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金屬增材制造缺陷與檢測 版權信息
- ISBN：9787030687968
- 條形碼：9787030687968 ; 978-7-03-068796-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
金屬增材制造缺陷與檢測 本書特色
一本深入淺出、系統講述缺陷和檢測的專業書籍是提高理論知識和技術水平必不可少的工具
金屬增材制造缺陷與檢測 內容簡介
本書是金屬3D打印領域理論與應用結合的專業書籍。針對3D打印實際需要，圍繞打印典型缺陷及缺陷的在線無損檢測技術發展，本書結合理論和實際應用，對缺陷和檢測展開了充分的論述。論文為兩大部分內容，部分在介紹3D打印的冶金基本過程基礎上，詳細分析了典型缺陷的特征、形成機理、危害及防治措施；第二部分重點介紹了3D打印中常用的光學/紅外檢測、超聲檢測、射線檢測、在線檢測裝備集成等內容。本書收集了大量的國內外3D打印材料及檢測技術的研究成果，由淺入深，比較系統的搶先發售曾現了3D打印缺陷及檢測的相關理論和豐富的應用案例。本書可作為高等院校和科研院所從事3D打印技術開發的相關科研人員的參考書，同時也可供給3D打印技術應用單位的相關工程技術人員學習使用。
金屬增材制造缺陷與檢測 目錄
目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 金屬增材制造的發展 1
1.2 金屬增材制造技術分類 3
1.2.1 激光選區熔化增材制造技術 3
1.2.2 激光定向能量沉積增材制造技術 6
1.2.3 電子束熔絲沉積增材制造技術 8
1.2.4 電子束選區熔化成形增材制造技術 10
1.2.5 電弧增材制造技術 12
1.2.6 超聲波增材制造技術 14
1.2.7 冷噴涂增材制造技術 16
1.3 金屬增材制造用粉末材料 19
1.3.1 增材制造粉末制備方法 19
1.3.2 增材制造粉末形態描述 28
1.3.3 常用增材制造粉末材料 33
1.4 金屬增材制造技術的應用 36
1.4.1 在航空航天的應用 37
1.4.2 在能源行業的應用 39
1.4.3 在醫療領域的應用 41
1.4.4 在模具制造中的應用 41
1.5 金屬增材制造的冶金過程 44
1.5.1 熱源和材料的相互作用機理 44
1.5.2 增材制造熔池特征 48
1.6 金屬增材制造中的典型缺陷及檢測技術 54
1.6.1 增材制造中的典型缺陷 54
1.6.2 增材制造缺陷檢測的特點及方法 55
1.6.3 我國金屬增材制造檢測技術的戰略布局 61
參考文獻 62
第2章 金屬增材制造的孔洞缺陷 66
2.1 匙孔缺陷的冶金基礎 66
2.1.1 激光熔化模式 66
2.1.2 匙孔缺陷的產生及影響 70
2.1.3 匙孔缺陷形成的微觀過程 70
2.2 增材制造中的匙孔缺陷 72
2.2.1 增材過程的焊接模式 72
2.2.2 匙孔缺陷形成的影響因素 74
2.2.3 典型增材制造材料中的匙孔缺陷 78
2.3 增材制造中的氣孔缺陷 81
2.3.1 氣孔缺陷的冶金基礎 82
2.3.2 選擇性激光熔化中的氣孔缺陷 85
2.3.3 電子束增材制造中的氣孔缺陷 91
2.3.4 電弧增材制造中的氣孔缺陷 96
2.3.5 氣孔缺陷對材料性能的影響 101
2.4 本章小結 104
參考文獻 105
第3章 金屬增材制造的未熔合及夾渣缺陷 108
3.1 未熔合缺陷 108
3.1.1 未熔合缺陷的冶金基礎 108
3.1.2 激光選區熔化增材制造中的未熔合缺陷 109
3.1.3 電子束增材制造中的未熔合缺陷 118
3.1.4 電弧增材制造中的未熔合缺陷 125
