激光增材制造（Laser Additive Manufacturing, LAM）技術，也稱3D打印技術，是全球戰(zhàn)略性新興制造產(chǎn)業(yè)，早在1984年就已經(jīng)出現(xiàn)，歷經(jīng)30余年的完善發(fā)展，該技術日趨成熟，并逐步在制造業(yè)中嶄露頭角。區(qū)別于傳統(tǒng)“去材”成形技術，LAM則是基于完全相反的層層增量制造概念，依據(jù)成形件的數(shù)字化三維模型，直接成形任何復雜形狀的零件，其工藝涉及計算機軟件、自動化控制、數(shù)控、激光技術、機械、物理、材料等一系列學科知識，旨在一次性成形高致密、高精度、高性能的多功能復雜零件。因LAM具有獨特的創(chuàng)新優(yōu)勢，被認為有望促進“第三次工業(yè)革命”的進程[40-43]。美國《時代》周刊將該技術列為“美國十大增長最快的工業(yè)”，中國國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006–2020）將激光技術、智能制造技術列為“前沿技術”，其中特別強調激光增材制造技術是工程及制造學科研究熱點。LAM應用前景廣泛，備受中國、美國、日本、德國等國家的高度青睞，各國都積極制定研究策略推廣該技術。目前，各國耗費巨資，成立了各具特色的LAM研究所或研究單位。這其中包括：英國諾丁漢大學的“LAM創(chuàng)新中心”，德國亞琛工業(yè)大學的“Fraunhofer激光技術研究所”，美國政府的“國家增材制造創(chuàng)新研究院”，華中科技大學的“武漢光電國家實驗室”等等。

    LAM基于獨特的層層離散堆積原理，利用高能激光快速掃描原始粉末顆粒而實現(xiàn)成形件的近凈成形或凈成形。其基本工藝過程如下：首先利用計算機輔助軟件（UG、Pro-E、Solidworks等）構建所需零件的三維實體模型，并經(jīng)專門的分層切片軟件對三維模型進行分層，得到一系列超薄二維截面；然后利用高能激光依據(jù)待成形件的二維截面信息選著性地熔化/固化粉末材料，逐道掃描，并層層疊加成形任意構型的高性能零件。鑒于其獨特的加工方式和成形機理，LAM因此具有傳統(tǒng)加工技術不具備的突出特點：（1）該技術可“自由制造”任意復雜構型零件，成形無需使用專用工裝夾具和模具，一次成形，無需后處理或者僅需簡單后處理，加工材料利用率高，成本低，產(chǎn)品生產(chǎn)周期大大縮短；（2）激光產(chǎn)生的熔池過冷度很大，同時熔池內(nèi)部存在多種流體的作用，凝固晶粒和組織細小，成分均勻，性能優(yōu)異；（3）材料適用性廣，尤其對加工傳統(tǒng)工藝難加工的梯度功能材料、難熔金屬、合金以及高熔點陶瓷等具有很好的可行性；（4）材料逐層加工過程中，可根據(jù)需要靈活改變粉末成分、比例等，因此零件內(nèi)部組織可逐點設計、控制，適用于制造高性能多功能梯度金屬零件[44-46]。

金屬零件的激光增材制造最具潛力，日益成為3D打印制造學科的研究熱點。當前，金屬零件的3D打印已形成兩類相對穩(wěn)定的成形工藝：一類是基于自動送粉的激光熔化沉積技術（LaserMelting Deposition，LMD）[47]；另一類是基于自動鋪粉的選區(qū)激光熔化（SelectiveLaser Melting，SLM）[48]。                                       

1.2.1 激光熔化沉積技術

LMD技術，興起于20世紀90年代初，是基于增材制造技術和激光熔覆技術而發(fā)展起來的，其具有特有的噴粉加工方式，成形過程中計算機控制系統(tǒng)控制多軸機械手和大功率高能激光束依據(jù)預設軌跡快速熔化送粉器同軸供給的原始粉末材料，進而形成高溫動態(tài)熔池，冷凝層層堆積而成所需終端零件[49-51]。LMD成形工藝示意圖如圖1.1所示。在LMD成形過程中，如何有效精確地輸送粉末，控制其熔化/凝固過程，保證均勻穩(wěn)定的熔池和連續(xù)的固－液界面對于制備高質量成形件至關重要。一方面，LMD激光光斑較大，熔化而形成的熔池尺寸較大，可以高達毫米級。因此必須嚴格控制成形過程，確保成形件精度。然而正是由于較大的激光光斑，LMD可快速制造大型構件，大大縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。而且LMD特有的同步粉末材料送給特點可以實現(xiàn)同一零件上多種材料的自由復合和梯度功能構件制造, 便于進行新型合金設計。因此LMD加工具有良好的靈活性，應用的廣泛性，可用于零件3D

圖1. 1激光熔化沉積原理圖

制造，表面涂層制備，損傷零件的高性能修復（圖1.2）等等，以及使用材料的多樣性，包括難熔高溫合金、鐵基不銹鋼和合金鋼，鈦合金以及復合材料等等[52-54]。其技術優(yōu)勢突出，備受各國的高度重視。英國焊接研究所、密歇根大學、德國Fraunhofer 激光技術研究所等單位都對LMD成形工藝及應用做了大量研究及報告。

