金属材料3D打印综述.docx

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金属材料3D打印综述

金属零件3D打印技术现状及研究进展

摘要：

简述了国内外的金属零件3D打印技术的研究现状及最新进展，包括选区激光烧结（SelectiveLaserSintering,SLS）、直接金属粉末激光烧结（DirectMetalLaserSintering，DMLS）、选区激光熔化（SelectiveLaserMelting,SLM）技术、激光近净成形（LaserEngineeredNetShaping,LENS）技术和电子束选区熔化（ElectronBeamSelectiveMelting,EBSM）技术，具体介绍了金属零件3D打印技术研究热点和难点以及具体应用,并对SLM技术现状、存在问题和发展趋势进行了分析。

关键词：

金属零件3D打印；选区激光熔化；直接制造

TheStatusandProgressofManufacturingofMetalPartsby3DPrinting

Technology

Abstract:

Thispaperpresentstheresearchstatusandnewprogressofthemetalpartsmanufacturedby3DPTechnologies，includingSelectiveLaserSintering（SLS），DirectMetalLaserSintering（DMLS），SelectiveLaserMelting（SLM），LaserEngineeredNetShaping（LENS）andElectronBeamSelectiveMelting（EBSM）.Atlast，theauthorsanalyzethemainresearchhotspots，problemsandorientedapplicationsofmetalpartsmanufacturedby3DPTechnologiesindetail,Thestatus-in-art,problemsanddevelopingprospectofthesetechnologyarealsodiscussed.

Keywords:

metalparts3DPtechnologies；selectivelasermelting；directmanufacturing

1.引言

3D打印技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式，作为战略性新兴产业，美国、德国等发达国家高度重视并积极推广该技术。

不少专家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印技术为代表的新制造技术将推动第三次工业革命。

3D打印技术，就是在计算机中将3DCAD模型分成若干层，通过3D打印设备在一个平面上按照3DCAD层图形，将塑料、金属甚至生物组织活性细胞等材料烧结或者黏合在一起，然后再一层一层的叠加起来。

通过每一层不同的图形的累积，最后形成一个三维物体金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。

随着科技发展及推广应用的需求，利用快速成型直接制造金属功能零件成为了快速成型主要的发展方向。

目前可用于直接制造金属功能零件的快速成型方法主要有：

包括选区激光烧结（SelectiveLaserSintering,SLS）技术、直接金属粉末激光烧结（DirectMetalLaserSintering，DMLS）、选区激光熔化（SelectiveLaserMelting,SLM）技术、激光近净成形（LaserEngineeredNetShaping,LENS）技术和电子束选区熔化（ElectronBeamSelectiveMelting,EBSM）技术，。

国外对金属零件3D打印技术的理论与工艺研究相对较早，且在近几年已有多家公司推出商品化的设备。

而国内的研究主要集中在基础的工艺，华南理工大学的研究重点是SLM技术，清华大学以EBM技术为主，南京航空航天大学和华中科技大学主要研究选区激光烧结技术，近期也涉及到SLM工艺。

西北工业大学深入研究了LENS工艺。

本文就直接制造金属功能零件的快速成型的主要方法进行了归纳总结。

2.金属零件快速制造技术分类

2.1选区激光烧结（SLS）

选择性激光烧结技术（SLS）最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的CarlDeckard于1989年在其硕士论文中提出的,选区激光烧结，顾名思义，所采用的冶金机制为液相烧结机制，成形过程中粉体材料发生部分熔化，粉体颗粒保留其固相核心，并通过后续的固相颗粒重排、液相凝固粘接实现粉体致密化。

美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备SinterSation。

德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作,并开发了相应的系列成型设备。

国内有如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等,多家单位进行SLS的相关研究工作,也取得了重大成果。

2.1.1SLS技术原理及其特点

整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成,工作粉末缸活塞（送粉活塞）上升,由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层,计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。