3.1.5 冷噴涂增材制造中的未熔合缺陷 125
3.2 夾渣缺陷 126
3.2.1 夾渣缺陷的冶金基礎 127
3.2.2 焊接中的夾渣缺陷 133
3.2.3 激光選區熔化中的夾渣缺陷 135
3.2.4 激光定向能量沉積中的夾渣缺陷 141
3.2.5 電子束增材制造中的夾渣缺陷 144
3.2.6 電弧增材制造中的夾渣缺陷 146
3.3 本章小結 148
參考文獻 149
第4章 金屬增材制造的裂紋缺陷 152
4.1 裂紋缺陷的冶金基礎 152
4.1.1 殘余應力 152
4.1.2 凝固行為 152
4.2 凝固裂紋 155
4.2.1 微觀機制 155
4.2.2 裂紋微觀特征 157
4.2.3 凝固裂紋的影響因素 158
4.2.4 預防措施 161
4.3 液化裂紋 162
4.3.1 產生機理 162
4.3.2 典型微觀形貌 164
4.3.3 影響液化裂紋敏感性的因素 166
4.3.4 預防措施 167
4.4 冷裂紋 167
4.4.1 微觀機制 167
4.4.2 典型微觀形貌 167
4.4.3 冷裂紋的影響因素 168
4.4.4 預防措施 168
4.5 分層 169
4.5.1 形成原因 169
4.5.2 預防措施 169
4.6 典型增材制造材料中的裂紋 170
4.6.1 鎳基高溫合金中的裂紋 170
4.6.2 鈦合金中的裂紋 175
4.6.3 鋁合金中的裂紋 178
4.6.4 不銹鋼中的裂紋 184
4.7 本章小結 186
參考文獻 187
第5章 金屬增材制造的表面缺陷 193
5.1 增材制造中的球化 193
5.1.1 增材制造球化的理論基礎 193
5.1.2 增材制造中的球化機制 198
5.1.3 增材制造工藝參數對球化的影響 201
5.1.4 典型增材制造材料中的球化 210
5.2 增材制造部件的表面形貌及后處理 212
5.2.1 表面粗糙度基礎知識 212
5.2.2 增材制造部件表面粗糙度影響因素 213
5.2.3 典型增材制造方法的表面形貌 217
5.2.4 后處理對增材制造部件表面形貌的影響 220
5.2.5 增材制造部件表面形貌和性能關系 227
5.3 本章小結 228
參考文獻 229
第6章 金屬增材制造的光學檢測 231
6.1 基于高溫計和高速相機的熔池監測 231
6.1.1 基于高溫計的熔池溫度測量 231
6.1.2 基于高速相機的熔覆面監測 237
6.1.3 高溫計與高速相機熔池同軸監測 242
6.2 增材制造過程的紅外熱像監測 245
6.2.1 紅外熱像技術及其與增材制造裝備的集成 245
6.2.2 未熔合缺陷的紅外熱像檢測 249
6.2.3 孔隙率的紅外熱像測量 250
6.2.4 熔池尺寸的紅外熱像測量 252
6.2.5 基于紅外熱像反饋的材料晶粒度控制 253
6.3 表面缺陷的光學相干成像檢測 254
6.3.1 適用于增材制造的典型光學相干成像方法 255
6.3.2 光學相干成像系統與增材制造裝備的集成 257
6.3.3 熔覆面缺陷的光學相干成像監測 258
6.4 增材制件三維形貌的視覺傳感檢測 263
6.4.1 基于結構光的主動三維形貌測量技術 264
6.4.2 基于數字圖像相關的被動三維形貌測量技術 268
參考文獻 275
第7章 金屬增材制造的超聲檢測 278
7.1 增材制件的離線超聲檢測 278
7.1.1 常規超聲檢測 278
7.1.2 水浸超聲檢測 283
7.1.3 相控陣超聲檢測 286
7.2 增材制造過程的在線超聲檢測 290
7.2.1 壓電在線超聲檢測 290
7.2.2 激光在線超聲檢測 291
7.2.3 電磁在線超聲檢測 296
7.2.4 空氣耦合在線超聲檢測 300