圖1. 2利用LMD技術進行飛機起動機鈦合金葉輪損傷修復

國內(nèi)眾多單位也積極對LMD技術進行研究探索，主要包括清華大學、西北工業(yè)大學、南京航空航天大學、西安交通大學、北京航空航天大學、華中科技大學、北京有色金屬研究總院等，目前已在LMD成形金屬工藝和性能優(yōu)化方面取得重大研究成果。如西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東教授團隊采用LMD技術成形Ti-6Al-4V 合金制備C919飛機高性能翼肋緣條（圖1.3a），尺寸可達45×35×30cm3，性能檢測結果表明翼肋緣條綜合力學性能優(yōu)異，符合設計要求，可用于實際應用；北京航空航天大學材料學院的王華明教授團隊利用LMD成功研制出用于C919客機的大型鈦合金主風擋整體窗框以及可用于軍事戰(zhàn)斗機的專用鈦金屬部件（圖1.3b）；西安交通大學長期致力于LMD成形高溫鎳基合金工藝優(yōu)化，以期制備出高性能成形件，目前，其已制備出高表面質量、高精度、高性能復雜空心葉片部件；清華大學鐘敏霖教授采用LMD工藝以高熔點W/Ni為材料制造了薄壁圓筒太空望遠鏡準直器。其壁厚為3 mm，含有5條主筋，相鄰主筋間的平行度不低于2/1000。

       (a) C919中央翼緣條                     (b) 鈦合金部件

圖1. 3利用LMD技術加工的零部件

然而，研究表明，LMD 技術依然面臨著諸多工藝難題：（1）LMD激光光斑較大，在快速制造零件的同時往往降低了表面精度，需要輔于后加工進行改善；（2）LMD成形過程中，由于激光輸入能量高，作用時間短，易導致熔池積累大量熱量，凝固后無法散出，造成零件內(nèi)部產(chǎn)生局部熱應力，引起成形件開裂，削弱零件力學性能；（3）成形過程中惰性保護氣體無法精確送粉至高溫熔池中，粉末易紊亂，因此影響動態(tài)熔池穩(wěn)定性，降低成形部件質量。

因此需要優(yōu)化粉末特性（形狀、尺寸、粒度等等），分析激光與粉末作用機理以及所產(chǎn)生熔池的穩(wěn)定性。探討激光工藝參數(shù)和原始粉末特性對熔池溫度場、應力場、相演變、顯微組織、力學性能的綜合影響，從而優(yōu)化激光工藝參數(shù)，獲得最佳性能成形件。

1.2.2 選區(qū)激光熔化技術

SLM是一種最具潛力的LAM工藝，是由德國Fraunhofer激光技術研究所的Meiners W等人在1995年首次提出其構想，并獲得該技術的發(fā)明專利。相對于LMD技術特有的噴粉方式以及所使用的較大激光光斑，SLM，得益于成熟的激光成形條件，如高功率光纖或Nd：YAG激光器的使用和鋪粉精度的提高，因而具有更精細的激光光斑和粉層厚度，激光作用于粉末時能力更加密集、更加集中，因此可形成微米級的高溫熔池，故而成形件精度更高?？蓪崿F(xiàn)復雜薄壁或內(nèi)腔多孔零件的高精度“凈成形”。所以SLM技術在成形復雜構型零件、航天軍事定制構件、中小模具、醫(yī)療生物材料等方面?zhèn)涫芮嗖A[55-57]。

SLM技術采用自動鋪粉方式，基于完全熔化/固化的加工機理，層層堆疊形成三維零件。其具體的成形原理如圖1.4所示。首先利用計算機輔助軟件（UG、Pro-E、Solidworks等）構建所需零件的三維實體模型，并經(jīng)專門的分層切片軟件對三維模型進行分層，得到一系列超薄二維截面；然后自動鋪粉裝置將粉末均勻地鋪展在成形缸的基板上，利用高能激光依據(jù)待成形件的該二維截面信息選著性地熔化/固化粉末材料，接著成形缸下降一個層厚的距離，

圖1. 4選區(qū)激光熔化成形原理圖

供粉缸上升同樣層厚的距離，再次均勻鋪粉，激光再次逐道逐層掃描，最終層層疊加成形任意構型的高性能零。

SLM系統(tǒng)一般采用Nd:YAG激光器，激光波長可短至1064 nm，激光光斑可小至30 μm，因此利用SLM成形零件具有諸多技術優(yōu)勢：

（1）激光光斑小，粉層精細，成形件表面質量良好（Ra ￡ 10 mm）且尺寸精度高（± 0.05 mm），可以直接使用基本無需后處理；

（2）激光高能動態(tài)熔池具有極大的過冷度，有助于晶粒細化、非平衡相變和過飽和固溶體形成，同時熔池內(nèi)存在多種流體的作用，可促進組織均勻性。因此SLM成形件具有微細均勻的顯微組織和良好的綜合性能；

（3）該技術可“自由制造”任意復雜構型零件，成形無需使用專用工裝夾具和模具，一次成形，無需后處理或者僅需簡單后處理，對于傳統(tǒng)方法無法成形的復雜構件均可加工，可用于航天航空、軍事、醫(yī)療等領域的小批量零件的精密自由快速制造；

