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來源：中國工程院院刊

作者：郭紹慶，劉偉，黃帥，向巧

編者按：隨著金屬零件使用性能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的提高，采用鑄造、鍛造等傳統(tǒng)工藝實施制造的難度、成本和周期迅速增加。而兼具技術(shù)******性和資源經(jīng)濟(jì)性的激光增材制造（LAM）技術(shù)為高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造提供了新型解決方案。LAM技術(shù)屬于以激光為能量源的增材制造技術(shù)，能夠徹底改變傳統(tǒng)金屬零件的加工模式，是支撐航空、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域智能制造的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。

近期，中國工程院向巧院士科研團(tuán)隊在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》撰文，系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外金屬LAM技術(shù)研究和應(yīng)用的現(xiàn)狀與趨勢，分析了我國技術(shù)發(fā)展面臨的差距，針對性提出我國LAM技術(shù)發(fā)展策略，以期為******科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略、2035年領(lǐng)域發(fā)展目標(biāo)的制定提供支持。文章指出，金屬LAM技術(shù)的關(guān)注點仍為組織性能調(diào)控，但形狀控制研究相對缺乏；為滿足高質(zhì)量制造的亟需，相關(guān)設(shè)備的過程監(jiān)控功能獲得高度重視；為提升高價值零件的制造能力與效率，增減材復(fù)合加工設(shè)備成為新增研發(fā)熱點；金屬激光增材制造產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，需要實施包括材料、工藝、設(shè)備、驗證、標(biāo)準(zhǔn)、人員培訓(xùn)在內(nèi)的全產(chǎn)業(yè)鏈整合。文章建議，在夯實研究基礎(chǔ)的同時，充分發(fā)揮材料基因組技術(shù)的作用，加強(qiáng)核心器件自主研發(fā)和裝備集成的技術(shù)研究，穩(wěn)步推進(jìn)金屬LAM技術(shù)的工程化普及應(yīng)用。

激光增材制造（LAM）屬于以激光為能量源的增材制造技術(shù)，能夠徹底改變傳統(tǒng)金屬零件的加工模式，主要分為以粉床鋪粉為技術(shù)特征的激光選區(qū)熔化（SLM）、以同步送粉為技術(shù)特征的激光直接沉積（LDMD）。目前LAM技術(shù)在航空、航天和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展***為迅速。鑒于相關(guān)領(lǐng)域主要涉及金屬結(jié)構(gòu)制造，本文重點開展金屬LAM技術(shù)的發(fā)展研究。

隨著金屬零件使用性能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的提高，采用鑄造、鍛造等傳統(tǒng)工藝實施制造的難度、成本和周期迅速增加，而兼具技術(shù)******性和資源經(jīng)濟(jì)性的LAM技術(shù)為高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造提供了新型解決方案：實現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、點陣結(jié)構(gòu)、梯度材料結(jié)構(gòu)、復(fù)雜內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)等不再困難，結(jié)構(gòu)功能一體化、輕量化、******韌、耐極端載荷、******散熱等新型結(jié)構(gòu)得以應(yīng)用，相應(yīng)結(jié)構(gòu)效能大幅提高。例如，美國通用電氣公司（GE）SLM航空發(fā)動機(jī)燃油噴嘴、北京航空航天大學(xué)LDMD飛機(jī)鈦合金框是典型應(yīng)用案例。

從當(dāng)前國內(nèi)外金屬LAM技術(shù)的發(fā)展情況來看，真正走向產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)方向還屬少數(shù)，這是因為基礎(chǔ)理論積淀、關(guān)鍵技術(shù)突破、工程化應(yīng)用技術(shù)成熟度、技術(shù)研發(fā)商業(yè)化推廣等方面在不同程度上制約了LAM技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前國內(nèi)外研究主要集中在控性研究，側(cè)重孔隙率、裂紋、組織特征、各向異性等基礎(chǔ)研究。有關(guān)控形、檢測、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等偏向產(chǎn)品研發(fā)的研究報道較少，這也表明金屬LAM整體上處于從技術(shù)研究向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用過渡的發(fā)展階段。

本文通過文獻(xiàn)、現(xiàn)場和問卷調(diào)研，對金屬 LAM 領(lǐng)域研究與應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行系統(tǒng)梳理，分析國內(nèi)與國外、理論研究與應(yīng)用需求的差距，提出產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用涉及的核心關(guān)鍵技術(shù)和瓶頸工藝，以期推動我國金屬 LAM 技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的發(fā)展。