7.2.5 超聲檢測裝備與增材制造裝備的集成 303
7.3 金屬增材制造組織與應力的超聲表征 306
7.3.1 基于超聲聲速的組織和性能表征技術 306
7.3.2 基于超聲散射衰減的組織表征技術 315
7.3.3 基于超聲非線性的組織表征技術 320
7.4 增材制造過程的聲發射檢測 324
7.4.1 增材制造的聲發射檢測機理 324
7.4.2 基于光纖光柵的粉末床熔融在線檢測 329
7.4.3 基于壓電傳感器的直接能量沉積在線檢測 332
參考文獻 333
第8章 金屬增材制造的射線檢測 336
8.1 增材制造的射線檢測基礎與特點 336
8.1.1 射線的衰減機制 336
8.1.2 射線成像的物理模型 337
8.1.3 CT圖像的重建算法 339
8.1.4 射線檢測裝備 340
8.2 增材制造部件的工業CT檢測 349
8.2.1 體積型缺陷的CT檢測 349
8.2.2 工業CT檢測能力驗證 355
8.2.3 工業CT的其他測量功能 358
8.3 增材制造部件的同步輻射 362
8.3.1 同步輻射與增材制造裝備的集成 362
8.3.2 熔池形貌的在線監測 364
8.3.3 缺陷演化監測 366
8.3.4 粉末運動監測 367
8.3.5 凝固速率監測 370
8.3.6 材料相變監測 371
8.4 射線背散射成像技術在增材制造中的應用展望 372
8.4.1 增材制造的射線背散射成像特點 373
8.4.2 X射線背散射成像的應用 376
參考文獻 380
第9章 金屬增材制造的電磁檢測 382
9.1 增材制造的常規渦流檢測 382
9.1.1 增材制造常規渦流檢測原理與特點 382
9.1.2 基于常規渦流的增材制造在線檢測 390
9.1.3 基于高靈敏渦流傳感器的增材制件離線檢測 391
9.2 增材制造的陣列渦流 395
9.2.1 增材制造陣列渦流檢測原理與特點 396
9.2.2 基于陣列渦流的增材制造在線檢測 398
9.2.3 基于陣列渦流的增材制造離線檢測 400
9.3 增材制造的脈沖渦流 402
9.3.1 增材制造脈沖渦流檢測原理與特點 402
9.3.2 脈沖渦流在增材制造檢測中的應用 405
9.4 微磁檢測在增材制造中的應用展望 406
9.4.1 微小缺陷的微磁檢測 407
9.4.2 增材制件力學性能及應力的微磁測量 410
參考文獻 414
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 金屬增材制造的發展 1
1.2 金屬增材制造技術分類 3
1.2.1 激光選區熔化增材制造技術 3
1.2.2 激光定向能量沉積增材制造技術 6
1.2.3 電子束熔絲沉積增材制造技術 8
1.2.4 電子束選區熔化成形增材制造技術 10
1.2.5 電弧增材制造技術 12
1.2.6 超聲波增材制造技術 14
1.2.7 冷噴涂增材制造技術 16
1.3 金屬增材制造用粉末材料 19
1.3.1 增材制造粉末制備方法 19
1.3.2 增材制造粉末形態描述 28
1.3.3 常用增材制造粉末材料 33
1.4 金屬增材制造技術的應用 36
1.4.1 在航空航天的應用 37
1.4.2 在能源行業的應用 39
1.4.3 在醫療領域的應用 41
1.4.4 在模具制造中的應用 41
1.5 金屬增材制造的冶金過程 44
1.5.1 熱源和材料的相互作用機理 44
1.5.2 增材制造熔池特征 48
1.6 金屬增材制造中的典型缺陷及檢測技術 54
1.6.1 增材制造中的典型缺陷 54
1.6.2 增材制造缺陷檢測的特點及方法 55
1.6.3 我國金屬增材制造檢測技術的戰略布局 61
參考文獻 62
第2章 金屬增材制造的孔洞缺陷 66