（4）材料適用性廣，對加工傳統(tǒng)工藝難加工的難熔金屬、合金以及高熔點陶瓷等具有很好的可行性。

（a）燃油噴嘴（b）心臟起搏器電極

圖1. 5 SLM技術成形的零部件

鑒于以上優(yōu)點，國內(nèi)外學者積極進行SLM工藝研究，并取得一定可喜的成果。如美國通用電氣公司（GE）利用SLM技術成形高溫不銹鋼材料制造出高性能一體化飛機關鍵性部件-燃油噴嘴，大大減小了零件數(shù)量，實現(xiàn)了零件一體化，節(jié)約了成本和裝配時間。而且相對于傳統(tǒng)方法，SLM制備的燃油噴嘴耐用性提高5倍（圖1.5a），發(fā)動機效率提高15%。歐洲空中客車集團創(chuàng)新中心采用SLM工藝以Ti-6Al-4V為材料制造出了320和380飛機鉸鏈和合金艙門托架，且已通過測試，滿足性能要求，并減輕了60%質量，減小了49%的最大應力。德國漢諾威激光中心通過SLM工藝實現(xiàn)了在心臟起搏器的電極表面覆蓋鉑金鍍膜、使用鎳鈦合金制作晶體結構以及使用不銹鋼制作心臟起搏器（圖1.5b）。

1.2.3 選區(qū)激光熔化技術研究現(xiàn)狀

SLM技術應用材料廣泛，目前主要研究的有Fe、Ti、Cu、Ni、Al以及其合金和復合材料。由于各材料本身的特性不同，各材料在高能激光輻射下所形成的熔化/固化機理、顯微組織、性能會有所差異。

（1）SLM成形Fe基金屬材料

目前學者對Fe基金屬材料的SLM成形工藝研究較多，但由于Fe本身易氧化，同時含有C夾渣物，熔池成形過程不穩(wěn)定，成形件致密度有待提高。Li R D[66]等人對不同激光工藝和粉末特性下的304不銹鋼致密度進行了探討。結果表明，使用較低的激光功率，較厚的鋪粉厚度、較高的激光掃描速率會導致液體粘度較大，大大降低其流動性、潤濕性，因此形成大量顯微缺陷，成形件致密度較差；需優(yōu)化工藝參數(shù)，消除缺陷，提高致密度。另外，氣霧化工藝有助于降低粉末含氧量，進而提高潤濕性，改善致密度。Riemer A[67]等人主要研究316L不銹鋼疲勞特性以及疲勞裂紋的形核和生長行為。研究表明，SLM成形的奧氏體316不銹鋼組織具有柱狀或等軸晶織構，成形試樣韌性高，耐疲勞性能優(yōu)異。熔池凝固過程和成形顯微組織是影響裂紋發(fā)展行為的主要因素。Song B[68]等人采用SLM工藝制備了納米/微米尺寸的SiC增強Fe基復合材料，與同樣工藝條件下的純Fe相比，復合材料性能優(yōu)異，屈服強度高達302±11MPa，拉伸強度高達764±15 MPa。

（2）SLM成形Ti基金屬材料

Ti基金屬材料的SLM成形件性能良好。Gu D D[69]等人利用SLM工藝成形了工業(yè)純Ti試樣，研究表明，激光成形中，隨著激光掃描速度的增加，成形試樣顯微組織經(jīng)歷了連續(xù)的變化，在擇優(yōu)化的激光參數(shù)下，成形試樣表面較為致密度，致密度高達99.5%。顯微組織均勻細小，呈現(xiàn)針狀馬氏體結構，因此材料性能優(yōu)異，納米硬度高達3.79GPa，摩擦系數(shù)僅為0.98，磨損率降為8.43×10-4mm3/(Nm)。Zhang BC[70]等人采用SLM技術以Ti、Ni粉末為材料制備了具有馬氏體結構的TiNi形狀記憶合金，其性能優(yōu)異，顯微硬度高達400HV0.2。Kop A[71]對Ti6Al7Nb合金進行了SLM成形和熱處理，研究表明，成形件致密度良好，抗疲勞性能優(yōu)異。

（3）SLM成形Ni基金屬材料

Ni基金屬材料綜合性能優(yōu)異，在航空航天、軍事、汽車等領域應用廣泛，因此其SLM成形研究十分必要。Vilaroa T[72]等人對Nimonic 263高溫合金進行了SLM成形和熱處理以期制備高性能的γ-Ni3(Al，Ti)增強Ni基材料。結果表明，成形過程中，熔池過冷度極大，因而避免了成分偏析，保持了微細均勻的非平衡柱狀晶組織，柱狀晶取向沿熱量散失反方向，并受控于激光掃描速度的具體方向。成形試樣位錯密度高，硬度大。而熱處理促進了γ-Ni3(Al，Ti)強化相的生成，但同時粗化了顯微組織。Wang Z M[73]等人采用SLM技術和熱處理工藝對Inconel 718合金進行了處理，研究表明，SLM成形件具有良好的冶金結合，較高的致密度。成形試樣顯微組織為細化均勻的樹枝狀和針狀織構，熱處理使樹枝狀織構消失，并促進了δ相的晶界析出和γ′-Ni3(Al，Ti)和 γ′′-(Ni3Nb)增強相的固溶。