完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉,控制激光束再扫描烧结新层。

如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型（如图1所示）。

图1

SLS工艺采用半固态液相烧结机制，粉体未发生完全熔化，虽可在一定程度上降低成形材料积聚的热应力，但成形件中含有未熔固相颗粒，直接导致孔隙率高、致密度低、拉伸强度差、表面粗糙度高等工艺缺陷，在SLS半固态成形体系中，固液混合体系粘度通常较高，导致熔融材料流动性差，将出现SLS快速成形工艺特有的冶金缺陷——“球化”效应。

球化现象不仅会增加成形件表面粗糙度，更会导致铺粉装置难以在已烧结层表面均匀铺粉后续粉层，从而阻碍SLS过程顺利开展。

由于烧结好的零件强度较低,需要经过后处理才能达到较高的强度并且制造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等问题。

在SLS出现初期，相对于其他发展比较成熟的快速成型方法，选择性激光烧结具有成型材料选择范围广，成型工艺比较简单（无需支撑）等优点。

但由于成型过程中的能量来源为激光，激光器的应用使其成型设备的成本较高，随着2000年之后激光快速成形设备的长足进步（表现为先进高能光纤激光器的使用、铺粉精度的提高等），粉体完全熔化的冶金机制被用于金属构件的激光快速成形。

选择性激光烧结技术（SLS）已被类似更为先进的技术代替。

2.2直接金属激光成形（DMLS）

SLS制造金属零部件,通常有两种方法,其一为间接法,即聚合物覆膜金属粉末的SLS;其二为直接法,即直接金属粉末激光烧结（DirectMetalLaserSintering,DMLS）。

自从1991年金属粉末直接激光烧结研究在Leuvne的Chatofci大学开展以来,利用SLS工艺直接烧结金属粉末成形三维零部件是快速原型制造的最终目标之一。

与间接SLS技术相比,DMLS工艺最主要的优点是取消了昂贵且费时的预处理和后处理工艺步骤。

2.2.1直接金属粉末激光烧结（DMLS）的特点

DMLS技术作为SLS技术的一个分支，原理基本相同。

但DMLS技术精确成形形状复杂的金属零部件有较大难度,归根结底,主要是由于金属粉末在DMLS中的“球化”效应和烧结变形，球化现象,是为使熔化的金属液表面与周边介质表面构成的体系具有最小自由能,在液态金属与周边介质的界面张力作用下,金属液表面形状向球形表面转变的一种现象.球化会使金属粉末熔化后无法凝固形成连续平滑的熔池,因而形成的零件疏松多孔,致使成型失败，由于单组元金属粉末在液相烧结阶段的粘度相对较高,故“球化”效应尤为严重,且球形直径往往大于粉末颗粒直径,这会导致大量孔隙存在于烧结件中，因此,单组元金属粉末的DMLS具有明显的工艺缺陷,往往需要后续处理,不是真正意义上的“直接烧结”。

为克服单组元金属粉末DMLS中的“球化”现象,以及由此造成的烧结变形、密度疏松等工艺缺陷,目前一般可以通过使用熔点不同的多组元金属粉末或使用预合金粉末来实现。

多组分金属粉末体系一般由高熔点金属、低熔点金属及某些添加元素混合而成，其中高熔点金属粉末作为骨架金属，能在DMLS中保留其固相核心；低熔点金属粉末作为粘结金属，在DMLS中熔化形成液相，生成的液相包覆、润湿和粘结固相金属颗粒，以此实现烧结致密化。

2.2.2直接金属粉末激光烧结（DMLS）的问题

作为SLS技术的一个重要分支的DMLS技术尚处在不断发展和完善的过程之中,其烧结的物理过程及烧结致密化机理仍不明了,不同金属粉末体系的激光烧结工艺参数仍需摸索,专用粉末的研制与开发还有待突破。

