3d打印用金屬增材制造技術

3d打印用金屬增材制造技術

作為一種新概念的制造技術，增材制造技術自20多年的發(fā)展以來已經(jīng)發(fā)展了20多年，成為先進制造技術領域創(chuàng)新和蓬勃發(fā)展的源泉。以“3d打印技術”為新概念的加工技術已經(jīng)成為世界主要制造國家的強大戰(zhàn)略，正在實施創(chuàng)新和振興國家制造力量。中國政府積極推進3D打印技術在制造業(yè)的技術創(chuàng)新進程。在工業(yè)和信息化部的支持下,2012年成立“中國3D打印技術產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”。2013年,中國3D打印技術產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成功舉辦首屆世界3D打印技術產(chǎn)業(yè)大會,并與亞洲制造業(yè)協(xié)會、英國增材制造聯(lián)盟、比利時Materialise公司、德國EOS公司、美國3DSystem公司等組織共同發(fā)起成立世界3D打印技術產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的號召,高度凸顯了中國3D打印技術在全球3D打印技術創(chuàng)新領域的重要引領作用。作為增材制造技術基礎研究的支持機構,國家自然科學基金委員會機械工程學科在“十三五”學科發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃設想中明確將增材制造技術作為跨學科學部交叉優(yōu)先領域進行布局,以進一步提升中國增材制造技術的自主創(chuàng)新能力。1金屬粉末快速成型技術直接制造金屬零件以及金屬部件,甚至是組裝好的功能性金屬制件產(chǎn)品,無疑是制造業(yè)對增材制造技術提出的終極目標。早在20世紀90年代增材制造技術發(fā)展的初期(當時稱之為“快速原型制造技術”或“快速成形技術”),研究人員便已經(jīng)嘗試基于各種快速原型制造方法所制備的非金屬原型,通過后續(xù)工藝實現(xiàn)了金屬制件的制備。與立體光造型(Stereolithography,SLA)、疊層制造(Laminatedobjectmanufacturing,LOM)、熔融沉積成型(Fuseddepositionmodeling,FDM)、三維打印(Three-dimensionalprinting,3DP)等快速原型制造技術相比,選擇性激光燒結技術(Selectedlasersintering,SLS),由于其使用粉末材料的特點,為制備金屬制件提供了一種最直接的可能。SLS技術利用激光束掃描照射包覆有機粘接劑的金屬粉末,獲得具有金屬骨架的零件原型,通過高溫燒結、金屬浸潤、熱等靜壓等后續(xù)處理,燒蝕有機粘接劑并填充其他液態(tài)金屬材料,從而獲得致密的金屬零件。隨著大功率激光器在快速成形技術中的逐步應用,SLS技術隨之發(fā)展成為選區(qū)激光熔化成形技術(Selectivelasermelting,SLM)。SLM技術利用高能量的激光束照射預先鋪覆好的金屬粉末材料,將其直接熔化并固化,成形獲得金屬制件。在SLM技術發(fā)展的同時,基于激光熔覆技術,逐漸形成了金屬增材制造技術研究的另一重要分枝———激光快速成形技術(Laserrapidforming,LRF)或激光立體成形技術(Lasersolidforming,LSF)。