LAM基于數(shù)模切片，通過逐層堆積來實現(xiàn)金屬零件的近凈成形制造，尤其適合復(fù)雜形狀零件、梯度材質(zhì)與性能構(gòu)件、復(fù)合材料零件和難加工材料零件的制造，在航空航天等******制造方向備受青睞。一方面，相關(guān)零件外形復(fù)雜多變、材料性能要求高、難以加工且成本較高；另一方面，新型飛行器朝著高性能、長壽命、高可靠性、低成本的方向發(fā)展，采用復(fù)雜、大型化的整體結(jié)構(gòu)成為設(shè)計亟需。

SLM成形的零件精度較高，但零件尺寸受加工室限制，故SLM主要用于小尺寸或中等尺寸的復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)******成形，相應(yīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的功能屬性一般大于承載屬性。為了滿足總體性能需求，航空發(fā)動機(jī)的燃油噴嘴（具有復(fù)雜的內(nèi)部油路、氣路和型腔）、軸承座、控制殼體、葉片，飛機(jī)艙門支座、鉸鏈，輔助動力艙格柵結(jié)構(gòu)進(jìn)氣門、排氣門，衛(wèi)星支架等零件，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，成為SLM技術(shù)的適宜應(yīng)用對象。

LDMD成形的零件力學(xué)性能好，但尺寸精度相對不高，主要用于中等尺寸或大尺寸復(fù)雜承力結(jié)構(gòu)的制造，相應(yīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的承載屬性一般大于功能屬性。航空發(fā)動機(jī)各類機(jī)匣、壓氣機(jī)/渦輪整體葉盤等結(jié)構(gòu)，形狀較為復(fù)雜，為了提高效能甚至需采用異種或功能梯度材料結(jié)構(gòu)。為了兼顧質(zhì)量減輕和承載效能提升，飛機(jī)接頭、起落架、承力框、滑輪架，高速飛行器機(jī)翼/空氣舵的格柵結(jié)構(gòu)承載骨架等承力構(gòu)件，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。這類結(jié)構(gòu)突出的復(fù)雜性和制造難度，對LDMD技術(shù)提出了明確需求。

此外，飛機(jī)、發(fā)動機(jī)的某些帶有局部凸臺、耳片等特殊結(jié)構(gòu)的承力構(gòu)件，采用鍛造工藝將難以保證局部構(gòu)型和性能；大型飛機(jī)的超大規(guī)格鈦合金承力框已經(jīng)超出現(xiàn)有鍛造設(shè)備的加工能力上限。這對鍛造+增材制造/增材連接的復(fù)合制造技術(shù)提出了明確需求。

（一）技術(shù)研究現(xiàn)狀

1. 激光選區(qū)熔化技術(shù)

相關(guān)企業(yè)采用真空感應(yīng)氣霧化（VIGA）、無坩堝電極感應(yīng)熔化氣體霧化（EIGA）、等離子旋轉(zhuǎn)霧化（PREP）、等離子火炬（PA）等方法制備SLM用粉末，具有批量供貨能力，占據(jù)了全球主要市場。

LAM工藝研究的關(guān)注點主要是組織性能調(diào)控，完成了較多有關(guān)SLM組織、缺陷、性能及其與工藝參數(shù)的關(guān)系研究。例如，對于不銹鋼零件SLM，增加激光功率、降低掃描速度均有利于提高致密度；高的表面粗糙度和孔隙率都會降低AlSi10Mg鋁合金SLM的耐腐蝕性能，而形成的氧化膜可提高耐腐蝕性能；AW7075鋁合金SLM試樣內(nèi)部產(chǎn)生垂直于增材方向的裂紋，而預(yù)熱鋁粉對裂紋控制無改善作用，內(nèi)部裂紋導(dǎo)致疲勞壽命遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)工藝。