因此,建立金属粉末直接激光烧结过程的数学、物理模型,定量研究DMLS烧结致密化过程中的烧结行为和组织结构变化,成为粉末冶金科学与工程研究中的重要内容之一。

DMLS中,金属粉末的物性对于烧结质量有着及其重要的影响,相同的工艺参数条件下,不同的粉末体系的烧结效果往往有很大的区别。

把握粉末体系的物性,为其选择最优化的工艺参数,是DMLS的最基本、最重要的要求。

大量研究表明,影响DMLS质量的三个关键物性参数主要为:

烧结特性、摊铺特性和稳定性。

2.3选区激光熔化（SLM）

SLM的思想最初由德国Fraunhofer研究所于1995年提出，2002年该研究所对SLM技术的研究取得巨大的成功。

世界上第一台SLM设备由英国MCP（MiningandChemicalProductsLimited）集团公司下辖的德国MCP-HEK分公司已于2003年底推出。

为获取全致密的激光成形件，同时也受益于2000年之后激光快速成形设备的长足进步（表现为先进高能光纤激光器的使用、铺粉精度的提高等），粉体完全熔化的冶金机制被用于金属构件的激光快速成形。

例如，德国著名的快速成形公司EOS公司，是世界上较早开展金属粉末激光烧结的专业化公司，主要从事SLS金属粉末、工艺及设备研发。

而该公司新近研发的EOSINTM270/280型设备，虽继续沿用“烧结”这一表述，但已装配200W光纤激光器，并采用完全熔化的冶金机制成形金属构件，成形性能得以显著提高。

目前，作为SLS技术的延伸，SLM术正在德国、英国等欧洲国家蓬勃发展。

即便继续沿用“选区激光烧结”（SLS）这一表述，实际所采用的成形机制已转变为粉体完全熔化机制。

2.3.1选区激光熔化的原理

SLM技术是在SLS基础上发展起来的，二者的基本原理类似。

SLM技术需要使金属粉末完全熔化，直接成型金属件，因此需要高功率密度激光器激光束开始扫描前，水平铺粉辊先把金属粉末平铺到加工室的基板上，然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓，然后可升降系统下降一个图层厚度的距离，滚动铺粉辊再在已加工好的当前层上铺金属粉末，设备调入下一图层进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。

整个加工过程在抽真空或通有气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。

SLM与DMLS的界限目前很模糊,区别不明显,DMLS技术虽翻译为金属的烧结,实际成型过程中多数时候已将金属粉末完全熔化。

DMLS技术使用材料都为不同金属组成的混合物,各成分在烧结（熔化）过程中相互补偿,有利于保证制作精度。

而SLM技术使用材料主要为单一组分的粉末,激光束快速熔化金属粉末并获得连续的扫描线。

3.2.2选区激光熔化技术的发展问题

激光选区成形件中，Fe基合金（主要是钢）SLM成形研究较多，但SLM成形工艺尚需优化、成形性能尚需进一步提高；对SLM成形性能（特别是占基础地位的致密度），目前SLM成形的钢构件通常难以实现全致密。

解决钢材料SLM成形的致密化问题，是快速成形研究的关键性瓶颈问题。

钢材料激光成形的难度，主要取决于钢中主要元素的化学特性。

基体元素Fe及合金元素Cr对氧都具有很强的亲和性，在常规粉末处理和激光成形条件下很难彻底避免氧化现象。

因此，在SLM过程中，钢熔体表面氧化物等污染层的存在，将显著降低润湿性，引起激光熔化特有的冶金缺陷球化效应及凝固微裂纹，从而显著降低激光成形致密度及相应的机械性能。

另一方面，钢中C含量是决定激光成形性能的又一个关键因素。

通常，过高的C含量将对激光成形性产生不利，随C含量升高，熔体表面C元素层的厚度亦会增加。

这与氧化层的不利影响类似，也会降低润湿性，导致熔体铺展性降低，并引起球化效应。

此外，在晶界上形成的复杂碳化物会增大钢材料激光成形件的脆性。

因此，通常对钢材料SLM成形，需提高激光能量密度及SLM成形温度，可促进碳化物的溶解，也可使合金元素均匀化。

通过粉体材料及SLM工艺优化，包括：

1，严格控制原始粉体材料及激光成形系统中的氧含量以改善润湿性；2，合理调控输入激光能量密度以获取适宜的液相粘度及其流变特性，可有效抑制球化效应及微裂纹形成，进而获取近全致密结构。