1.3 SLM成形Al基復合材料研究概況、水平和發(fā)展趨勢

（1）SLM工藝是基于層層鋪粉的機制，粉末流動性及均勻鋪展性對成形工藝至關重要。然而輕質Al粉末密度小，流動性較差，很難在成形缸基板上均勻鋪展開，故成形件易產(chǎn)生嚴重的球化，明顯的裂紋及空洞等缺陷，嚴重阻礙SLM順利進行；（2）Al材料對CO2激光的初始吸收率很低，僅為9%，而其熱導率較高，高達237 Wm-1K-1，通常低功率CO2激光難以使Al粉體發(fā)生有效熔化，即便使用高功率光纖或Nd：YAG激光來增加能力輸入，但Al材料高熱導率又促使熱量快速通過基板和已固化層消耗殆盡，故熔池溫度較低，液體粘度較大，流動性較差，固化后易產(chǎn)生空隙、裂紋等缺陷；（3）O2在Al溶體的固溶度以及其平衡分壓極低，故Al溶體對氧氣極其敏感，即使在SLM成形過程中通入氦氣等惰性氣氛加以保護，Al溶體仍容易在其表面以及周圍形成厚度可達十幾納米的穩(wěn)定Al2O3薄膜，在成形Al基復合材料時，Al2O3薄膜的存在阻礙了基體與增強相的直接接觸，降低了基體與增強相之間的潤濕性，增大了接觸角，溶體流動性也隨之下降，因此成形試樣內(nèi)部缺陷較多，增強相分布不均勻，界面結合強度較低[74-77]。

目前，各國學者均致力于Al基金屬材料的SLM成形工藝研究，并取得了一定的研究成果。德國Fraunhofer激光技術研究[78]對SLM制造的AlSi10Mg閥體零件和薄壁零件的斷裂失效行為和疲勞測試進行了研究，結果表明成形件性能優(yōu)異，可直接應用于實際工業(yè)。英國Liverpool大學的Louvis E[75]研究了SLM成形Al合金過程中的氧化行為和氧化膜破損機理。研究表明，Al2O3薄膜存在于Al溶體的四周，不利于SLM成形。熔池上表面的Al2O3薄膜在激光高溫作用下發(fā)生汽化，而在合適的激光工藝下，熔池內(nèi)液體發(fā)生強烈的Marangini對流，促進了熔池底部Al2O3薄膜的破損，因此提高了潤濕性，有利于層層之間的良好結合。其作用機理如圖1.6所示。Thijs L[79]等人的研究結果表明SLM成形的AlSi10Mg具有微細、均勻的胞狀顯微組織，試樣性能優(yōu)異，無需后處理，其硬度就高達127 ± 3 HV0.5。美國埃克塞特大學的S. Dadbakhsh[80]等人研究了Al/Fe2O3的SLM成形過程以及成形后試樣的顯微組織和力學性能。實驗結果表明在高能激光作用下，Al和 Fe2O3發(fā)生了原位反應，生成了Al2O3和多種Al-Fe化合物。原位反應放出的熱量有利于熔化過程的進行，同時，在合適的激光參數(shù)下，顯著細化的Al2O3和Al-Fe化合物均勻地分布在Al基體上，顯著地提高了材料的力學性能。南京航空航天大學的Jue J B[60]等人對SLM成形的Al2O3/Al基復合材料的顯微組織、界面接合以及力學性能進行了詳細研究。結果分析表明，隨著激光輸入能量的增加，Al2O3增強相分布逐漸趨向均勻，并呈現(xiàn)長條狀形貌，進一步增加激光輸入能量，Al2O3增強相呈現(xiàn)新穎的環(huán)狀結構，均勻分布在熔池的邊界。在合適的激光參數(shù)下，Al的脫氧反應充足，Marangini對流劇烈，因此打破了Al2O3薄膜，促進了增強相與基體的直接接觸，成形試樣因此具有良好的界面結合。此時，復合材料性能優(yōu)異。

（a）熔池中Marangoni對流                 （b）Al2O3薄膜破碎

圖1. 6 SLM成形純AlSi10Mg熔池中氧化膜破碎機制示意圖

服役環(huán)境的日益嚴苛要求SLM成形的Al基復合材料綜合性能不斷提高，為了滿足軍事工業(yè)、航天航天等領域的重大需要，必須創(chuàng)新發(fā)展和改善Al基復合材料的成分、材料、工藝、組織及性能。

基于以上分析可知，通過添加陶瓷顆粒提高Al材料激光吸收率，同時提高其強硬度、耐磨性，控制氧化過程或打破生成的Al2O3薄膜是SLM成形高質量Al基復合材料的關鍵所在。然而，SLM成形過程中，激光與粉末交互作用極其復雜，高溫動態(tài)熔池中涉及動量、熱量、及質量的多重傳遞，且激光加工過冷度可高達107-108 K/s，溶體非平衡凝固時涉及一系列復雜的材料冶金、物理、化學和熱力耦合現(xiàn)象。因此需要對SLM成形過程進行詳細研究，以期優(yōu)化工藝參數(shù)，獲取最佳性能的Al基復合材料，滿足國防、汽車、日常等領域重大工程需求。

