3    金属激光增材制造技术

激光增材制造技术已经成为航空、航天、医学等领域实现智能制造的关键技术。以激光为热源的激光增材制造可以彻底改变金属零件的传统加工方式。根据 ASTM 标准 F2792-12a 的分类和定义，它由两种主要方法组成：一种是激光粉末床熔合 (LPBF)，它具有用于沉积金属粉末的粉末床，将粉末散布在基材上；另一种方法是以粉末为原料的定向能量沉积工艺，即激光定向能量沉积（LDED），其特点是同步送粉。目前，LAM技术在航空、航天、医疗和汽车等领域的应用和发展是最快的。由于金属零件的制造是相关领域的主要关注点，因此我们重点谈一下金属的激光增材制造技术。

随着金属零件的功能性能和结构复杂性的提高，传统技术（例如铸造和锻造）制造的难度、成本和周期迅速增加。LAM技术既先进又与资源经济兼容，可为高性能和复杂结构的制造提供新的解决方案。在 LAM 的帮助下，拓扑优化结构、晶格结构、梯度材料结构和内部通道结构的制造不再难以而为。因此，人们可以打印具有结构功能一体化、减重、超高强度和韧性、耐极端工况或超强散热能力的新型结构，并在很大程度上提高结构的功能效率。美国通用电气公司的LPBF航空发动机燃油喷嘴和北航钛合金制成的LDED飞机框架，就是成功应用的典型案例。但是，从LAM技术的发展现状来看，目前真正的工业应用还不多。基础理论研究、关键技术突破、工程应用成熟度、技术发展的商业推广等是制约LAM技术产业化应用的一些因素。目前的研究主要集中在性能控制方面，孔隙率、开裂、显微组织特征、各向异性等基础研究受到较多关注。相反，有关形状控制、质量检验、产品标准等方面的研究报告稀缺，这也预示着金属的LAM正处于从技术发展到工业应用的过渡阶段。

LAM是基于数据模型的切片，通过增量沉积，即逐层实现金属零件的近净成形制造。由于LAM特别适用于形状复杂的零件、具有梯度材料和性质的结构的零件、复合材料零件和难加工材料零件的制造，因此在航空航天等先进制造领域受到广泛青睐。一方面，这些领域的相关零件形状复杂多变，对材料性能要求高，通常加工性差，成本高；另一方面，为实现性能复杂、寿命长、可靠性高、成本低，新型飞行器迫切需要采用大型复杂的集成结构。

3.1  激光粉末床熔合

激光粉末床熔合 (Laser Powder Bed Fusion，LPBF) 也称选择性激光熔化 (SLM)。LPBF是一种采用快速成形原理的增材制造技术，即先在计算机上通过软件设计实体模型的三维部分，然后对数据进行切片，通过专用软件得到三维模型各截面的轮廓数据。数据被导入快速成形设备，然后控制激光束选择性地熔化每一层的金属粉末，并根据这些轮廓数据逐渐堆叠成三维金属零件。激光束快速熔化金属粉末，获得连续熔合通道，可制造几乎任何形状且冶金结合完整、高精度致密的金属零件，LPBF的工艺流程如图8所示。