对于以Al合金为代表的轻合金零件激光快速成形，先前绝大多数研究报道是基于SLS半固态烧结成形机制，但因严重的球化效应及孔隙缺陷，故研究进展不大；而SLM技术可望为高性能复杂结构Al合金零件近净成形与快速制造提供崭新的技术途径。

Al基合金零件SLM成形具有高难度，是由材料自身特殊物理特性本质所决定的。

一方面，，通常低功率CO2激光难以使Al合金粉体发生有效熔化，而要求使用能量密度更高的光纤或Nd:

YAG激光，这无疑对激光器性能提出了更苛刻的要求。

另一方面，Al合金材料热导率高，SLM成形过程中激光能量输入极易沿基板或在粉床中传递消耗，导致激光熔池温度降低，熔体粘度增加且流动性降低，故其难以有效润湿基体材料，导致SLM成形球化效应及内部孔隙、裂纹等缺陷。

其三，从成形工艺角度，Al合金材料密度较低，粉体流动性差。

需指出的是，基于SLM/SLRM成形机制，虽能在一定程度上改善激光成形件的致密度和表面光洁度，但因成形过程中粉末发生完全熔化/凝固，故在固液转变过程中将出现明显的收缩变形，致使成形件中积聚较大的热应力，并将在冷却过程中得以释放，使得成形件发生变形、甚至开裂。

由于激光选区熔化成形技术成形粉末需求量大，需要在整个成形平面铺设金属粉末，因而不适宜成形贵重的金属；整个成形平台较大，惰性气体保护效果较差，因而也不适宜成形易氧化的金属粉末。

3.2.3选区激光熔化技术的优势

在原理上，选区激光熔化与选区激光烧结相似，但因为采用了较高的激光能量密度和更细小的光斑直径，成型件的力学性能、尺寸精度等均较好，只需简单后处理即可投入使用，并且成型所用原材料无需特别配制。

选区激光熔化技术的优点可归纳如下：

●直接制造金属功能件件，无需中间工序；

●良好的光束质量，可获得细微聚焦光斑，从而可以直接制造出较高尺寸精度和较好表面粗糙度的功能件；

●金属粉末完全熔化，所直接制造的金属功能件具有冶金结合组织，致密度较高，具有较好的力学性能，无需后处理；

●粉末材料可为单一材料也可为多组元材料，原材料无需特别配制；

●可直接制造出复杂几何形状的功能件；

●特别适合于单件或小批量的功能件制造。

选区激光烧结成型件的致密度、力学性能较差；电子束熔融成型和激光熔覆制造难以获得较高尺寸精度的零件；相比之下，选区激光熔化成型技术可以获得冶金结合、致密组织、高尺寸精度和良好力学性能的成型件，是近年来快速成型的主要研究热点和发展趋势。

3.2.4选区激光熔化技术的研究展望

（1）实现激光快速成形专用金属粉体材料系列化与专业化。

重视粉体材料对改善激光快速成形性能的物质基础作用，深入定量研究适于选区激光熔化成形工艺的粉体化学成分、物性指标、制备技术及表征方法，实现激光快速成形专用金属及合金粉体材料的专业化和系列化。

（2）深入定量研究金属及合金粉体激光成形冶金本质及其机理。

紧扣金属及合金粉体激光快速成形关键科学问题，包括激光束—金属粉体交互作用机理、激光熔池非平衡传热传质机制、超高温度梯度下金属熔体快速凝固及内部冶金缺陷和显微组织调控、金属粉体激光熔化成形全过程及各类型内应力演变等冶金、物理、化学及热力耦合问题，为改善金属及合金粉体激光快速成形组织和性能提供科学理论基础。