能量密度對Ti-6Al-4V鈦合金的SLM組織和缺陷存在明顯的影響：低能量密度造成片層狀的α+β相組織，容易引發(fā)氣孔和熔合不良現(xiàn)象；高能量密度造成針狀馬氏體α′組織，促進(jìn)鋁元素偏聚和α2-Ti3Al相形成；沉積態(tài)Ti-6Al-4V合金疲勞強(qiáng)度比鍛件降低約80%；熱等靜壓可降低孔隙率并改善性能。對于CMSX486單晶合金SLM，低能量密度減少裂紋，高能量密度降低孔隙率。CM247LC合金SLM縱截面主要由柱狀γ晶粒組成，Hf、Ta、W、Ti偏聚增加了沉淀物和殘余應(yīng)力，造成零件內(nèi)部開裂。IN738LC高溫合金SLM的微裂紋與Zr在晶界處富集偏析有關(guān)。適量添加Re可以細(xì)化IN718合金的樹枝狀晶，但過量的Re對疲勞強(qiáng)度不利。SLM的Hastelloy-X合金經(jīng)熱處理形成等軸晶，屈服強(qiáng)度降低；經(jīng)熱等靜壓后抗拉強(qiáng)度恢復(fù)沉積態(tài)水平，延伸率可提高15%。

對于金屬 LAM 工藝，國外開展了較多精細(xì)的研究。據(jù)了解，德國設(shè)備商針對一種新材料進(jìn)行 SLM工藝開發(fā)，需耗時 6~8個月，調(diào)整參數(shù)達(dá)70余個。通過拓?fù)鋬?yōu)化來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計也是SLM 應(yīng)用研究的重點，國外對應(yīng)提出了設(shè)計引導(dǎo)制造、功能性優(yōu)先等新理念。還發(fā)展了特殊支撐設(shè)計技術(shù)，使得制件與基板分離無需線切割，有效縮短了取件周期。

此外，金屬LAM標(biāo)準(zhǔn)研究和制定工作一直與技術(shù)應(yīng)用同步發(fā)展。2002年，美國發(fā)布了《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產(chǎn)品》，隨后陸續(xù)頒布了19項相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋產(chǎn)品退火和熱等靜壓制度、時效制度，制造過程消除應(yīng)力退火制度等諸多方面。標(biāo)準(zhǔn)的及時形成對LAM技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)揮了基礎(chǔ)支撐作用。

2. 激光直接沉積技術(shù)

1995年，美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)、MTS系統(tǒng)公司共同開發(fā)了基于大功率CO2激光器的大尺寸鈦合金零件LDMD技術(shù)，沉積速率為1~2 kg/h，促成LDMD零件在飛機(jī)上的應(yīng)用。

LDMD技術(shù)研究主要包括成形工藝和組織性能。美國桑地亞******實驗室和洛斯·阿拉莫斯******實驗室制備的LDMD成形零件，其力學(xué)性能接近甚至超過傳統(tǒng)鍛造零件。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究了單晶葉片LDMD修復(fù)過程的穩(wěn)定性、零件精度、組織、力學(xué)性能與工藝參數(shù)的關(guān)系，形成的修復(fù)技術(shù)已獲得工程應(yīng)用。

國外學(xué)者針對Ti-6Al-4V合金的LDMD技術(shù)進(jìn)行了深入研究，揭示了工藝參數(shù)和增材制造組織、力學(xué)性能之間的聯(lián)系，闡明了工藝調(diào)整和熱等靜壓對組織、性能的調(diào)整作用。LDMD技術(shù)為材料顯微組織控制提供了較大的自由度：通過調(diào)節(jié)鎳基高溫合金LDMD形核與生長條件得到了符合預(yù)期的單晶與多晶組織；美國******航空航天局（NASA）發(fā)展的混合沉積多種金屬于同一結(jié)構(gòu)的LDMD技術(shù)，可使零件性能隨部位不同而變化。德國企業(yè)將LAM技術(shù)與傳統(tǒng)切削加工方法進(jìn)行整合，可加工出傳統(tǒng)工藝難以制造的復(fù)雜形狀零件，且產(chǎn)品精度提高、表面粗糙度改善。

（二）設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

LAM技術(shù)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)是經(jīng)濟(jì)高效的LAM設(shè)備。SLM設(shè)備研制集中在德國、法國、英國、日本、比利時等******，LDMD設(shè)備研制******主要有美國和德國等。

1.激光選區(qū)熔化設(shè)備

德國是SLM技術(shù)及設(shè)備研究起步***早的******，EOS公司推出的SLM設(shè)備具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，相關(guān)設(shè)備應(yīng)用于GE公司LEAP航空發(fā)動機(jī)燃油噴嘴的加工制造，通過監(jiān)控增材制造過程來進(jìn)一步提高制造產(chǎn)品的質(zhì)量；Realizer GmbH公司的全方位設(shè)計、零件堆疊技術(shù)方案別具特色；Concept Laser公司的設(shè)備以構(gòu)建尺寸大見長；SLM Solutions公司的激光技術(shù)和氣流管理技術(shù)處于領(lǐng)先位置。美國3D Systems公司依靠其專用粉末沉積系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，可以成形精密的細(xì)節(jié)特征。英國 Renishaw PLC公司在材料使用靈活性、更換便捷性方面具有技術(shù)特色。

