40家企业、9个研究型⼤学、5个社区学院以及11个⾮营利机构[18]。众所周知的美国Boeing公司、LockheedMartin公司、GE航空发动机公司、Sandia国家实验室和LosAlomos国家实验室均参与其中。
此外，意⼤利AVIO公司、加拿⼤国家研究院、澳⼤利亚国家科学研究中⼼等⼤型公司、国家研究机构以及我国的华中科技⼤学、华南理⼯⼤学等⾼校也都对SLM技术开展了⼤量研究⼯作。美国的GE公司于2012年收购了MorrisTechnologies公司，并且利⽤Morris的SLM设备与⼯艺技术制造出了喷⽓式飞机专⽤的发动机组件，如图
2（a）、（b）所⽰，GE公司明确地将激光增材制造技术认定为推动未来航空发动机发展的关键技术。同时SLM技术在医学领域也有重要的应⽤，西班⽛的Salamanca⼤学利⽤澳⼤利亚科学协会研制的Arcam型SLM设备成功制造出了钛合⾦胸⾻与肋⾻，如图2（c）所⽰，并成功植⼊了罹患胸廓癌的患者体内。西北⼯业⼤学、华中科技⼤学和华南理⼯⼤学是我国从事SLM技术研究较早较深⼊的科研单位，在SLM技术的研究中取得了许多可喜的成果，他们分别应⽤SLM技术制造出了⼤量的具有复杂结构的⾦属零件，如图2（d）~（f）所⽰。
激光⾦属直接成形技术的研究现状
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LMDF技术的原理与特点
激光⾦属直接成形（LMDF）技术是利⽤快速原型制造的基本原理，以⾦属粉末为原材料，采⽤⾼能量的激光作为能量源，按照预定的加⼯路径，将同步送给的⾦属粉末进⾏逐层熔化，快速凝固和逐层沉积，从⽽实现⾦属零件的直接制造。通常情况下，激光⾦属直接成形系统平台包括：激光器、CNC数控⼯作台、同轴送粉喷嘴、⾼精度可调送粉器及其他辅助装置。其原理如图3所⽰[19]。激光⾦属直接成形技术集成了激光熔覆技术和快速成形技术的优点，具有以下特点：
（1）⽆需模具，可实现复杂结构的制造，但悬臂结构需要添加相应的⽀撑结构。
（2）成形尺⼨不受限制，可实现⼤尺⼨零件的制造。
（3）可实现不同材料的混合加⼯与制造梯度材料。
（4）可对损伤零件实现快速修复。
（5）成形组织均匀，具有良好的⼒学性能，可实现定向组织的制造。
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LMDF技术的发展现状
LMDF技术是在快速原型技术的基础上结合同步送粉和激光熔覆技术发展起来的⼀项激光增材制造技术。LMDF技术起源于美国Sandai国家实验室的激光近净成形技术（LENS），随后在多个国际研究机构快速发展起来，并且被赋予了很多不同的名称，如美国LosAlamos国家实验室的直接激光制造（DLF），斯坦福⼤学的形状沉积制造（SDM），密西根⼤学的直接⾦属沉积（DMD），德国弗劳恩霍夫（Fraunhofer）激光技术研究所的激光⾦属沉积（LMD），中国西北⼯业⼤学的激光⽴体成形技术（LSF）等，虽然名称各不相同，但是技术原理却⼏乎是⼀致的，都是基于同步送粉和激光熔覆技术。
⽬前，对于LMDF技术的研究主要是针对成形⼯艺以及成形组织性能两⽅⾯展开，美国的Sandai国家实验室和LosAlomos国家实验室针对镍基⾼温合⾦、不锈钢、钛合⾦等⾦属材料进⾏了⼤量的激光⾦属直接成形研究，所制造的⾦属零件不仅形状复杂，且其⼒学性能接近甚⾄超过传统锻造技术制造的零件。瑞⼠洛桑理⼯学院的Kurz等深⼊研究了激光快速成形⼯艺参数对成形过程稳定性，成形零件的精度控制，材料的显微组织以及性能的影响，并将该技术应⽤于单晶叶⽚的修复。
清华⼤学的钟敏霖和宁国庆等在激光快速成形同轴送粉系统的研制及熔覆⾼度检测及控制⽅⾯取得了研究进展；西北⼯业⼤学的黄卫东等通过对单层涂覆厚度、单道涂覆宽度、搭接率等主要参数进⾏精
确控制，获得件内部致密，表⾯质量良好的成形件；西安交通⼤学的张安峰、李涤尘等研究了激光⾦属直接成形DZ125L⾼温合⾦零件过程中不同⼯艺参数（如激光功率、扫描速度、送粉率、Z轴提升量等）对单道熔覆层⾼度、宽度、宽⾼⽐和成形质量的影响规律，并优化了⼯艺参数。