（3）高性能复杂结构金属及合金零件激光控形控性净形制造。

以激光快速成形专用高流动性金属粉体设计制备为物质基础，以激光非平衡熔池冶金热力学和动力学行为、激光成形显微组织调控机制、激光成形件内应力演化规律多尺度预测为理论基础，通过粉体设计制备—零件结构设计—SLM成形工艺—组织及性能评价的一体化研究，面向航空航天、生物医药、模具制造等领域应用需求，实现高性能复杂结构金属及合金关键零件激光控形控性直接精密净成形制造。

对于金属零件选区激光熔化快速成形的材料、工艺及理论的研究，尚有很多方面未获得本质突破。

对于该领域诸多新材料、新工艺、新现象及新理论的深入研究与发掘，是实现激光快速成形技术走向工程应用的基础。

3.2.5选区激光熔化技术的研究工作

大量学者和研究团队对选区激光熔化技术进行了大量的工作。

RehmeO等对选区激光熔化成型过程的重要参数进行分析并归类，研究了扫描线长度、扫描间距、层厚、成型方向等参数对零件的致密度和残余应力的影响。

KozoOsakada等研究了镍基合金、铁基合金和纯钛材料的选区激光熔化成型特性，分析成型件的热应力分布，通过扫描策略和预热等方法减小热应力，并直接制造出致密度90%以上的金属模具。

J.P.Kruth等利用Rayleigh不稳定性原理解释铁基合金的球化现象，并提出利用扫描策略和控制氧含量的方法消除球化，同时研究不同的元素会对激光吸收率、热传导性、熔液的润湿及铺展性、氧含量以及Rayleigh不稳定性等的影响。

I.Shishkovsky等对铝锆陶瓷材料的选区激光熔化成型特性进行了分析，研究成型件的组织结构及成份，并发现在空气中成型的零件是具有致密组织结构和规则稳定相分布的。

M.Badrossamay等对不锈钢和工具钢进行了研究，研究了扫描策略、激光功率等参数对成型质量的影响，其研究发现，不锈钢和工具钢有着类似的成型规律，并且成型质量和扫描速度之间不是呈线性关系，由此推测扫描速度对粉床热量的损失量有影响。

I.Yadroitsev等采用不锈钢等原材料对选区激光熔化成型工艺开展了很多工作，研究了扫描策略对致密度的影响、扫描角度对力学性能的影响，采用“填充后再填充的扫描策略”可获得高致密度成型件，同时发现扫描倾斜角度对成型件的屈服强度和抗拉强度影响不大；另外，通过工艺实验，采用优化工艺参数成型出厚度为140μm的连续薄壁。

Gusarov等利用热力学分析选区激光熔化成型过程的熔池稳定性，采用Rayleigh不稳定性原理解释高扫描速度下的球化现象，并提出适合连续熔池的较优熔池形状，即减小熔池长宽比并增加熔池与基板的接触线宽度。

KamranAamirMumtaz等研究了镍合金的单道熔池，分析扫描策略对致密度的影响，并提出改善表面质量的方法，即采用“填充后再填充的扫描策略”可防止因相邻熔池搭接而导致热变形，同时成型出致密度达99.7%的合金零件。

Julio、Rehme、McKown、Yadroitsev等[33-35]还对选区激光熔化直接成型功能性材料进行了初步探索，并取得一些成果，如：

Julio等采用选区激光熔化直接制造出具有散热功能管材料；Rehme等采用选区激光熔化直接制造出具有胞元结构的多孔医用植入体材料，而McKown等则直接制造出网格状材料；Yadroitsev等则研究了选区激光熔化直接制造具有微孔结构的过滤材料零件。

国内对选区激光熔化技术的研究工作虽然起步较晚，但至今也取得了很大的进展。

主要的研究单位有：

华南理工大学、华中科技大学、南京航空航天大学、上海交通大学等高校以及其他一些科研单位。

其中华南理工大学在不锈钢、铜合金、镍合金和钛合金等开展了大量的工艺实验，研究了激光功率、扫描速度、扫描间距、扫描策略等对致密度、尺寸精度、内部组织等的影响；华中科技大学也对不锈钢的成型工艺进行了一些探讨，采用正交实验方法优化工艺参数；南京航空航天大学除了对一些常用材料进行研究外，还采用选区激光熔化直接制造复合材料功能件；上海交通大学采用316L不锈钢研究了选区激光熔化成型件的表面质量和内部微观组织，并得到高致密度的功能件。

