李昂等：金属增材制造技术的关键因素及发展方向 ·167· 此，在这些技术中，保证原料能够熔化的基础上适当降 4.4工艺参数对精度的影响 低热源功率或增加扫描速度有利于减少孔洞的形成。 扫描策略、扫描速度、热源功率等工艺参数能够 而在微滴喷射技术以及金属熔融沉积技术等热 直接影响成形过程中的能量密度，当能量密度较高 源能量密度较低且热源不直接熔化基层的技术中， 时，金属熔体的流动时间较长，不利于产品精度的提 孔洞主要由金属熔体对基层重熔不充分和金属熔体 高9-12].Xiong等2]在金属电弧增材制造技术中 流动填充能力不足形成的5].因此，在保证成形 发现增大扫描速度或者减小送丝速度均能够降低产 精度的基础上，适当提高金属熔体温度或基板预热 品的层高和表面粗糙度，从而提高产品的精度，如 温度有利于减少孔洞的形成 图11所示. 0.20 a 2.2 1.9 ·一表面粗糙度 020 ·一表面粗糙度 0.18 ·一层高 ·一层高 2.0 0.18 1.8 送丝速度3.73m·minl 扫描速度：0.3m·min1 层间温度：120℃ 层间温度：120℃ 1.7 赵0.16 1,8 且0.16叶 据0.14 0.14 1.65 012 1.5 0.12 44 0.10 11.4 0.91 02 030.4 0.5 062 00520253035404550533 扫描速度mmin) 送丝速度/m·min-) 图11工艺参数对表面粗糙度及层高的形响[2].(a)扫描速度；(b)送丝速度 Fig.11 Effect of process parameters on surface roughness and layer height():(a)travel speed;(b)wire feed speed 4.5工艺参数对组织的影响 在金属增材制造技术中，高能量密度热源和高 金属增材制造工艺参数能够显著影响成形过程 形状要求粉材是导致设备和材料成本较高的主要原 中的温度场变化，从而对产品的组织具有显著影 因，因此拓展热源种类、开发粉材制备新技术和降低 响[5,22-2】.左寒松[]在微滴喷射技术中发现喷射 材料形状要求能够有效降低设备和材料成本，扩大 频率越高，热累积效应越明显，微观组织粗化和成分 金属增材制造技术的应用领域. 偏析越严重，如图12所示 (2)扩大产品成形尺寸范围. 产品的成形尺寸范围主要由热源或基板的运动 5金属增材制造技术存在的问题和发展方向 方式以及线宽和层厚等特征尺寸决定，因此开发多 金属增材制造技术在近些年得到了迅猛的发 激光器、多振镜成形系统，开发高精度多轴机械运动 展，其中商业化程度较高的激光选区熔化技术和激 系统，增大有效特征尺寸范围是生产尺寸超大或超 光工程化净成形技术的部分产品已经成功应用在航 微产品的关键 空航天、生物医用和汽车制造等领域.但是相比于 (3)提高产品精度和成形效率. 传统的金属减材或等材制造技术，金属增材制造技 产品的精度和成形效率主要由线宽和层厚等特 术仍然处于成长阶段，在设备、材料和工艺方面还存 征尺寸决定，通常情况下，二者相互矛盾，难以同时 在以下问题： 兼顾.在采用较大特征尺寸进行成形的过程中，引 (1)在设备方面存在成本高、产品成形尺寸受 入传统减材制造技术对产品精度进行控制，或针对 限、成形效率低等问题： 产品的精度和成形效率要求开发新的扫描策略是提 (2)在材料方面存在生产成本高、适用性差等 高产品精度和成形效率的重要手段， 问题； (4)拓展材料种类和适用范围. (3)在工艺方面存在工艺参数匹配困难、热积 目前应用于金属增材制造技术的材料体系相对 累严重等问题. 