2. 激光直接沉積設(shè)備

美國EFESTO公司在大尺寸金屬LAM方面具有技術(shù)優(yōu)勢，所研制的LDMD設(shè)備工作室尺寸可達(dá) 1500 mm×1500 mm×2100 mm。美國Optomec公司推出的LDMD設(shè)備具有900 mm×1500 mm×900 mm的工作室空間，配置了5軸移動工作臺，***大成形速度為1.5 kg/h。德國企業(yè)提供的激光綜合加工系統(tǒng)也是主流的LDMD設(shè)備。

近年來，增減材復(fù)合加工設(shè)備成為市場新熱點。日本DMG公司推出了配有2 kW激光器、輔以5軸聯(lián)動數(shù)控銑床的LDMD設(shè)備，成形速度較普通粉床提高20倍，可在制造過程中銑削***終零件的不可達(dá)部位。日本Mazak公司推出的相關(guān)設(shè)備能夠進(jìn)行5軸車銑復(fù)合加工，使用對象包括多棱體鍛件或鑄件、回轉(zhuǎn)體零件和復(fù)雜異形零件。

（三）應(yīng)用狀況

鈦合金LAM在航空領(lǐng)域取得重要應(yīng)用。美國率先將LDMD鈦合金承力零件用于艦載殲擊機(jī)；Carpenter技術(shù)公司采用高強(qiáng)度的定制不銹鋼進(jìn)行增材制造，生產(chǎn)******的航空齒輪；F-22飛機(jī)維修采用了SLM耐蝕支架，使得維修時間顯著縮短。英國成功將LDMD技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)的整體框架制造。

SLM技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)的復(fù)雜零件制造方面獲得廣泛應(yīng)用。美國GE公司率先將SLM技術(shù)應(yīng)用于高壓壓氣機(jī)的溫度傳感器外殼生產(chǎn)，產(chǎn)品獲得美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）批準(zhǔn)，配裝了超過400臺GE90-40B航空發(fā)動機(jī)。GE公司LEAP系列航空發(fā)動機(jī)的燃油噴嘴同樣采用SLM技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)（2020年具備44 000 個/年的生產(chǎn)能力）。美國普惠公司采用SLM技術(shù)生產(chǎn)管道鏡套筒，配裝了PW1100G-JM航空發(fā)動機(jī)。英國羅羅公司采用SLM制造了遄達(dá)XWB-97航空發(fā)動機(jī)的鈦合金前軸承組件（包含48個翼型導(dǎo)葉）。

2012年起，LAM技術(shù)獲得了航天飛行器制造方面的應(yīng)用。NASA采用LAM技術(shù)制造RS-25火箭發(fā)動機(jī)的彎曲接頭，在零件、焊縫、機(jī)械加工工序的數(shù)量方面相比傳統(tǒng)方法下降了約60%；若氫氧火箭發(fā)動機(jī)采用整體化設(shè)計和制造方法，零件總數(shù)將下降80%。法國泰雷茲集團(tuán)采用SLM技術(shù)制造了Koreasat5A、Koreasat7通信衛(wèi)星的測控天線支撐零件（鋁合金），降低質(zhì)量約22%，節(jié)省經(jīng)費(fèi)約30%。

LAM技術(shù)的推廣應(yīng)用，加速了航空航天飛行器的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計。歐洲Astrium公司Eurostar E3000衛(wèi)星平臺的遙測/遙控天線鋁合金安裝支架，采用LAM進(jìn)行整體制造后降低質(zhì)量約35%、提高結(jié)構(gòu)剛度約40%。美國Cobra Aero公司與英國Renishaw PLC公司合作，完成了具有復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)整體部件LAM制造。此外，增減材復(fù)合加工技術(shù)開始走向應(yīng)用。維珍軌道公司（Virgin Orbit）使用增減材混合機(jī)床進(jìn)行火箭發(fā)動機(jī)燃燒室零件制造與精加工，2019年完成了24次發(fā)動機(jī)測試運(yùn)行。