2.1 匙孔缺陷的冶金基礎 66
2.1.1 激光熔化模式 66
2.1.2 匙孔缺陷的產生及影響 70
2.1.3 匙孔缺陷形成的微觀過程 70
2.2 增材制造中的匙孔缺陷 72
2.2.1 增材過程的焊接模式 72
2.2.2 匙孔缺陷形成的影響因素 74
2.2.3 典型增材制造材料中的匙孔缺陷 78
2.3 增材制造中的氣孔缺陷 81
2.3.1 氣孔缺陷的冶金基礎 82
2.3.2 選擇性激光熔化中的氣孔缺陷 85
2.3.3 電子束增材制造中的氣孔缺陷 91
2.3.4 電弧增材制造中的氣孔缺陷 96
2.3.5 氣孔缺陷對材料性能的影響 101
2.4 本章小結 104
參考文獻 105
第3章 金屬增材制造的未熔合及夾渣缺陷 108
3.1 未熔合缺陷 108
3.1.1 未熔合缺陷的冶金基礎 108
3.1.2 激光選區熔化增材制造中的未熔合缺陷 109
3.1.3 電子束增材制造中的未熔合缺陷 118
3.1.4 電弧增材制造中的未熔合缺陷 125
3.1.5 冷噴涂增材制造中的未熔合缺陷 125
3.2 夾渣缺陷 126
3.2.1 夾渣缺陷的冶金基礎 127
3.2.2 焊接中的夾渣缺陷 133
3.2.3 激光選區熔化中的夾渣缺陷 135
3.2.4 激光定向能量沉積中的夾渣缺陷 141
3.2.5 電子束增材制造中的夾渣缺陷 144
3.2.6 電弧增材制造中的夾渣缺陷 146
3.3 本章小結 148
參考文獻 149
第4章 金屬增材制造的裂紋缺陷 152
4.1 裂紋缺陷的冶金基礎 152
4.1.1 殘余應力 152
4.1.2 凝固行為 152
4.2 凝固裂紋 155
4.2.1 微觀機制 155
4.2.2 裂紋微觀特征 157
4.2.3 凝固裂紋的影響因素 158
4.2.4 預防措施 161
4.3 液化裂紋 162
4.3.1 產生機理 162
4.3.2 典型微觀形貌 164
4.3.3 影響液化裂紋敏感性的因素 166
4.3.4 預防措施 167
4.4 冷裂紋 167
4.4.1 微觀機制 167
4.4.2 典型微觀形貌 167
4.4.3 冷裂紋的影響因素 168
4.4.4 預防措施 168
4.5 分層 169
4.5.1 形成原因 169
4.5.2 預防措施 169
4.6 典型增材制造材料中的裂紋 170
4.6.1 鎳基高溫合金中的裂紋 170
4.6.2 鈦合金中的裂紋 175
4.6.3 鋁合金中的裂紋 178
4.6.4 不銹鋼中的裂紋 184
4.7 本章小結 186
參考文獻 187
第5章 金屬增材制造的表面缺陷 193
5.1 增材制造中的球化 193
5.1.1 增材制造球化的理論基礎 193
5.1.2 增材制造中的球化機制 198
5.1.3 增材制造工藝參數對球化的影響 201
5.1.4 典型增材制造材料中的球化 210
5.2 增材制造部件的表面形貌及后處理 212
5.2.1 表面粗糙度基礎知識 212
5.2.2 增材制造部件表面粗糙度影響因素 213
5.2.3 典型增材制造方法的表面形貌 217
5.2.4 后處理對增材制造部件表面形貌的影響 220
5.2.5 增材制造部件表面形貌和性能關系 227
5.3 本章小結 228
參考文獻 229
第6章 金屬增材制造的光學檢測 231
6.1 基于高溫計和高速相機的熔池監測 231
6.1.1 基于高溫計的熔池溫度測量 231
6.1.2 基于高速相機的熔覆面監測 237
6.1.3 高溫計與高速相機熔池同軸監測 242
6.2 增材制造過程的紅外熱像監測 245
6.2.1 紅外熱像技術及其與增材制造裝備的集成 245
6.2.2 未熔合缺陷的紅外熱像檢測 249
6.2.3 孔隙率的紅外熱像測量 250