該技術起源于美國Sandia國家實驗室的激光近凈成形技術(Laserengineerednetshaping,LENS),利用高能量激光束將與光束同軸噴射或側向噴射的金屬粉末直接熔化為液態(tài),通過運動控制,將熔化后的液態(tài)金屬按照預定的軌跡堆積凝固成形,獲得從尺寸和形狀上非常接近于最終零件的“近形”制件,并經(jīng)過后續(xù)的小余量加工后以及必要的后處理獲得最終的金屬制件?；赟LS技術的SLM技術和基于LENS技術的LRF技術作為金屬增材制造技術的兩個主要研究熱點,引領著當前金屬增材制造技術的發(fā)展。由于具有極高的制造效率、材料利用率以及良好的成形性能等優(yōu)勢,金屬增材制造技術從一開始便被應用于航空航天等高端制造領域的高性能金屬材料和稀有金屬材料的零部件制造。經(jīng)過20余年的發(fā)展,中國國內(nèi)金屬增材制造技術在材料、工藝、裝備以及成形性能等各個方面均得到長足的發(fā)展,并且已經(jīng)在航空航天等高端制造領域實現(xiàn)了初步應用。2材料增加的金屬增材制造技術金屬增材制造技術對高性能金屬材料(包括稀有金屬材料)而言,是一種極為有利的加工制造技術。相較于材料去除(或變形)的傳統(tǒng)加工和常見的特種加工技術,基于材料增加的金屬增材制造技術有著極高的材料利用率。當前增材制造技術的金屬材料主要集中在航空航天用鈦合金、高溫合金、高強鋼以及鋁合金等材料體系。研究人員以上述金屬材料為研究對象,從制件組織結構、制件性能、制件缺陷以及成形工藝等方面對金屬增材制造技術開展了廣泛的研究。2.1不銹鋼調(diào)節(jié)型變形制備技術鈦合金材料是當前金屬增材制造技術最主要的研究對象。在對航空用TC4鈦合金激光成形的研究中,陳靜等發(fā)現(xiàn)制件的組織結構為粗大的柱狀晶,在粗大的β晶粒內(nèi)是細小的針狀馬氏體α′;薛蕾等在研究中發(fā)現(xiàn)制件的組織結構為柱狀原始β晶界內(nèi)編織細密的α+β網(wǎng)籃組織;而張霜銀等的進一步研究獲得了TC4鈦合金制件組織結構中柱狀晶向等軸晶(CET)轉變的時機及其P/V值。昝林等發(fā)現(xiàn)TC21激光成形制件組織結構為粗大的沿沉積高度方向外延生長的原始β柱狀晶,僅最后一層熔覆層頂部為較細小的β等軸晶,在宏觀上存在針狀馬氏體區(qū)和網(wǎng)籃組織區(qū)。王彬等發(fā)現(xiàn)Ti60棒狀試樣的組織結構是以棒材軸心呈微“八”字形對稱分布的定向生長柱狀晶構成,柱狀晶內(nèi)部為近乎無側向分枝的胞狀晶組織。賀瑞軍等在對Ti-6Al-2Zr-Mo-V合金的成形研究中發(fā)現(xiàn)制件具有均勻細小的α/β雙相片層組織,且片層取向隨機多樣,分布均勻。趙張龍等采用SLM+等溫鍛造復合工藝制備的TC17鈦合金制件,其組織結構主要由粗大β柱狀晶粒組成,經(jīng)相變點上、下等溫鍛造及熱處理后,制件組織結構主要由條狀和細小等軸α相組成,僅經(jīng)相變點以下等溫鍛造及熱處理后,制件組織主要由細小等軸α相組成,仍存在有少量的原始β晶粒邊界。在鎳基高溫合金材料的激光成形中,馮莉萍等發(fā)現(xiàn)Rene95高溫合金制件的組織結構為定向凝固柱狀枝晶,組織細密,枝晶一次間距為5~30μm,二次臂很小或者完全退化,其在FGH95合金制件中也獲得了相似結論,其組織結構由細小柱狀枝晶組織組成,枝晶一次間距約為10μm,二次臂退化。