激光增材制造（Laser Additive Manufacturing, LAM）技術，也稱3D打印技術，是全球戰(zhàn)略性新興制造產(chǎn)業(yè)，早在1984年就已經(jīng)出現(xiàn)，歷經(jīng)30余年的完善發(fā)展，該技術日趨成熟，并逐步在制造業(yè)中嶄露頭角。區(qū)別于傳統(tǒng)“去材”成形技術，LAM則是基于完全相反的層層增量制造概念，依據(jù)成形件的數(shù)字化三維模型，直接成形任何復雜形狀的零件，其工藝涉及計算機軟件、自動化控制、數(shù)控、激光技術、機械、物理、材料等一系列學科知識，旨在一次性成形高致密、高精度、高性能的多功能復雜零件。因LAM具有獨特的創(chuàng)新優(yōu)勢，被認為有望促進“第三次工業(yè)革命”的進程[40-43]。美國《時代》周刊將該技術列為“美國十大增長最快的工業(yè)”，中國國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006–2020）將激光技術、智能制造技術列為“前沿技術”，其中特別強調激光增材制造技術是工程及制造學科研究熱點。LAM應用前景廣泛，備受中國、美國、日本、德國等國家的高度青睞，各國都積極制定研究策略推廣該技術。目前，各國耗費巨資，成立了各具特色的LAM研究所或研究單位。這其中包括：英國諾丁漢大學的“LAM創(chuàng)新中心”，德國亞琛工業(yè)大學的“Fraunhofer激光技術研究所”，美國政府的“國家增材制造創(chuàng)新研究院”，華中科技大學的“武漢光電國家實驗室”等等。

    LAM基于獨特的層層離散堆積原理，利用高能激光快速掃描原始粉末顆粒而實現(xiàn)成形件的近凈成形或凈成形。其基本工藝過程如下：首先利用計算機輔助軟件（UG、Pro-E、Solidworks等）構建所需零件的三維實體模型，并經(jīng)專門的分層切片軟件對三維模型進行分層，得到一系列超薄二維截面；然后利用高能激光依據(jù)待成形件的二維截面信息選著性地熔化/固化粉末材料，逐道掃描，并層層疊加成形任意構型的高性能零件。鑒于其獨特的加工方式和成形機理，LAM因此具有傳統(tǒng)加工技術不具備的突出特點：（1）該技術可“自由制造”任意復雜構型零件，成形無需使用專用工裝夾具和模具，一次成形，無需后處理或者僅需簡單后處理，加工材料利用率高，成本低，產(chǎn)品生產(chǎn)周期大大縮短；（2）激光產(chǎn)生的熔池過冷度很大，同時熔池內(nèi)部存在多種流體的作用，凝固晶粒和組織細小，成分均勻，性能優(yōu)異；（3）材料適用性廣，尤其對加工傳統(tǒng)工藝難加工的梯度功能材料、難熔金屬、合金以及高熔點陶瓷等具有很好的可行性；（4）材料逐層加工過程中，可根據(jù)需要靈活改變粉末成分、比例等，因此零件內(nèi)部組織可逐點設計、控制，適用于制造高性能多功能梯度金屬零件[44-46]。

金屬零件的激光增材制造最具潛力，日益成為3D打印制造學科的研究熱點。當前，金屬零件的3D打印已形成兩類相對穩(wěn)定的成形工藝：一類是基于自動送粉的激光熔化沉積技術（LaserMelting Deposition，LMD）[47]；另一類是基于自動鋪粉的選區(qū)激光熔化（SelectiveLaser Melting，SLM）[48]。                                       

1.2.1 激光熔化沉積技術

LMD技術，興起于20世紀90年代初，是基于增材制造技術和激光熔覆技術而發(fā)展起來的，其具有特有的噴粉加工方式，成形過程中計算機控制系統(tǒng)控制多軸機械手和大功率高能激光束依據(jù)預設軌跡快速熔化送粉器同軸供給的原始粉末材料，進而形成高溫動態(tài)熔池，冷凝層層堆積而成所需終端零件[49-51]。LMD成形工藝示意圖如圖1.1所示。在LMD成形過程中，如何有效精確地輸送粉末，控制其熔化/凝固過程，保證均勻穩(wěn)定的熔池和連續(xù)的固－液界面對于制備高質量成形件至關重要。一方面，LMD激光光斑較大，熔化而形成的熔池尺寸較大，可以高達毫米級。因此必須嚴格控制成形過程，確保成形件精度。然而正是由于較大的激光光斑，LMD可快速制造大型構件，大大縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。而且LMD特有的同步粉末材料送給特點可以實現(xiàn)同一零件上多種材料的自由復合和梯度功能構件制造, 便于進行新型合金設計。因此LMD加工具有良好的靈活性，應用的廣泛性，可用于零件3D

圖1. 1激光熔化沉積原理圖

制造，表面涂層制備，損傷零件的高性能修復（圖1.2）等等，以及使用材料的多樣性，包括難熔高溫合金、鐵基不銹鋼和合金鋼，鈦合金以及復合材料等等[52-54]。其技術優(yōu)勢突出，備受各國的高度重視。英國焊接研究所、密歇根大學、德國Fraunhofer 激光技術研究所等單位都對LMD成形工藝及應用做了大量研究及報告。