（四）發(fā)展經(jīng)驗與啟示

回顧國際上金屬LAM技術(shù)的發(fā)展過程，以產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)恳夹g(shù)研究和設(shè)備開發(fā)，通過產(chǎn)業(yè)鏈整合提高市場競爭力是重要的經(jīng)驗。應(yīng)用企業(yè)關(guān)注自身產(chǎn)品的制造質(zhì)量和生產(chǎn)成本，作為技術(shù)發(fā)展的主體和***大受益者，由其來整合材料、工藝、設(shè)備、驗證、標(biāo)準(zhǔn)研究和人員培訓(xùn)，可以更加高效地推動LAM產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，美國GE公司LAM產(chǎn)業(yè)應(yīng)用居于************地位，主要?dú)w因于產(chǎn)業(yè)鏈整合策略，收購了制造質(zhì)量控制公司和增材制造設(shè)備公司以加強(qiáng)LAM產(chǎn)業(yè)鏈條的完整性；產(chǎn)品制造利用了遍布全球的300多臺工業(yè)級制造設(shè)備。國外企業(yè)注重LAM產(chǎn)品制造方面的人員培訓(xùn)，如GE公司設(shè)有增材制造培訓(xùn)中心，配置專門設(shè)備，每年可培訓(xùn)數(shù)百名工程師。

（一）發(fā)展現(xiàn)狀

1. 金屬LAM技術(shù)

國內(nèi)圍繞LDMD組織、缺陷、應(yīng)力變形控制等完成了較多的研究工作。北京航空航天大學(xué)發(fā)展了鈦合金大型結(jié)構(gòu)件LDMD內(nèi)部缺陷和質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)。西北工業(yè)大學(xué)完成了飛機(jī)超大尺寸鈦合金緣條的LDMD制造，成形精度和變形控制達(dá)到較高水平。沈陽航空航天大學(xué)提出分區(qū)掃描成形方法，有效控制了LDMD過程零件變形和開裂。有研工程技術(shù)研究院有限公司突破了葉盤和進(jìn)氣道的TC11、TA15/Ti2AlNb異種材料界面質(zhì)量控制及復(fù)雜外形一體化控制難題，產(chǎn)品通過試驗考核。

國內(nèi)針對SLM技術(shù)方向重點開展了形狀尺寸、表面粗糙度******控制等研究。西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司采用SLM方法加工的流道類零件***小孔徑約為0.3 mm，薄壁零件的***小壁厚約為0.2 mm；零件整體尺寸精度達(dá)到±0.2 mm，粗糙度Ra不大于3.2 μm。南京航空航天大學(xué)以SLM精密制造為主線，通過全流程控制來提升零件綜合性能。西安交通大學(xué)將LAM應(yīng)用于空心渦輪葉片、航天推進(jìn)器、汽車零件等的制造。

中國航發(fā)北京航空材料研究院完成了LAM技術(shù)綜合研究：LDMD制造的鎳基雙合金渦輪整體葉盤通過超轉(zhuǎn)試驗考核，增材修復(fù)的伊爾-76飛機(jī)起落架獲得批量應(yīng)用；研制了LAM超聲掃查與評價系統(tǒng)，建立了檢測標(biāo)準(zhǔn)與對比試塊，評價和無損檢測技術(shù)成果應(yīng)用于飛機(jī)滑輪架、框架等裝機(jī)零件的批量檢測。

在SLM粉末方面，國內(nèi)產(chǎn)品基本滿足成形工藝要求。中國科學(xué)院金屬研究所突破了SLM用超細(xì)鈦合金和高溫合金粉末的潔凈化制備技術(shù)，性能達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品水平。西安歐中材料科技有限公司研制的鈦合金和高溫合金粉末產(chǎn)品獲得工程應(yīng)用。

2.金屬LAM設(shè)備

國內(nèi)的LDMD和SLM設(shè)備研發(fā)能力相對較強(qiáng)，獲得一定份額的市場應(yīng)用。西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司自主開發(fā)了SLM系列裝備、激光高性能修復(fù)系列裝備。南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司研制了自動變焦同軸送粉噴頭、長程送粉器、高效惰性氣體循環(huán)凈化箱體等核心器件，形成了金屬LDMD系列化裝備。此外，北京易加三維科技有限公司、北京星航機(jī)電裝備有限公司在工業(yè)級和小型金屬SLM設(shè)備小批量生產(chǎn)，上海航天設(shè)備制造總廠有限公司在標(biāo)準(zhǔn)型和大幅面SLM設(shè)備和機(jī)器人型LDMD設(shè)備研制等方面均取得了良好進(jìn)展。