由于局部凝固條件的不同,枝晶干區(qū)域的γ′相為球形、枝晶間區(qū)域的γ′相為立方體形態(tài),尺度均小于0.1μm。林鑫在316L不銹鋼制件中發(fā)現(xiàn)其組織呈現(xiàn)全γ奧氏體結構,γ奧氏體從基體外延生長成柱狀枝晶,并顯示較強的晶體取向性,其<100>晶向基本平行沉積方向,僅在頂部出現(xiàn)一薄層轉向枝晶。賈文鵬等通過建立的預測模型,預測了316L不銹鋼激光快速成形制件的組織結構為細長柱狀晶,并且獲得了不發(fā)生CET轉變的控制條件。董翠等制備的300M超高強度鋼制件其組織結構則具有細小均勻的快速凝固胞狀樹枝晶,其顯微組織為馬氏體與貝氏體混合組織。王小軍等在對Al-12Si合金激光成形的研究中發(fā)現(xiàn),在相鄰激光相互作用形成德爾熱影響區(qū)內(nèi)有粗大的針狀初生Si形成,其余部分由納米級球狀Si顆粒鑲嵌在Al基體中組成。2.2拉伸和高溫作用比對基于傳統(tǒng)制造方法的制造規(guī)范和制造標準,激光增材制造制件性能的達到程度決定著該項技術在工程實際中的應用程度。李懷學等發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金制件室溫拉伸強度達到1100MPa,達到鍛件標準,硬度在3300~3500MPa之間,各向硬度差異不顯著。高士友等發(fā)現(xiàn),TC4鈦合金制件盡管其組織結構類似于鑄造,但其抗拉強度達到了鍛造制件的水平。陳靜等制備的TC4鈦合金制件的室溫及300℃拉伸強度及塑性指標均達到或超過鍛造件水平。張方等發(fā)現(xiàn)Ti60合金制件的硬度要高于鍛件指標,室溫和600℃高溫拉伸強度均高于鍛件,室溫塑性略低于鍛件,而高溫塑性與鍛件相當,其進一步的研究表明Ti60合金制件在進行雙重退火熱處理后,其室溫和高溫(600℃)下的拉伸強度略有下降,但塑性顯著增高,綜合力學性能得到提高。陳靜等發(fā)現(xiàn)Ti60制件的組織結構以及粉末材料的制備方法會使鈦合金制件的高溫持久性能發(fā)生大幅度變化。較高的功率密度所形成的魏氏組織相較較低功率密度形成的網(wǎng)籃組織其高溫持久性顯著降低,采用氣霧化法制備的粉末在制件中形成的氣孔會導致其高溫持久性能降幅達300%。于翔天等制備的TiB+TiC增強TA15復合材料制件,當TiB+TiC增強相體積分數(shù)約為9%時,制件抗拉強度和屈服強度提高了12%,分別達到1040MPa及935MPa。馮莉萍等發(fā)現(xiàn)FGH95合金的成形制件的拉伸強度指標達到粉末冶金的97.9%,塑性超過粉末冶金制件。金具濤等發(fā)現(xiàn)激光成形Rene95合金的室溫抗拉強度為1247MPa,較粉末冶金C級水平略低,而沿沉積高度方向的延伸率為16.2%,高于粉末冶金A級水平。楊海歐等研究表明,對Rene95高溫合金激光快速成形制件進行固溶+時效熱處理后,其強度指標接近粉末冶金C級標準,塑性指標超過粉末冶金A級標準。試樣平均硬度達到HV496.3。趙曉明等對Rene88DT高溫合金制件進行時效熱處理后,發(fā)現(xiàn)其抗拉強度提高了400MPa,屈服強度接近同種材料的粉末鍛造水平。袁源等制備的鐵基固溶體α增韌Fe9Cr9Si2三元金屬硅化物合金制件,其韌性明顯改善,在干滑動摩擦條件下,具有較低的摩擦系數(shù)。董翠等制備的300M超高強度鋼制件室溫拉伸性能接近同質(zhì)材料的鍛件水平。