近年来，LMDF技术同样也受到了许多国家的重视和⼤⼒发展，2013年欧洲空间局（ESA）提出了“以实现⾼技术⾦属产品的⾼效⽣产与零浪费为⽬标的增材制造项⽬”（AMAZE）计划，该计划于2013年1⽉正式启动，汇集了法国Airbus 公司、欧洲宇航防务集团（EADS）的Astrium公司、英国Rolls·Royce公司以及英国的CranfieldUniversity和UniversityofBirmingham等28家机构来共同从事激光⾦属增材制造⽅⾯的研究，旨在将增材制造带⼊⾦属时代，其⾸要⽬标是快速⽣产⼤型零缺陷增材制造⾦属零件，⼏乎实现零浪费。与此同时，美国的Sandai国家实验室、LosAlomos国家实验室、GE公司以及美国国防航空航天局（NASA），德国的弗劳恩霍夫（Fraunhofer）激光技术研究所，我国的北京航空航天⼤学、西安交通⼤学、西北⼯业⼤学等也对LMDF展开深⼊的研究。
美国国防航空航天局（NASA）喷⽓推进实验室开发出⼀种新的激光⾦属直接成形技术，可在⼀个部件上混合打印多种⾦属或合⾦，解决了长期以来飞⾏器尤其是航天器零部件制造中所⾯临的⼀⼤难题——在同⼀零件的不同部位具有不同性能，如图4（a）所⽰。英国的罗·罗（Rolls·Royce）公司计划利⽤激光⾦属直接成形技术，来⽣产TrentXWB-97（罗·罗研发的涡轮风扇系列发动机）由钛和铝的合⾦构成的前轴承座，其前轴承座包括48⽚机翼叶，直径为1.5m，长度为0.5m，如图4（b）所⽰。北京
航空航天⼤学的王华明团队也利⽤激光⾦属直接成形技术制造出了⼤型飞机钛合⾦主承⼒构件加强框，如图4（c）所⽰，并获得了国家技术发明⼀等奖。西安交通⼤学在国家“973项⽬”的资助下，展开了利⽤激光⾦属直接成形技术制造空⼼涡轮叶⽚⽅⾯的研究，并成功制备出了具有复杂结构的空⼼涡轮叶⽚，如图4（d）所⽰。
激光增材制造技术的发展趋势
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设备⽅⾯
经济、⾼效的设备是激光增材制造技术⼴泛推⼴和发展的基础[30]，随着⽬前⼤功率激光器的使⽤以及送粉效率的不断提⾼，激光增材制造的加⼯效率已经有显著的提⾼，但是对于⼤尺⼨零件的制造效率依然偏低，⽽且激光增材制造设备的价格也偏⾼，因此进⼀步提⾼设备的加⼯效率同时降低设备的成本有着重要的意义。此外，激光增材制造设备还可以与传统加⼯复合，例如德国DMGMORI旗下的Lasertec系列，整合了激光增材制造技术与传统切削技术，不仅可以制造出传统⼯艺难以加⼯的复杂形状，还改善了激光⾦属增材制造过程中存在的表⾯粗糙问题，提⾼了零件的精度。
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材料⽅⾯
对于⾦属材料激光增材制造技术来说，⾦属粉末就是其原材料，⾦属粉末的质量会直接影响到成形零部件最终的质量。然⽽，⽬前还没有专门为激光增材制造⽣产的⾦属粉末，现在激光增材制造⼯艺所使⽤的⾦属粉末都是之前为等离⼦喷涂、真空等离⼦喷涂和⾼速氧燃料⽕焰喷涂等热喷涂⼯艺开发的，基本都是使⽤雾化⼯艺制造。这类⾦属粉末在⽣产过程中可能会形成⼀些空⼼颗粒，将这些空⼼颗粒的⾦属粉末⽤于激光增材制造时，会导致在零件中出现孔洞、裂纹等缺陷。在2015年3⽉美国奥兰多举办的第七届激光增材制造研讨会上，激光增材制造⽤的⾦属粉末成为本次会议的焦点议题，受到了与会专家、学者的⾼度重视，因此激光增材制造使⽤的⾦属粉末将成为今后的⼀个研究重点。
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⼯艺⽅⾯
虽然⽬前对激光增材制造的⼯艺展开了⼤量研究，但是在零件的成形过程中依然存在许多问题。在SLM成形过程中伴随着复杂的物理、化学、冶⾦等过程，容易产⽣球化、孔隙、裂纹等缺陷，在LMDF成形过程中随着⾼能激光束长时间周期性剧烈加热和冷却、移动熔池在池底强约束下的快速凝固收缩及其伴⽣的短时⾮平衡循环固态相变，会在零件内部产⽣极⼤的内应⼒，容易导致零件严重变形开裂。进⼀步优化激光增材制造技术的⼯艺，克服成形过程中的缺陷，加强对激光增材制造过程中
激光熔覆工艺零件内应⼒演化规律、变形开裂⾏为及凝固组织形成规律以及内部缺陷形成机理等关键基础问题的研究，依然是今后的研究重点。
我国的激光增材制造技术起步较早，已经取得了不少研究成果，但是仍然与国外存在⼀定的差距，应当进⼀步加⼤投⼊⼒度，加快研究进展。激光增材制造技术作为⼀种新兴的技术，在今后的发展中应该更注重“产、学、研”⼀体化发展，以市场需求为导向，制定出⼀系列⼯艺规范与标准，并逐步解决关键的⼯艺问题，降低成本，使激光增材制造技术早⽇成为我国产业转型的⼀个重要⼯具。
作者：杨强，鲁中良，黄福享，李涤尘（西安交通⼤学机械制造系统⼯程国家重点实验室）
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