3.金屬LAM應(yīng)用

LDMD主要應(yīng)用于承力結(jié)構(gòu)制造。北京航空航天大學(xué)制造的主承力框、主起落架等部件獲得了航空航天飛行器、燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)等裝備應(yīng)用。航空工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所通過工程化應(yīng)用驗證來促進(jìn)LDMD技術(shù)成熟度提升，實現(xiàn)了8種金屬材料、10類結(jié)構(gòu)件的飛行器應(yīng)用。航空工業(yè)******飛機(jī)設(shè)計研究院實現(xiàn)了大型飛機(jī)外主襟翼滑輪架、尾翼方向舵支臂LDMD零件的裝機(jī)應(yīng)用。北京機(jī)電工程研究所實現(xiàn)了大尺寸薄壁骨架艙段結(jié)構(gòu)的LDMD制造及應(yīng)用。

SLM主要應(yīng)用于復(fù)雜形狀零件制造。在航空領(lǐng)域，中國航空制造技術(shù)研究院實現(xiàn)了SLM產(chǎn)品裝機(jī)應(yīng)用；航空工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計研究所在飛機(jī)上使用了SLM輔助動力艙格柵結(jié)構(gòu)進(jìn)/排氣門；航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計研究所在通風(fēng)格柵結(jié)構(gòu)、淋雨密封結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣道多腔體結(jié)構(gòu)等方面實現(xiàn)了SLM零件裝機(jī)應(yīng)用。在航天領(lǐng)域，上海航天設(shè)備制造總廠有限公司的貯箱間斷支架、空間散熱器、導(dǎo)引裝置等SLM產(chǎn)品獲得裝機(jī)應(yīng)用；北京星航機(jī)電裝備有限公司的艙段類結(jié)構(gòu)件、操縱面等SLM產(chǎn)品通過地面試驗及飛行試驗驗證；北京機(jī)電工程研究所實現(xiàn)了小型復(fù)雜零件的SLM制造，操縱面、支架等產(chǎn)品的技術(shù)成熟度達(dá)到5級；鑫精合激光科技發(fā)展（北京）有限公司應(yīng)用SLM制造了大尺寸薄壁鈦合金點陣夾層結(jié)構(gòu)件（集熱窗框），滿足了深空探測飛行器的嚴(yán)格技術(shù)要求。

此外，西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司利用SLM技術(shù)，每年可為航空航天領(lǐng)域提供8000余件零件；華中科技大學(xué)通過增減材復(fù)合加工方式制造了具有隨形冷卻水道的梯度材料模具，獲得了較多的行業(yè)應(yīng)用。

（二）面臨的差距

1. 金屬LAM材料設(shè)計和制備技術(shù)存在差距

國內(nèi)LAM專用材料的設(shè)計理論和方法體系尚顯薄弱，專用材料設(shè)計工作少而分散。材料基因組技術(shù)縮短研發(fā)周期并降低研發(fā)成本，在國外相關(guān)材料設(shè)計方面取得了成功應(yīng)用。國內(nèi)在材料基因組技術(shù)的研究以及用于提高LAM專用材料性能等方面的基礎(chǔ)較為薄弱。

在粉末制備方面，國內(nèi)真空氬氣霧化制粉技術(shù)相對成熟，制備的不銹鋼、鎳基合金類粉末性能基本滿足成形工藝要求。但在鈦合金、鋁合金超細(xì)粉末制備方面存在不小差距，主要問題是粉末球形度差、細(xì)粉收得率低，不能滿足 SLM 成形要求，使得實際應(yīng)用仍依賴進(jìn)口。

2. 金屬LAM裝備設(shè)計和制造技術(shù)存在差距

我國與美國、德國等LAM技術(shù)強(qiáng)國的差距主要在于工藝裝備。國內(nèi)應(yīng)用的SLM設(shè)備較多依賴德國進(jìn)口，而大尺寸工程應(yīng)用的SLM設(shè)備主要依靠進(jìn)口。國內(nèi)企業(yè)在激光器、振鏡等核心部件方面缺乏自研能力，國產(chǎn)設(shè)備的加工尺寸、穩(wěn)定性、加工精度亟待提升，有關(guān)粉末流態(tài)、熔池狀態(tài)等過程監(jiān)控與成形的國產(chǎn)控制軟件不夠完善。