6.2.4 熔池尺寸的紅外熱像測量 252
6.2.5 基于紅外熱像反饋的材料晶粒度控制 253
6.3 表面缺陷的光學相干成像檢測 254
6.3.1 適用于增材制造的典型光學相干成像方法 255
6.3.2 光學相干成像系統與增材制造裝備的集成 257
6.3.3 熔覆面缺陷的光學相干成像監測 258
6.4 增材制件三維形貌的視覺傳感檢測 263
6.4.1 基于結構光的主動三維形貌測量技術 264
6.4.2 基于數字圖像相關的被動三維形貌測量技術 268
參考文獻 275
第7章 金屬增材制造的超聲檢測 278
7.1 增材制件的離線超聲檢測 278
7.1.1 常規超聲檢測 278
7.1.2 水浸超聲檢測 283
7.1.3 相控陣超聲檢測 286
7.2 增材制造過程的在線超聲檢測 290
7.2.1 壓電在線超聲檢測 290
7.2.2 激光在線超聲檢測 291
7.2.3 電磁在線超聲檢測 296
7.2.4 空氣耦合在線超聲檢測 300
7.2.5 超聲檢測裝備與增材制造裝備的集成 303
7.3 金屬增材制造組織與應力的超聲表征 306
7.3.1 基于超聲聲速的組織和性能表征技術 306
7.3.2 基于超聲散射衰減的組織表征技術 315
7.3.3 基于超聲非線性的組織表征技術 320
7.4 增材制造過程的聲發射檢測 324
7.4.1 增材制造的聲發射檢測機理 324
7.4.2 基于光纖光柵的粉末床熔融在線檢測 329
7.4.3 基于壓電傳感器的直接能量沉積在線檢測 332
參考文獻 333
第8章 金屬增材制造的射線檢測 336
8.1 增材制造的射線檢測基礎與特點 336
8.1.1 射線的衰減機制 336
8.1.2 射線成像的物理模型 337
8.1.3 CT圖像的重建算法 339
8.1.4 射線檢測裝備 340
8.2 增材制造部件的工業CT檢測 349
8.2.1 體積型缺陷的CT檢測 349
8.2.2 工業CT檢測能力驗證 355
8.2.3 工業CT的其他測量功能 358
8.3 增材制造部件的同步輻射 362
8.3.1 同步輻射與增材制造裝備的集成 362
8.3.2 熔池形貌的在線監測 364
8.3.3 缺陷演化監測 366
8.3.4 粉末運動監測 367
8.3.5 凝固速率監測 370
8.3.6 材料相變監測 371
8.4 射線背散射成像技術在增材制造中的應用展望 372
8.4.1 增材制造的射線背散射成像特點 373
8.4.2 X射線背散射成像的應用 376
參考文獻 380
第9章 金屬增材制造的電磁檢測 382
9.1 增材制造的常規渦流檢測 382
9.1.1 增材制造常規渦流檢測原理與特點 382
9.1.2 基于常規渦流的增材制造在線檢測 390
9.1.3 基于高靈敏渦流傳感器的增材制件離線檢測 391
9.2 增材制造的陣列渦流 395
9.2.1 增材制造陣列渦流檢測原理與特點 396
9.2.2 基于陣列渦流的增材制造在線檢測 398
9.2.3 基于陣列渦流的增材制造離線檢測 400
9.3 增材制造的脈沖渦流 402
9.3.1 增材制造脈沖渦流檢測原理與特點 402
9.3.2 脈沖渦流在增材制造檢測中的應用 405
9.4 微磁檢測在增材制造中的應用展望 406
9.4.1 微小缺陷的微磁檢測 407
9.4.2 增材制件力學性能及應力的微磁測量 410
參考文獻 414
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金屬增材制造缺陷與檢測 節選
