金属材料增材制造技术研究

金属材料增材制造技术研究

张道

维沃移动通信有限公司深圳分公司 广东深圳 518000

摘要：现今，金属材料增材技术的应用范围越来越宽泛，其主要是在计算机、数控、激光等高科技技术的大力支持下，利用材料堆积法来促进实物产品快速成型的一种现代化加工制造技术，在实际应用时，该技术可以大大提高金属材料的成形效率，缩短产品开发周期，有效降低金属材料的消耗量，因此，在当前一些复杂零件的成形加工中有着很高的利用率。本文也会针对金属材料增材制造技术的类型及应用原理进行着重分析，并根据一些关键领域中的应用成果进行了相应的总结，以便为相关人士参考借鉴。

关键词：金属材料；增材制造技术；应用原理；应用成果

引言

金属材料增材技术起源于20世纪80年代，与传统加工制造技术相比，其不仅可以大大提高产品研发效率和生产加工制造质量，而且还能任意实现复杂结构等产品的快速制造。因此，对金属材料增材制造技术的应用进行深入分析，很有必要。

1.金属材料增材制造技术的应用原理分析

金属材料增材制造技术在实际应用过程中，是以激光金属沉积工艺为基础，通过激光能量将金属熔化成相应的粉末，然后待其凝固后，再将金属粉末与基底材料进行冶金结合，这样在激光光斑的移动下，再通过层层堆积，就会逐渐形成3D物理实体。激光金属沉积工艺的送粉方式一般包括以下两种方式：首先，同轴送粉系统，该系统具有较强的灵活性，且不易受到移动方向所干扰，并且由于其喷头前端的粉末在同一个点上聚焦，所以系统的加工精度也是十分明显，目前，其在激光金属沉积增材制造或零件修复等领域中都有着很高的利用率；其次，侧向送粉系统，由于该系统的粉末喷头呈矩形状，所以其对送粉量工况的要求也是相对较高，目前，该系统在管状零件金属包层中有着广泛的应用，可以大大提升零件的耐磨性。

2. 金属材料增材制造技术的应用类型分析

2.1激光增材制造技术

2.1.1激光选区熔化技术

该技术是激光增材制造技术中最为核心的组成部分一，其主要包括两种工艺形式，即选择性激光烧结工艺(SLM)和金属烧结工(DMLS)，在实际运用时，一般会按照计算机设置好的路径，运用激光对铺粉器预铺的一层金属粉末进行扫描，以便看其是否满足熔化和冶金形成需求。另外，为了避免在冶金成形过程中出现氧化情况，还要采取氢气、氦气等惰性气体进行全面保护，确保冶金成形质量，使其层间的浸润程度得到最大化增强，并有效减少沉积层的表面张力。

2.1.2激光近净成形技术

该技术也是激光增材制造技术中最为关键的核心组成部分，其主要是以激光熔覆原理为基础，利用大功率激光器来将送粉喷头放入到熔池粉末中，然后再通过逐层沉积直卒成形。近年来，随着激光近净成形技术工艺参数的不断优化和调整，其在非均质材料、多金属成形等领域中有着很高的利用率，尤其是在多金属材料结合零件或大型零件成形方面的应用，如镍合金与钛合金零件成形制造中，该技术下的成形件完全可以达到国家相应的制造标准要求，具有较突出的力学性能。

2.2电子束增材制造技术

2.2.1电子束选区熔化技术

该技术在具体应用时，主要是利用高能电子束对金属材料进行轰击来形成熔池，然后再按照计算机预先设置的路线，逐层将金属材料熔化预置成粉末，直至零件成形。据相关实践证明，电子束选区熔化技术具有超高的扫描速度，每秒可达到10至100米的扫描速度，最大成形尺寸为250mm*250mm*250mm，可以实现双金属粉末成形，另外，其还拥有先进的铺粉装置，可以获得较高精度的超薄铺粉[1]。