圖1. 2利用LMD技術進行飛機起動機鈦合金葉輪損傷修復

國內(nèi)眾多單位也積極對LMD技術進行研究探索，主要包括清華大學、西北工業(yè)大學、南京航空航天大學、西安交通大學、北京航空航天大學、華中科技大學、北京有色金屬研究總院等，目前已在LMD成形金屬工藝和性能優(yōu)化方面取得重大研究成果。如西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東教授團隊采用LMD技術成形Ti-6Al-4V 合金制備C919飛機高性能翼肋緣條（圖1.3a），尺寸可達45×35×30cm3，性能檢測結果表明翼肋緣條綜合力學性能優(yōu)異，符合設計要求，可用于實際應用；北京航空航天大學材料學院的王華明教授團隊利用LMD成功研制出用于C919客機的大型鈦合金主風擋整體窗框以及可用于軍事戰(zhàn)斗機的專用鈦金屬部件（圖1.3b）；西安交通大學長期致力于LMD成形高溫鎳基合金工藝優(yōu)化，以期制備出高性能成形件，目前，其已制備出高表面質量、高精度、高性能復雜空心葉片部件；清華大學鐘敏霖教授采用LMD工藝以高熔點W/Ni為材料制造了薄壁圓筒太空望遠鏡準直器。其壁厚為3 mm，含有5條主筋，相鄰主筋間的平行度不低于2/1000。

       (a) C919中央翼緣條                     (b) 鈦合金部件

圖1. 3利用LMD技術加工的零部件

然而，研究表明，LMD 技術依然面臨著諸多工藝難題：（1）LMD激光光斑較大，在快速制造零件的同時往往降低了表面精度，需要輔于后加工進行改善；（2）LMD成形過程中，由于激光輸入能量高，作用時間短，易導致熔池積累大量熱量，凝固后無法散出，造成零件內(nèi)部產(chǎn)生局部熱應力，引起成形件開裂，削弱零件力學性能；（3）成形過程中惰性保護氣體無法精確送粉至高溫熔池中，粉末易紊亂，因此影響動態(tài)熔池穩(wěn)定性，降低成形部件質量。

因此需要優(yōu)化粉末特性（形狀、尺寸、粒度等等），分析激光與粉末作用機理以及所產(chǎn)生熔池的穩(wěn)定性。探討激光工藝參數(shù)和原始粉末特性對熔池溫度場、應力場、相演變、顯微組織、力學性能的綜合影響，從而優(yōu)化激光工藝參數(shù)，獲得最佳性能成形件。

1.2.2 選區(qū)激光熔化技術

SLM是一種最具潛力的LAM工藝，是由德國Fraunhofer激光技術研究所的Meiners W等人在1995年首次提出其構想，并獲得該技術的發(fā)明專利。相對于LMD技術特有的噴粉方式以及所使用的較大激光光斑，SLM，得益于成熟的激光成形條件，如高功率光纖或Nd：YAG激光器的使用和鋪粉精度的提高，因而具有更精細的激光光斑和粉層厚度，激光作用于粉末時能力更加密集、更加集中，因此可形成微米級的高溫熔池，故而成形件精度更高?？蓪崿F(xiàn)復雜薄壁或內(nèi)腔多孔零件的高精度“凈成形”。所以SLM技術在成形復雜構型零件、航天軍事定制構件、中小模具、醫(yī)療生物材料等方面?zhèn)涫芮嗖A[55-57]。

SLM技術采用自動鋪粉方式，基于完全熔化/固化的加工機理，層層堆疊形成三維零件。其具體的成形原理如圖1.4所示。首先利用計算機輔助軟件（UG、Pro-E、Solidworks等）構建所需零件的三維實體模型，并經(jīng)專門的分層切片軟件對三維模型進行分層，得到一系列超薄二維截面；然后自動鋪粉裝置將粉末均勻地鋪展在成形缸的基板上，利用高能激光依據(jù)待成形件的該二維截面信息選著性地熔化/固化粉末材料，接著成形缸下降一個層厚的距離，

圖1. 4選區(qū)激光熔化成形原理圖

供粉缸上升同樣層厚的距離，再次均勻鋪粉，激光再次逐道逐層掃描，最終層層疊加成形任意構型的高性能零。

SLM系統(tǒng)一般采用Nd:YAG激光器，激光波長可短至1064 nm，激光光斑可小至30 μm，因此利用SLM成形零件具有諸多技術優(yōu)勢：

（1）激光光斑小，粉層精細，成形件表面質量良好（Ra ￡ 10 mm）且尺寸精度高（± 0.05 mm），可以直接使用基本無需后處理；

（2）激光高能動態(tài)熔池具有極大的過冷度，有助于晶粒細化、非平衡相變和過飽和固溶體形成，同時熔池內(nèi)存在多種流體的作用，可促進組織均勻性。因此SLM成形件具有微細均勻的顯微組織和良好的綜合性能；

（3）該技術可“自由制造”任意復雜構型零件，成形無需使用專用工裝夾具和模具，一次成形，無需后處理或者僅需簡單后處理，對于傳統(tǒng)方法無法成形的復雜構件均可加工，可用于航天航空、軍事、醫(yī)療等領域的小批量零件的精密自由快速制造；