第1章 緒論 增材制造(additive manufacturing，AM)俗稱3D打印(3D printing)，是一門融合材料、機械和控制等多學科的“控形/控性”一體化先進綠色制造技術，具有常規制造技術不能比擬的優勢。金屬增材制造是增材制造技術中重點發展的方向，包括粉末床熔融(powder bed fusion，PBF)和定向能量沉積(directed energy deposition，DED)兩大類。目前在裝備制造、粉末材料制備、增材過程監控、缺陷檢測等方面都取得了巨大的進步，部分產品已經在航空航天及其他領域獲得了應用。但其冶金行為、缺陷形成機理及檢測技術有待進一步深入研究，相關技術標準和技術規范需要進一步發展。 1.1 金屬增材制造的發展 金屬增材制造的出現徹底改變了傳統金屬部件的加工模式，不再需要昂貴的工具或模具就能生產結構復雜的零件，降低了對加工人員專業技術能力的要求，越來越多地被應用于航空航天、醫療器械、汽車制造和模具制造等領域，成為當前先進制造技術領域的研究前沿和競爭熱點。伴隨著新一輪科技革命和產業變革，以增材制造為代表的先進制造技術正在不斷獲得突破性進展，成為制造業產業升級和技術轉型的主要發展方向。目前我國正處于從“中國制造”向“中國創造”轉型的關鍵時期，增材制造技術對增強和提升我國產品的自主創新能力、實現從“中國制造”向“中國創造”邁進具有重要意義[1]。 增材制造技術是一種自下而上、逐層遞增的材料累加制造方法，自20世紀80年代以來逐步發展，名稱各異，如材料累加制造(materials increase manufacturing)、分層制造(layer manufacturing)、實體自由制造(solid free-form fabrication)和3D打印等，從不同的角度反映了增材制造技術的特點。在過去的30余年中，增材制造技術取得了重大進展，包括更低成本并可靠的工業激光器、高性能計算硬件和軟件及成熟的金屬粉末制造技術等。世界各國紛紛制定相關增材制造戰略和具體措施助力產業發展，力爭搶占未來科技和產業的制高點。 基于增材制造技術重要的戰略地位和廣闊的應用前景，歐美國家對其給予了高度的重視。2012年，美國成立了國家增材制造創新研究院(National Additive Manufacturing Innovation Institute，NAMII)并提出了“重振制造業”戰略。基于增材制造技術對工業發展的重要促進作用，德國政府分別在《德國高技術戰略2020》和《德國工業4.0戰略計劃實施建議》這兩個重要的規劃性文件中提出明確支持激光增材制造的研發與創新[2]。澳大利亞政府也倡導成立了增材制造協同研究中心并提出基于企業需求的協作研究。在亞洲，日本實行了以增材制造技術為核心內容的“制造革命計劃”，以構建和進一步完善其增材制造材料體系和裝備體系，提升其增材制造技術在國際上的競爭力。新加坡投資了5億美元用于發展增材制造技術。韓國政府則于2014年宣布成立3D打印工業發展委員會，并批準了一份旨在使韓國在金屬增材制造領域獲得領先地位的總體規劃。 中國也高度重視增材制造產業發展，相繼在《中國制造2025》《“十三五”國家科技創新規劃》《智能制造工程實施指南(2016—2020)》《工業強基工程實施指南(2016—2020年)》等發展規劃及實施方案中將增材制造裝備及產業作為重要發展方向，以期推動增材制造產業持續快速發展。20世紀90年代初，在科技部等多部門持續支持下，西北工業大學和華中科技大學等高校在增材制造設備、軟件和粉末材料等方面的研究以及產業化上獲得了重大進展[3]。隨后國內大量的高校和研究機構開展了相關的研究。在產業化過程中，涌現出了西安鉑力特增材技術股份有限公司等代表性企業，其可針對具體產品提供金屬增材制造技術全套解決方案。近年來，我國金屬零件增材制造技術的研究與應用已達到國際先進水平，北京航空航天大學、西北工業大學和中航工業北京航空制造工程研究所等制造出了大尺寸的金屬零件。 