2.2.2电子束熔丝沉积技术

该技术所运用的沉积材料通常以丝材为主，其具有其他金属增材制造技术无法比拟的电子束选取熔化技术优势，可以促进金属材料在太空微重力环境下成形，为推动航天器深空探测与有效维护打下了坚实的基础。目前，以电子束熔丝沉积为基础的沉积设备，主要包括便捷式沉积设备和落地式沉积设备两种形式，其工艺参数完全满足飞行试验要求。

2.3电弧增材制造技术

该技术是以分层叠加制造原理为基础，利用焊丝成形材料，将等离子弧焊、非熔化极气保焊、熔化极气保焊等焊接工艺所形成的电弧作为热源，并按照逐层沉积的方式来实现三维零件成形。近年来，随着电弧增材制造技术的不断发展，其通过与CNC铣削技术和三维堆焊技术的充分结合，使得金属材料的成形精度和力学性能等得到了最大化的提升，因此，该技术在当前金属材料增材制造领域中的应用范围也是十分明显。

3.金属材料增材制造技术的应用成果分析

3.1医学及航空航天领域中的应用

在当前医学以及航空航天等领域中，钛合金零部件有着较高的利用率，但由于其在加热过程中容易混入氢、氧、氮、碳等杂质，所以要想更好的确保钛合金金属零件的质量与性能，就要在生产制造过程中积极采用增材制造技术来对钦合金零件进行优化，在具体实施过程中，通过金属直接制造技术与激光金属沉积工艺的大力支持，使得多种钦合金金属构件直接成形，尤其是TC4和TC2等钛合金构件所具有的高温拉伸以及疲劳等力学性能可与锻件水平相媲美。

3.2军工行业的应用

钢是一种应用频率非常高的工程材料，这其中，高强军工钢材料（18Ni250材料）的制造是现阶段我国军工制造领域中的研究焦点。通过增材制造技术的不断创新和综合运用，不仅大大延长了军工装备服役寿命，为实现军工装备升级换代提供了可靠的技术支撑，而且也产生了巨大的经济效益和军事效益，解决了大量装备维修保障和应急抢修难题。例如，目前，金属粉末激光成形增材再制造技术已成功应用于某主战机种发动机涡轮导向器、舰船螺旋桨叶片的再制造修复中；而在烟气轮机叶片再制造修复中，基于激光的增材制造技术与等离子喷涂技术的有机结合获得了较为理想的应用成效，尤其是现阶段增材再制造移动方舱的建立，已列为航母保障系统，更加突显出我国远洋舰艇的维修保障能力[2]。

3.3船舶制造业中的应用

首先，与传统制造方法相比，金属增材制造技术通过3D打印生

产的零件重量更轻，并且其还能对船体的整体性能进行全面优化，进而使船体强度、运行时速以及平衡性等都能得到良好的提升，可以大大降低减重带来的潜在风险；其次，金属增材制造技术的运用可以实现船舶复杂零部件配件的快速成型，如螺杆销、箱式换热器、轴瓦、螺旋桨等；最后，金属增材制造技术的运用，可以对船用易损件进行有效的修复和改性，在这一环节中，其通过3D打印技术与修复技术的完美结合，能够对原有故障部件进行激光表面修复和激光表面改性，进而使其整体应用性能得到最大化增强，有效降低零部件维修成本。

结束语：

综上所述，在当前工业生产制造中，金属增材制造技术有着很宽泛的应用范围，尤其在铝合金、钛合金、镁合金等成形方面，虽然其获得了较大的应用成果，但是仍有一些设备成本高、材料过于单一以及精度不强等问题存在，因此，要从效率、质量、成本等角度出发，对金属增材制造新工艺、原材料、评价体系、控制系统以及检测缺陷等方面加大研发力度，为其实现产业化、规范化发展打下坚实基础。

参考文献

[1]张阳军,陈英.金属材料增材制造技术的应用研究进展[J].粉末冶金工业,2018,(01):55-56.

[2]张在玉.金属材料增材制造技术的应用研究进展[J].世界有色金属,2018,(04):22-23.