2.3鑄造缺陷缺陷引起的損傷對金屬增材制造制件性能的研究發(fā)現(xiàn),制件性能盡管在個別指標能夠達到同質(zhì)材料的相應標準和規(guī)范,但總體上還是存在著一定的差距,其主要原因在于增材制造技術成形機理的固有特性———“瞬態(tài)熔凝過程”所導致的制件內(nèi)部的微觀缺陷,如裂紋、空洞等,其產(chǎn)生的原因包括工藝參數(shù)配置不當、內(nèi)應力以及熔合不良等。張鳳英等對鈦合金制件圍觀缺陷的產(chǎn)生進行了深入的研究,發(fā)現(xiàn)由于鈦合金本身所特有的優(yōu)良的塑性性能,其制件往往很少出現(xiàn)裂紋,但在制件內(nèi)部大多存在微氣孔以及熔合不良等缺陷。此外,成形件內(nèi)部的氣孔形貌呈球形,在成形件內(nèi)部的分布具有隨機性,氣孔是否形成取決于粉末材料的松裝密度等特性,氧含量對氣孔的形成沒有影響。熔合不良缺陷形貌一般呈不規(guī)則狀,主要分布在各熔覆層的層間和道間,其是否產(chǎn)生取決于成形特征參量是否匹配,其中最顯著的影響因素是能量密度、多道間搭接率以及Z軸單層行程。陳靜等的研究表明:316L不銹鋼激光快速成形容易產(chǎn)生開裂,裂紋多發(fā)生在樹枝晶的晶界,呈現(xiàn)出典型的沿晶開裂特征。熔覆層中的裂紋是凝固裂紋,屬于熱裂紋范疇。裂紋產(chǎn)生的主要原因是熔覆層組織在凝固溫度區(qū)間晶界處的殘余液相受到熔覆層中的拉應力作用所導致的液膜分離的結果。盧朋輝在對K418高溫合金的開裂研究中也發(fā)現(xiàn)了制件內(nèi)裂紋為與液膜有關的結晶裂紋,裂紋沿枝晶晶界擴展。趙曉明對Rene88DT激光快速成形裂紋的研究中發(fā)現(xiàn)裂紋為液化裂紋,與鈦合金相似,也具有典型的沿晶開裂特征。賀瑞軍等在對Ti-6Al-2Zr-Mo-V合金在高周疲勞失效中的變形行為的研究中發(fā)現(xiàn)鈦合金制件的疲勞裂紋萌生和擴展中的變形行為都與其位錯運動和滑移行為密切相關。疲勞裂紋擴展中的滑移主要沿兩個滑移面進行,裂紋擴展亞表面存在大量二次裂紋。2.4不銹鋼及其他鈦合金的熱性能在特定的成形材料的前提下,工藝研究是金屬增材制造技術的基礎研究內(nèi)容,也是制件內(nèi)缺陷消除、制件性能提高的必由之路。研究人員在金屬增材制造技術的基礎工藝研究中投入了大量的工作,從基礎工藝參數(shù)、成形氣氛、材料預處理、制件熱處理等方面開展了廣泛的研究,甚至考慮采用其他的能量來源代替激光光源。環(huán)境中的氧含量對成形工藝包括激光沉積工藝、成形質(zhì)量、粉末利用率、熔覆層是否開裂等具有顯著影響。陳靜等認為氧含量嚴格控制在0.02%以下時,可獲得表面平整光潔、無裂紋等缺陷的TC4薄壁試樣。劉奮成等對比了氬氣和空氣環(huán)境中Inconel718鎳基高溫合金的成形,發(fā)現(xiàn)在兩種氣氛環(huán)境下制件組織結構基本相同,均為沿成形方向連續(xù)生長的粗大柱狀枝晶,組織細密,均勻;空氣環(huán)境中制件拉伸強度略高于氬氣環(huán)境中制件的拉伸強度,但是前者的塑性略低,疲勞性能比后者約低30%,其原因是制件中較多的氧化物夾雜和顯微氣孔等缺陷。譚華等則研究了以單元素混合粉末代替預合金粉末為原料制備Ti-6Al-4V制件,可在較大程度上控制氧含量,僅約0.1%(質(zhì)量分數(shù)),且其室溫拉伸性能提高較多,超過鍛件標準要求。