李昂等：金属增材制造技术的关键因素及发展方向 ·163· 顶部相机 200m光纤 反射可见光 高功率 激光 宽度 分色镜 振镜 平行光束 聚焦透镜 平行光束 前部相机 顶部相机 色 低功率 激光二极管 高度 50um光纤 F-Theta 场镜 反射镜 焦点直径：193至1050um 前部相机 图4激光变焦示意图51] 图5传感机构以及熔覆高度与宽度尺寸示意图[5] Fig.5 Schematic representation of sensor setup,bead height and Fig.4 Schematic representation of automated fiber change[si] width[55] 统进行了研究，设计了一套基于电荷耦合器件 (CCD)视觉成像的传感系统，通过顶部摄像机和前 3金属增材制造材料研究现状 部摄像机直接检测成形过程中的沉积物形貌，并通 3.1金属增材制造材料 过前馈控制模型，根据所获取的信息对熔覆高度与 根据形状的不同，金属增材制造的材料可以分为 宽度进行实时控制，如图5所示.另外，对熔池温度 粉材、线材和块材.当材料为粉材时，粒径、球形度、流 进行实时调控也是目前控制系统的一个重要研究内 动性、氧含量和种类等对金属增材制造技术的设备要 容[s6-s8】.Song和Mazumderts]首先通过系统辨识获 求、成形稳定性、产品的组织和性能有较大影响9]：当 得描述激光功率与熔池温度动态关系的状态空间模 材料为线材或块材时，对于材料的形状则要求较低.不 型，基于状态空间模型设计了用于熔池温度控制的 同金属增材制造技术的主要材料种类，材料形状与质 广义模型预测控制算法 量要求以及材料典型制备方法如表3所示. 表3不同金属增材制造技术的主要材料种类，材料形状与质量要求以及材料典型制备方法 Table 3 Material type,material shape,material quality requirements,and typical material preparation methods for different metal additive manufacturing technologies 技术名称 主要材料种类 材料形状与质量要求 材料典型制备方法 参考文献 球形粉材，球形度>0.8，氧体积分数< Cu-SCuP,Ni-Sn、fe-Sn、碳 0.08%,流动性（流过50g粉末所需时间）> 气雾化法制粉，等离子旋转电极 激光选区烧结 [60-62] 钢-尼龙 雾化法制粉 10s,平均粒径15~150μm 微滴喷射 锡合金，铝合金 原料形状无特殊要求 [14.63] Ti-6A-4V、A1Si10Mg.316L球形粉材，球形度>0.7，氧体积分数<气雾化法制粉，等离子旋转电极 激光选区熔化 [2.7.64] 不锈钢，Inconel718,CoCrMo0.08%,流动性>10s,平均粒径15~53μm 雾化法制粉，水雾化制粉 激光工程化净Ti-6A-4V、Inconel718、球形粉材/线材，粉材平均粒径50~200um, 一 [65-68] 成形 316L不锈钢 线材平均直径0.4~2mm 金属电弧增材Ti-6A-4V、铝合金316L不 线材，平均直径1~4mm 制造 [69-71] 锈钢 电子束选区熔Ti-A1,Ti-6A1-4V,316L不球形粉材，氧体积分数<0.08%，平均粒径气雾化法制粉，等离子旋转电极 [72-74] 化 锈钢，Cu 30~106μm 雾化法制粉，氢化-脱氢法制粉 金属熔融沉积锡合金 线材，直径1.75mm±0.02mm [75] 电子束熔丝沉 钛合金，316L不锈钢 线材，平均直径0.8~1.2mm [76] 积 在金属增材制造材料中，材料的种类对于金属 3.2钛合金研究现状 增材制造技术的组织和性能具有重要影响，从表3 钛合金是在金属增材制造技术中应用最为成功 中可以看出，目前金属增材制造技术的典型材料包 的材料，金属增材制造技术制备的钛合金具有无枝 括钛合金、镍合金、铝合金和钢铁材料等. 