金屬增材制造技術經歷了30余年的發展，目前正處于承上啟下的發展階段，面臨許多新挑戰和新問題①。當增材制造技術在航空航天、能源和石油化工等領域大型金屬構件中應用時，增材制件質量可靠性和評價方法還不完善，特別是金屬構件打印過程中、制造完成后和使用過程中質量控制和檢測評價方法還需要進一步研究。在金屬增材制造中，如果成形零件存在明顯的宏觀缺陷則會使零件報廢，而內部的冶金微觀缺陷將會大幅度降低零件的疲勞強度等關鍵性能[4]。如果構件存在裂紋，在交變應力的長期作用下，裂紋將逐漸擴展，*終有可能引發疲勞斷裂事故。特別是在航空航天領域，一旦發生重要部件的疲勞斷裂事故，將造成災難性的后果。因此，增材制件的表面結構、內部組織均勻性、晶體結構、殘余應力、力學性能及服役性能等的檢測和評價方法還需要進一步完善。國內外關于金屬增材制造技術的研究目前主要集中在設備優化、材料合成及打印工藝的完善和應用推廣方面，而對缺陷演變和檢測技術的系統研究相對較少，缺乏深入系統的探索，尤其對缺陷的形成規律和內在影響機制研究有待進一步加強。目前金屬增材制造冶金缺陷演變規律研究和在線檢測技術的開發已經成為金屬增材制造技術發展的難點，這也是金屬增材制造技術進一步充分發揮優勢并推廣應用的基礎。 1.2 金屬增材制造技術分類 按照美國材料與試驗協會(American Society for Testing Materials，ASTM)標準F2792—2012，增材制造主要分為兩個類別，即DED和PBF(表1-1)。根據所利用的熱源不同，金屬增材制造也可分為高能束(激光、電子束和等離子)、冷噴涂和超聲等低溫金屬固相增材制造技術等。 表1-1 金屬增材制造的分類及特點[5] 注：HIP指熱等靜壓(hot isostatic pressing)。 1.2.1 激光選區熔化增材制造技術 激光選區熔化(selective laser melting，SLM)技術是把零部件的三維模型通過切片軟件沿一定方向離散成一系列有序的微米量級薄層，然后在制造腔室中以高能量密度的激光為熱源，逐層熔化鋪好的金屬粉末，經冷卻凝固而成形的一種直接制造零部件的技術。為了使金屬粉末完全熔化，一般要求輸入的激光功率密度超過106W/cm2[6]。相較于傳統的制造方法，由于所使用的金屬粉末粒度小，SLM技術制造的部件可以達到很高的表面尺寸精度和表面質量，能夠實現無余量的制造加工，解決復雜金屬零部件的加工困難、加工周期長和成本高等問題，實現對傳統制造方法無法加工的復雜金屬零件的制造。例如，對一些輕質點陣的夾芯結構、空間曲面的多孔復雜結構、內部含復雜型腔流道結構的模具加工等。目前SLM技術在火箭發動機的燃料噴嘴、航空發動機的超冷葉片、輕質接頭等方面獲得了應用，同時在半導體、醫學植入等領域也具有良好的應用前景[7]。 為了保證對金屬粉末材料的快速加熱和熔化，SLM技術一般需要采用高功率密度的激光器，根據不同的使用需求，光斑直徑一般可以聚焦到幾十微米到幾百微米。目前SLM技術使用的激光器主要有Nd:YAG激光器、CO2激光器和光纖(fiber)激光器等。這些激光器產生的激光波長分別為1064nm、10640nm和1090nm。不同的激光波長與金屬粉末的相互作用存在一定的差別。金屬粉末對1064nm等較短波長激光的吸收率比較高，而對10640nm等較長波長激光的吸收率較低，因此在金屬零件增材制造過程中具有較短波長的激光器使用率比較高。而當采用較長波長的CO2激光器時，其激光能量利用率相對較低。SLM技術目前*常用光纖激光器的功率一般高于50W，功率密度也達到5×106W/cm2以上[6]。在SLM增材制造中，粉末材料一般分兩個腔室進行存放，分別為供粉腔室和工作腔室。粉末儲存在供粉腔室中，經鋪粉輥移動到工作腔室。