陳靜等在對Ti60合金的成形研究中發(fā)現(xiàn),采用氣霧化法制備的粉末非常容易在制件中形成氣孔,其高溫持久性能降幅達300%。謝德巧等則在熔池中引入脈沖電流,利用脈沖電流在熔池中產(chǎn)生的磁致壓縮力用以擠壓熔池中形成的氣泡,以期減少制件中孔隙的數(shù)量以及尺寸。激光增材制造的瞬態(tài)熔凝過程所產(chǎn)生的極高的溫度梯度,極易在制件內(nèi)部形成封閉的內(nèi)應力。楊健等在對316L不銹鋼激光快速成形制件的殘余應力的研究中發(fā)現(xiàn),制件內(nèi)部的殘余應力以拉應力作用為主,垂直于掃描方向的殘余應力相較于平行方向要小一些,隨著制件高度增加,拉應力逐漸減小,有改變?yōu)閴簯Φ内厔荨榱私档突蛳齼?nèi)應力對制件性能所產(chǎn)生的影響,王凱等采取了采用基板預熱的方法以控制薄壁制件內(nèi)應力以及內(nèi)應力引起的變形。張霜銀等對TC4成形制件和經(jīng)熱處理后的殘余應力進行了研究,發(fā)現(xiàn)靠近基材處的殘余應力為較大的壓應力,隨著制件高度的增加,到頂部轉變?yōu)檩^小的拉應力。去應力退火熱處理后,制件的殘余應力分別降低59.8%和72.3%,固溶時效處理后殘余應力分別降低64.7%和67.8%。鈦合金制件的殘余應力總體屬于低應力水平,制件經(jīng)熱處理后殘余應力分布趨于平緩,可有效地消除和調(diào)整激光成形過程產(chǎn)生的殘余應力。戚永愛則利用噴丸強化的輔助方法對成形過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應力進行實時處理,制件內(nèi)沿著掃描方向殘余應力消除達到93.64%;垂直于掃描方向的殘余應力受超聲沖擊作用由拉應力變?yōu)閴簯?。對制件進行后續(xù)熱處理是當前金屬增材制造技術實現(xiàn)組織結構優(yōu)化和性能提高的主要工藝手段。陳靜等研究發(fā)現(xiàn),對Ti-6Al-4V合金制件進行固溶時效熱處理后所獲得的網(wǎng)籃組織綜合性能最好,不論是強度指標還是塑性指標都高于鍛件標準。張霜銀等對TC4鈦合金成形制件進行去應力退火和固溶時效處理,對比發(fā)現(xiàn),經(jīng)退火處理后性能改善不明顯,塑性有所提高,而經(jīng)固溶時效熱處理后塑性有明顯提高,且強度降低不大,具有良好的綜合力學性能。王俊偉等對TC17的同類研究表明,成形制件在組織結構上呈現(xiàn)出與TC4相同的變化。張小紅等研究了對TA15鈦合金制件的退火、固溶時效以及雙固溶時效處理。結果表明經(jīng)退火處理后塑性得到了提高,具有良好的綜合拉伸性能,達到了鍛件退火態(tài)的拉伸性能標準;經(jīng)固溶時效處理后,制件強度顯著提高。林鑫等對Ti6Al4V合金制件進行退火處理后,制件組織結構原有的等軸α+層狀α+β雙態(tài)組織經(jīng)熱影響區(qū)連續(xù)轉變?yōu)榫?nèi)分布魏氏α+β的外延生長的粗大柱狀晶組織,修復區(qū)中α板條有粗化趨勢,綜合力學性能得到一定改善,塑性有所提高,其靜載拉伸性能達到鍛件標準,再輔以噴丸處理,制件的低周疲勞性能達到鍛件標準要求。趙曉明等研究了時效時間對激光快速成形后時效硬化鎳基高溫合金Rene88DT中沉淀相組織演化和力學性能的影響。發(fā)現(xiàn)隨時效時間的增加制件組織中沉淀相顆粒粗化明顯,成形件經(jīng)1160℃、2h、200MPa熱等靜壓的高壓、高溫固溶處理后,裂紋得到明顯的愈合修復,在原裂紋附近析出MC型碳化物。