2.4电子束熔化（EBM）

1994年瑞典ARCAM公司申请的一份专利，所开发的技术称为电子束熔化成形技术（ElectronBeamMelting），ARCAM公司也是世界上第一家将电子束快速制造商业化的公司，并于2003年推出第一代设备，此后美国麻省理工学院、美国航空航天局、北京航空制造工程研究所和我国清华大学均开发出了各自的基于电子束的快速制造系统。

美国麻省理工学院开发的电子束实体自由成形技术（ElectronBeamSolidFreeformFabrication,EBSFF）。

EBSFF技术采用送丝方式供给成形材料前两种利用电子束熔化金属丝材，电子束固定不动，金属丝材通过送丝装置和工作台移动，与激光近形制造技术类似（图2），电子束熔丝沉积快速制造时，影响因素较多，如电子束流、加速电压、聚焦电流、偏摆扫描、工作距离、工件运动速度、送丝速度、送丝方位、送丝角度、丝端距工件的高度、丝材伸出长度等。

这些因素共同作用影响熔积体截面几何参量，确区分单一因素的作用十分困难；瑞典ARCAM公司与清华大学电子束开发的选区熔化（EBSM）利用电子束熔化铺在工作台面上的金属粉末，与激光选区熔化技术类似，利用电子束实时偏转实现熔化成形，该技术不需要二维运动部件，可以实现金属粉末的快速扫描成形（图2）。

图2

2.4.1电子束选区熔化（EBSM）原理

类似激光选区烧结和激光选区熔化工艺,电子束选区熔化技术（EBSM）是一种采用高能高速的电子束选择性地轰击金属粉末，从而使得粉末材料熔化成形的快速制造技术。

EBSM技术的工艺过程为：

先在铺粉平面上铺展一层粉末；然后，电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化，金属粉末在电子束的轰击下被熔化在一起，并与下面已成形的部分粘接，层层堆积，直至整个零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三维产品。

上位机的实时扫描信号经数模转换及功率放大后传递给偏转线圈，电子束在对应的偏转电压产生的磁场作用下偏转，达到选择性熔化。

经过十几年的研究发现对于一些工艺参数如电子束电流、聚焦电流、作用时间、粉末厚度、加速电压、扫描方式进行正交实验。

作用时间对成型影响最大。

2.4.2电子束选区熔化的优势

电子束直接金属成形技术采用高能电子束作为加工热源，扫描成形可通过操纵磁偏转线圈进行，没有机械惯性，且电子束具有的真空环境还可避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。

电子束与激光相比，具有能量利用率高、作用深度大、材料吸收率高、稳定及运行维护成本低等优点。

EBM技术优点是成型过程效率高,零件变形小,成型过程不需要金属支撑,微观组织更致密等

电子束的偏转聚焦控制更加快速、灵敏。

激光的偏转需要使用振镜，在激光进行高速扫描时振镜的转速很高。

在激光功率较大时，振镜需要更复杂的冷却系统，而振镜的重量也显著增加。

因而在使用较大功率扫描时，激光的扫描速度将受到限制。

在扫描较大成形范围时，激光的焦距也很难快速的改变。

电子束的偏转和聚焦利用磁场完成，可以通过改变电信号的强度和方向快速灵敏的控制电子束的偏转量和聚焦长度。

电子束偏转聚焦系统不会被金属蒸镀干扰。

用激光和电子束熔化金属的时候，金属蒸汽会弥散在整个成形空间，并在接触的任何物体表面镀上金属薄膜。

电子束偏转聚焦都是在磁场中完成，因而不会受到金属蒸镀的影响；激