晶以及晶内结构细小等组织特征，从而使其产品的李 昂等: 金属增材制造技术的关键因素及发展方向 图 4 激光变焦示意图[51] Fig. 4 Schematic representation of automated fiber change [51] 统进行了研究,设计了一套基于电荷耦合器件 (CCD)视觉成像的传感系统,通过顶部摄像机和前 部摄像机直接检测成形过程中的沉积物形貌,并通 过前馈控制模型,根据所获取的信息对熔覆高度与 宽度进行实时控制,如图 5 所示. 另外,对熔池温度 进行实时调控也是目前控制系统的一个重要研究内 容[56鄄鄄58] . Song 和 Mazumder [58]首先通过系统辨识获 得描述激光功率与熔池温度动态关系的状态空间模 型,基于状态空间模型设计了用于熔池温度控制的 广义模型预测控制算法. 图 5 传感机构以及熔覆高度与宽度尺寸示意图[55] Fig. 5 Schematic representation of sensor setup, bead height and width [55] 3 金属增材制造材料研究现状 3郾 1 金属增材制造材料 根据形状的不同,金属增材制造的材料可以分为 粉材、线材和块材. 当材料为粉材时,粒径、球形度、流 动性、氧含量和种类等对金属增材制造技术的设备要 求、成形稳定性、产品的组织和性能有较大影响[59] ;当 材料为线材或块材时,对于材料的形状则要求较低. 不 同金属增材制造技术的主要材料种类、材料形状与质 量要求以及材料典型制备方法如表3 所示. 表 3 不同金属增材制造技术的主要材料种类、材料形状与质量要求以及材料典型制备方法 Table 3 Material type, material shape, material quality requirements, and typical material preparation methods for different metal additive manufacturing technologies 技术名称 主要材料种类 材料形状与质量要求 材料典型制备方法 参考文献 激光选区烧结 Cu鄄鄄 SCuP、Ni鄄鄄 Sn、Fe鄄鄄 Sn、碳 钢鄄鄄尼龙 球形 粉 材, 球 形 度 > 0郾 8, 氧 体 积 分 数 < 0郾 08% ,流动性(流过 50 g 粉末所需时间) > 10 s,平均粒径 15 ~ 150 滋m 气雾化法制粉,等离子旋转电极 雾化法制粉 [60鄄鄄62] 微滴喷射 锡合金、铝合金 原料形状无特殊要求 — [14,63] 激光选区熔化 Ti鄄鄄 6Al鄄鄄 4V、AlSi10Mg、316L 不锈钢、Inconel 718、CoCrMo 球形 粉 材, 球 形 度 > 0郾 7, 氧 体 积 分 数 < 0郾 08% ,流动性 > 10 s,平均粒径 15 ~ 53 滋m 气雾化法制粉,等离子旋转电极 雾化法制粉,水雾化制粉 [2,7,64] 激光工程化净 成形 Ti鄄鄄 6Al鄄鄄 4V、 Inconel 718、 316L 不锈钢 球形粉材/ 线材,粉材平均粒径 50 ~ 200 滋m, 线材平均直径 0郾 4 ~ 2 mm — [65鄄鄄68] 金属电弧增材 制造 Ti鄄鄄6Al鄄鄄4V、铝合金、316L 不 锈钢 线材,平均直径 1 ~ 4 mm — [69鄄鄄71] 电子束选区熔 化 Ti鄄鄄 Al、Ti鄄鄄 6Al鄄鄄 4V、316L 不 锈钢、Cu 球形粉材,氧体积分数 < 0郾 08% ,平均粒径 30 ~ 106 滋m 气雾化法制粉,等离子旋转电极 雾化法制粉,氢化鄄鄄脱氢法制粉 [72鄄鄄74] 金属熔融沉积 锡合金 线材,直径 1郾 75 mm 依 0郾 02 mm — [75] 电子束熔丝沉 积 钛合金、316L 不锈钢 线材,平均直径 0郾 8 ~ 1郾 2 mm — [76] 在金属增材制造材料中,材料的种类对于金属 增材制造技术的组织和性能具有重要影响,从表 3 中可以看出,目前金属增材制造技术的典型材料包 括钛合金、镍合金、铝合金和钢铁材料等. 3郾 2 钛合金研究现状 钛合金是在金属增材制造技术中应用最为成功 的材料,金属增材制造技术制备的钛合金具有无枝 晶以及晶内结构细小等组织特征,从而使其产品的 ·163·