鋪粉結束后，激光經過激光器發出，通過聚焦透鏡聚焦，然后進入可快速運動的振鏡，通過振鏡改變激光在工作腔室中的掃描位置實現打印過程(圖1-1)。 圖1-1 SLM技術原理示意圖② SLM增材制造技術由激光選區燒結(selective laser sinter，SLS)技術發展而來。隨著激光技術的發展及高亮度光纖激光器的出現，國內外金屬SLM增材制造技術發展突飛猛進。德國是SLM技術研究*早與*深入的國家，**臺SLM系統于1999年在德國研制成功，由Fockele&Schwarze(F&S)公司與德國弗朗霍夫研究所共同研發，主要應用于不銹鋼粉末的成形。目前國外已有多家SLM設備制造商，比較大的如德國EOS公司、SLM Solutions公司和Concept Laser公司③。國內增材制造技術和裝備也獲得了很大的進步。例如，華南理工大學于2003年開發出國內的**套SLM設備DiMetal-240，隨后在2007年又開發出DiMetal-280，2012年開發的DiMetal-100目前已經進入商業化階段。華中科技大學于2016年研制出成形尺寸為500mm×500mm×530mm的SLM增材制造裝備，它由4臺500W光纖激光器和4臺振鏡分區同時掃描粉末進行成形，成形效率和尺寸為當時同類設備中*大④[8]。 SLM基本工藝流程如下： (1)將需要制造的目標零部件在計算機上通過CAD軟件設計出三維模型，然后將三維模型轉化為3D打印所需的三維圖形文件格式——STL(stereolithography)格式[7]。 (2)利用3D打印軟件對該三維模型進行切片分層，得到各截面的二維輪廓數據，將這些數據導入3D打印設置中，計算機按照設置的掃描方式類型，將二維輪廓之間的封閉區域填充上一定間隙的線條[7]。 (3)啟動3D打印機，把STL格式的模型進行切片得到G-code文件并傳送給3D打印機，同時裝入3D打印粉末材料，調試打印平臺，設定打印參數。激光束開始掃描前，先在工作臺面裝上金屬零件生長所需的基板，將基板調整到與工作臺面水平的位置，供粉腔室先上升到高于鋪粉輥底面一定高度，鋪粉輥滾動并將粉末帶到工作臺面的基板上，形成一個均勻平整的粉末層。隨后3D打印機開始工作，逐層完成打印工作[9]。 (4)3D打印機完成工作后，取出物體，做后期處理。例如，在打印一些懸空結構的時候，需要有一個支撐結構頂起來，然后才可以打印懸空部分。因此，后期處理需要去掉這部分多余的支撐結構。又如，有時候3D打印出來的物品表面比較粗糙，需要后續拋光。拋光的辦法通常是砂紙打磨(sanding grinding)、珠光處理(bead blasting)和蒸汽平滑(vapor smoothing)這三種技術。對于性能要求高的零部件，需要做后續的熱處理等才能*后得到所需的工件。 SLM技術的優點如下： (1)可以由CAD模型直接制成*終的產品，不需要復雜的后處理技術。 (2)適合制造各種復雜形狀的工件，尤其是內部有復雜連通結構的部件。 (3)一般可以得到過飽和固溶體及細晶粒金相組織，致密度接近100%，其性能和鍛造工藝基本相當。 (4)高功率小光斑技術的應用使加工出來的金屬零件具有很高的尺寸精度和低的表面粗糙度(Ra=30～50m)。 (5)可以采用較低功率熔化高熔點金屬，可以使用單一成分的金屬粉末來制造零件，由于粉末種類多，大大拓展了其應用領域[6]。 1.2.2 激光定向能量沉積增材制造技術 激光DED增材制造技術是在快速成形技術和激光熔覆技術的基礎上發展起來的一種先進快速制造技術。該技術的思路與SLM技術比較類似，也是基于離散/堆積原理。首先通過對所需打印零部件的三維CAD模型進行分層處理，隨后獲得各分層截面的二維輪廓信息，在此基礎上生成加工路徑，*后在惰性氣體
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