较少，需针对金属增材制造特有的传质传热特点，开 针对以上问题，金属增材制造技术主要有以下 发金属增材制造专用材料体系，并结合离散堆积的 几个发展方向： 成形特点开发新型梯度材料，拓展材料种类和适用 (1)降低设备和材料成本. 范围.李 昂等: 金属增材制造技术的关键因素及发展方向 此,在这些技术中,保证原料能够熔化的基础上适当降 低热源功率或增加扫描速度有利于减少孔洞的形成. 而在微滴喷射技术以及金属熔融沉积技术等热 源能量密度较低且热源不直接熔化基层的技术中, 孔洞主要由金属熔体对基层重熔不充分和金属熔体 流动填充能力不足形成的[95,118] . 因此,在保证成形 精度的基础上,适当提高金属熔体温度或基板预热 温度有利于减少孔洞的形成. 4郾 4 工艺参数对精度的影响 扫描策略、扫描速度、热源功率等工艺参数能够 直接影响成形过程中的能量密度,当能量密度较高 时,金属熔体的流动时间较长,不利于产品精度的提 高[119鄄鄄121] . Xiong 等[121]在金属电弧增材制造技术中 发现增大扫描速度或者减小送丝速度均能够降低产 品的层高和表面粗糙度,从而提高产品的精度,如 图 11所示. 图 11 工艺参数对表面粗糙度及层高的影响[121] 郾 (a) 扫描速度; (b) 送丝速度 Fig. 11 Effect of process parameters on surface roughness and layer height [121] : (a) travel speed; (b) wire feed speed 4郾 5 工艺参数对组织的影响 金属增材制造工艺参数能够显著影响成形过程 中的温度场变化,从而对产品的组织具有显著影 响[95, 122鄄鄄125] . 左寒松[95]在微滴喷射技术中发现喷射 频率越高,热累积效应越明显,微观组织粗化和成分 偏析越严重,如图 12 所示. 5 金属增材制造技术存在的问题和发展方向 金属增材制造技术在近些年得到了迅猛的发 展,其中商业化程度较高的激光选区熔化技术和激 光工程化净成形技术的部分产品已经成功应用在航 空航天、生物医用和汽车制造等领域. 但是相比于 传统的金属减材或等材制造技术,金属增材制造技 术仍然处于成长阶段,在设备、材料和工艺方面还存 在以下问题: (1)在设备方面存在成本高、产品成形尺寸受 限、成形效率低等问题; (2)在材料方面存在生产成本高、适用性差等 问题; (3)在工艺方面存在工艺参数匹配困难、热积 累严重等问题. 针对以上问题,金属增材制造技术主要有以下 几个发展方向: (1)降低设备和材料成本. 在金属增材制造技术中,高能量密度热源和高 形状要求粉材是导致设备和材料成本较高的主要原 因,因此拓展热源种类、开发粉材制备新技术和降低 材料形状要求能够有效降低设备和材料成本,扩大 金属增材制造技术的应用领域. (2)扩大产品成形尺寸范围. 产品的成形尺寸范围主要由热源或基板的运动 方式以及线宽和层厚等特征尺寸决定,因此开发多 激光器、多振镜成形系统,开发高精度多轴机械运动 系统,增大有效特征尺寸范围是生产尺寸超大或超 微产品的关键. (3)提高产品精度和成形效率. 产品的精度和成形效率主要由线宽和层厚等特 征尺寸决定,通常情况下,二者相互矛盾,难以同时 兼顾. 在采用较大特征尺寸进行成形的过程中,引 入传统减材制造技术对产品精度进行控制,或针对 产品的精度和成形效率要求开发新的扫描策略是提 高产品精度和成形效率的重要手段. (4)拓展材料种类和适用范围. 目前应用于金属增材制造技术的材料体系相对 较少,需针对金属增材制造特有的传质传热特点,开 发金属增材制造专用材料体系,并结合离散堆积的 成形特点开发新型梯度材料,拓展材料种类和适用 范围. ·167·