（4）材料適用性廣，對加工傳統(tǒng)工藝難加工的難熔金屬、合金以及高熔點陶瓷等具有很好的可行性。

（a）燃油噴嘴（b）心臟起搏器電極

圖1. 5 SLM技術成形的零部件

鑒于以上優(yōu)點，國內(nèi)外學者積極進行SLM工藝研究，并取得一定可喜的成果。如美國通用電氣公司（GE）利用SLM技術成形高溫不銹鋼材料制造出高性能一體化飛機關鍵性部件-燃油噴嘴，大大減小了零件數(shù)量，實現(xiàn)了零件一體化，節(jié)約了成本和裝配時間。而且相對于傳統(tǒng)方法，SLM制備的燃油噴嘴耐用性提高5倍（圖1.5a），發(fā)動機效率提高15%。歐洲空中客車集團創(chuàng)新中心采用SLM工藝以Ti-6Al-4V為材料制造出了320和380飛機鉸鏈和合金艙門托架，且已通過測試，滿足性能要求，并減輕了60%質量，減小了49%的最大應力。德國漢諾威激光中心通過SLM工藝實現(xiàn)了在心臟起搏器的電極表面覆蓋鉑金鍍膜、使用鎳鈦合金制作晶體結構以及使用不銹鋼制作心臟起搏器（圖1.5b）。

1.2.3 選區(qū)激光熔化技術研究現(xiàn)狀

SLM技術應用材料廣泛，目前主要研究的有Fe、Ti、Cu、Ni、Al以及其合金和復合材料。由于各材料本身的特性不同，各材料在高能激光輻射下所形成的熔化/固化機理、顯微組織、性能會有所差異。

（1）SLM成形Fe基金屬材料

目前學者對Fe基金屬材料的SLM成形工藝研究較多，但由于Fe本身易氧化，同時含有C夾渣物，熔池成形過程不穩(wěn)定，成形件致密度有待提高。Li R D[66]等人對不同激光工藝和粉末特性下的304不銹鋼致密度進行了探討。結果表明，使用較低的激光功率，較厚的鋪粉厚度、較高的激光掃描速率會導致液體粘度較大，大大降低其流動性、潤濕性，因此形成大量顯微缺陷，成形件致密度較差；需優(yōu)化工藝參數(shù)，消除缺陷，提高致密度。另外，氣霧化工藝有助于降低粉末含氧量，進而提高潤濕性，改善致密度。Riemer A[67]等人主要研究316L不銹鋼疲勞特性以及疲勞裂紋的形核和生長行為。研究表明，SLM成形的奧氏體316不銹鋼組織具有柱狀或等軸晶織構，成形試樣韌性高，耐疲勞性能優(yōu)異。熔池凝固過程和成形顯微組織是影響裂紋發(fā)展行為的主要因素。Song B[68]等人采用SLM工藝制備了納米/微米尺寸的SiC增強Fe基復合材料，與同樣工藝條件下的純Fe相比，復合材料性能優(yōu)異，屈服強度高達302±11MPa，拉伸強度高達764±15 MPa。

（2）SLM成形Ti基金屬材料

Ti基金屬材料的SLM成形件性能良好。Gu D D[69]等人利用SLM工藝成形了工業(yè)純Ti試樣，研究表明，激光成形中，隨著激光掃描速度的增加，成形試樣顯微組織經(jīng)歷了連續(xù)的變化，在擇優(yōu)化的激光參數(shù)下，成形試樣表面較為致密度，致密度高達99.5%。顯微組織均勻細小，呈現(xiàn)針狀馬氏體結構，因此材料性能優(yōu)異，納米硬度高達3.79GPa，摩擦系數(shù)僅為0.98，磨損率降為8.43×10-4mm3/(Nm)。Zhang BC[70]等人采用SLM技術以Ti、Ni粉末為材料制備了具有馬氏體結構的TiNi形狀記憶合金，其性能優(yōu)異，顯微硬度高達400HV0.2。Kop A[71]對Ti6Al7Nb合金進行了SLM成形和熱處理，研究表明，成形件致密度良好，抗疲勞性能優(yōu)異。

（3）SLM成形Ni基金屬材料

Ni基金屬材料綜合性能優(yōu)異，在航空航天、軍事、汽車等領域應用廣泛，因此其SLM成形研究十分必要。Vilaroa T[72]等人對Nimonic 263高溫合金進行了SLM成形和熱處理以期制備高性能的γ-Ni3(Al，Ti)增強Ni基材料。結果表明，成形過程中，熔池過冷度極大，因而避免了成分偏析，保持了微細均勻的非平衡柱狀晶組織，柱狀晶取向沿熱量散失反方向，并受控于激光掃描速度的具體方向。成形試樣位錯密度高，硬度大。而熱處理促進了γ-Ni3(Al，Ti)強化相的生成，但同時粗化了顯微組織。Wang Z M[73]等人采用SLM技術和熱處理工藝對Inconel 718合金進行了處理，研究表明，SLM成形件具有良好的冶金結合，較高的致密度。成形試樣顯微組織為細化均勻的樹枝狀和針狀織構，熱處理使樹枝狀織構消失，并促進了δ相的晶界析出和γ′-Ni3(Al，Ti)和 γ′′-(Ni3Nb)增強相的固溶。