將熱等靜壓處理后的成形件進行固溶時效熱處理后,拉伸強度和塑性均明顯提高,綜合力學性能接近粉末冶金Rene88DT的標準。趙衛(wèi)衛(wèi)等對Inconel718制件進行直接時效處理后發(fā)現(xiàn)硬度和拉伸強度均明顯提高,合金性能得到進一步改善,室溫、高溫拉伸強度和塑性都達到了高強鍛件的技術標準Q/3B548-1996(高強)。從能量源角度出發(fā),鎖紅波等利用電子束代替激光實現(xiàn)了Ti6Al4V鈦合金制件的制備,制件經(jīng)退火處理后拉伸性能可滿足AMS4999標準的要求,但與鍛件標準HB5432相比仍有差距。2.5ti-ti抗菌層為實現(xiàn)某種或某幾種功能或性能,而不僅僅局限在單一材料體系,增材制造技術為設計方法的變革提供了一條嶄新的途徑,基于增材制造技術的梯度功能材料就是最為典型的應用。楊海歐等制備了從100%316L到100%Rene88DT成分連續(xù)漸變的梯度材料制件。制件組織致密,在過渡層內(nèi),隨著Rene88DT合金所含比例的逐漸提高,硬度和一次枝晶間距持續(xù)增大,硬度值從底部100%316L的186HV連續(xù)漸變到頂端100%Rene88DT的458HV。平均一次枝晶間距由底部的12.41μm逐漸增大到頂部的16.99μm。劉建濤等制備了從Ti到Ti2AlNb成分連續(xù)漸變、外形規(guī)則、高度為17mm的梯度材料制件。隨著Al和Nb成分的提高,Ti-Ti_2AlNb功能梯度材料實現(xiàn)了由α型鈦合金經(jīng)過α+β型及β型鈦合金向Ti_2AlNb基合金的轉變。解航等成功制備了CoCrMo體積分數(shù)10%的無裂紋Ti6Al4V-CoCrMo梯度材料制件,用于人工關節(jié)的制備。許小靜等進行了Ti-80%Ni(質(zhì)量分數(shù))合金的工藝研究,制件組織結構由η-TiNi_3板條和TiNi(B2)+η共晶構成,隨著激光掃描速率的增大,η板條逐漸轉變?yōu)棣前鍡l+(TiNi(B2)+η)共晶,隨著激光功率的增大,塊狀組織越細,形成(TiNi(B2)+η)離異共晶組織+板塊間(TiNi(B2)+η)共晶組織。3增材制造技術研究金屬增材制造技術作為一種全新理念的制造技術,自其出現(xiàn)之日起,便被工程材料領域的研究者們視為一種新的方法和手段,實現(xiàn)或者替代既有加工制造方法和材料制備方法。眾多的研究表明,當前絕大多數(shù)關于增材制造技術的研究,其最終目標依舊是基于某一材料體系的零件、部件或功能組合制件的制備。無論是材料制備還是加工制造,無論是對制件組織結構、制件性能的研究還是對制件微觀缺陷、成形工藝等的研究,其參考的標準依舊是既有加工制造和材料的指標體系,從某種意義上講,當前增材制造技術的相關研究主要聚焦于對既有加工制造方法和材料制備方法的替代或者提升。隨著對增材制造技術研究的深入和理解認識的進一步拓展,人們逐步意識到增材制造技術的內(nèi)涵似乎已經(jīng)不僅僅局限于工程和材料學科,其所蘊含的潛能正在逐步向外輻射,日益影響著其他學科的發(fā)展,甚至是社會生產(chǎn)模式、思維模式的變革,以至于終將影響社會形態(tài)的發(fā)展。北京航空航天大學王華明教授提出了金屬增材制造技術實際上是一個以高性能材料制備、內(nèi)部質(zhì)量控制為核心的“控形