1.3 SLM成形Al基復合材料研究概況、水平和發(fā)展趨勢

（1）SLM工藝是基于層層鋪粉的機制，粉末流動性及均勻鋪展性對成形工藝至關重要。然而輕質Al粉末密度小，流動性較差，很難在成形缸基板上均勻鋪展開，故成形件易產(chǎn)生嚴重的球化，明顯的裂紋及空洞等缺陷，嚴重阻礙SLM順利進行；（2）Al材料對CO2激光的初始吸收率很低，僅為9%，而其熱導率較高，高達237 Wm-1K-1，通常低功率CO2激光難以使Al粉體發(fā)生有效熔化，即便使用高功率光纖或Nd：YAG激光來增加能力輸入，但Al材料高熱導率又促使熱量快速通過基板和已固化層消耗殆盡，故熔池溫度較低，液體粘度較大，流動性較差，固化后易產(chǎn)生空隙、裂紋等缺陷；（3）O2在Al溶體的固溶度以及其平衡分壓極低，故Al溶體對氧氣極其敏感，即使在SLM成形過程中通入氦氣等惰性氣氛加以保護，Al溶體仍容易在其表面以及周圍形成厚度可達十幾納米的穩(wěn)定Al2O3薄膜，在成形Al基復合材料時，Al2O3薄膜的存在阻礙了基體與增強相的直接接觸，降低了基體與增強相之間的潤濕性，增大了接觸角，溶體流動性也隨之下降，因此成形試樣內(nèi)部缺陷較多，增強相分布不均勻，界面結合強度較低[74-77]。

目前，各國學者均致力于Al基金屬材料的SLM成形工藝研究，并取得了一定的研究成果。德國Fraunhofer激光技術研究[78]對SLM制造的AlSi10Mg閥體零件和薄壁零件的斷裂失效行為和疲勞測試進行了研究，結果表明成形件性能優(yōu)異，可直接應用于實際工業(yè)。英國Liverpool大學的Louvis E[75]研究了SLM成形Al合金過程中的氧化行為和氧化膜破損機理。研究表明，Al2O3薄膜存在于Al溶體的四周，不利于SLM成形。熔池上表面的Al2O3薄膜在激光高溫作用下發(fā)生汽化，而在合適的激光工藝下，熔池內(nèi)液體發(fā)生強烈的Marangini對流，促進了熔池底部Al2O3薄膜的破損，因此提高了潤濕性，有利于層層之間的良好結合。其作用機理如圖1.6所示。Thijs L[79]等人的研究結果表明SLM成形的AlSi10Mg具有微細、均勻的胞狀顯微組織，試樣性能優(yōu)異，無需后處理，其硬度就高達127 ± 3 HV0.5。美國埃克塞特大學的S. Dadbakhsh[80]等人研究了Al/Fe2O3的SLM成形過程以及成形后試樣的顯微組織和力學性能。實驗結果表明在高能激光作用下，Al和 Fe2O3發(fā)生了原位反應，生成了Al2O3和多種Al-Fe化合物。原位反應放出的熱量有利于熔化過程的進行，同時，在合適的激光參數(shù)下，顯著細化的Al2O3和Al-Fe化合物均勻地分布在Al基體上，顯著地提高了材料的力學性能。南京航空航天大學的Jue J B[60]等人對SLM成形的Al2O3/Al基復合材料的顯微組織、界面接合以及力學性能進行了詳細研究。結果分析表明，隨著激光輸入能量的增加，Al2O3增強相分布逐漸趨向均勻，并呈現(xiàn)長條狀形貌，進一步增加激光輸入能量，Al2O3增強相呈現(xiàn)新穎的環(huán)狀結構，均勻分布在熔池的邊界。在合適的激光參數(shù)下，Al的脫氧反應充足，Marangini對流劇烈，因此打破了Al2O3薄膜，促進了增強相與基體的直接接觸，成形試樣因此具有良好的界面結合。此時，復合材料性能優(yōu)異。

（a）熔池中Marangoni對流                 （b）Al2O3薄膜破碎

圖1. 6 SLM成形純AlSi10Mg熔池中氧化膜破碎機制示意圖

服役環(huán)境的日益嚴苛要求SLM成形的Al基復合材料綜合性能不斷提高，為了滿足軍事工業(yè)、航天航天等領域的重大需要，必須創(chuàng)新發(fā)展和改善Al基復合材料的成分、材料、工藝、組織及性能。

基于以上分析可知，通過添加陶瓷顆粒提高Al材料激光吸收率，同時提高其強硬度、耐磨性，控制氧化過程或打破生成的Al2O3薄膜是SLM成形高質量Al基復合材料的關鍵所在。然而，SLM成形過程中，激光與粉末交互作用極其復雜，高溫動態(tài)熔池中涉及動量、熱量、及質量的多重傳遞，且激光加工過冷度可高達107-108 K/s，溶體非平衡凝固時涉及一系列復雜的材料冶金、物理、化學和熱力耦合現(xiàn)象。因此需要對SLM成形過程進行詳細研究，以期優(yōu)化工藝參數(shù)，獲取最佳性能的Al基復合材料，滿足國防、汽車、日常等領域重大工程需求。