3.金屬LAM工藝研究不足

隨著渦輪發(fā)動機(jī)、飛機(jī)等重要裝備用材的使用性能不斷提高，材料工藝性出現(xiàn)了下降。國內(nèi)對航空主干材料的LAM工藝研究不足，未能形成應(yīng)力變形、開裂控制等有效方法，制件內(nèi)部組織缺陷的問題尚未得到根治，制件力學(xué)性能均勻一致性、批次穩(wěn)定性欠佳。而******航空發(fā)動機(jī)、高速飛行器所需的超高溫結(jié)構(gòu)材料的LAM工藝研究更為欠缺。

4.產(chǎn)品尺寸精度和表面粗糙度不滿足技術(shù)要求

LDMD飛機(jī)結(jié)構(gòu)件一般留有加工余量，尺寸精度和表面粗糙度不一定是關(guān)鍵制約因素。然而渦輪發(fā)動機(jī)零件多為帶內(nèi)部流道、空腔的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，相應(yīng)SLM成形尺寸精度約為0.1 mm、表面粗糙度Ra約為6.3，尚與精密鑄件存在差距。相關(guān)產(chǎn)品還面臨著成形、內(nèi)表面加工等技術(shù)研究不足的問題。

5.金屬LAM的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)欠缺

現(xiàn)階段我國LAM行業(yè)面臨的共性問題是缺少質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，使得在金屬LAM產(chǎn)品的設(shè)計、材料、工藝、檢測、組織性能、尺寸精度等方面缺乏驗收依據(jù)。作為零件應(yīng)用基礎(chǔ)的無損檢測、力學(xué)性能、冶金圖譜等基本數(shù)據(jù)，由于缺乏整理而致使產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制定困難、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣保障不足。

1.激光加工頭等核心器件的設(shè)計制造

開展具有自主知識產(chǎn)權(quán)核心器件研制，重點在于提高處理器、存儲器、工業(yè)控制器、高精度傳感器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器等基礎(chǔ)器件質(zhì)量性能，開展工藝裝備核心器件、關(guān)鍵部件的設(shè)計與制造；研發(fā)高光束質(zhì)量激光器及光束整形系統(tǒng)，大功率激光掃描振鏡、動態(tài)聚焦鏡等精密光學(xué)器件，高精度噴嘴加工頭等核心部件。

2.掃描策略、參數(shù)規(guī)劃及在線監(jiān)控

突破數(shù)據(jù)設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、工藝庫、工藝分析及工藝智能規(guī)劃、在線檢測與監(jiān)測系統(tǒng)、成形過程自適應(yīng)智能控制等方面的軟件技術(shù)，構(gòu)建具有自主知識產(chǎn)權(quán)的LAM核心支撐軟件體系。

3.基于材料基因組的LAM材料設(shè)計優(yōu)選

發(fā)展遠(yuǎn)離平衡條件的專用材料高通量技術(shù)模型，開發(fā)適用于高通量計算的多尺度模擬算法。研究成分和組織結(jié)構(gòu)微區(qū)可控的粉體材料制備技術(shù)，通過高通量實驗來建立材料基因數(shù)據(jù)庫。通過高通量計算、實驗、數(shù)據(jù)庫的協(xié)同，快速研發(fā)具有優(yōu)異性能的LAM專用材料。

4.主干材料典型結(jié)構(gòu)LAM控性與控形

針對若干關(guān)鍵材料及典型零件，開展LAM控性、控形共性關(guān)鍵技術(shù)、零件工程化應(yīng)用的研究。掌握零件生產(chǎn)制造過程中影響***終質(zhì)量的因素和解決措施，形成工程可用的LAM技術(shù)體系，涉及原材料控制、工藝設(shè)備、成形工藝、熱處理、機(jī)械加工、表面處理、無損檢測和驗證試驗等。重視LAM零件的均勻一致性和批次穩(wěn)定性，契合工程實際應(yīng)用需求。

為了在金屬LAM技術(shù)及其工程應(yīng)用方面迎頭趕上，我國LAM的發(fā)展應(yīng)遵循技術(shù)–產(chǎn)品–產(chǎn)業(yè)的客觀規(guī)律，夯實組織性能控制技術(shù)基礎(chǔ)，補(bǔ)齊核心設(shè)備在硬件/軟件研發(fā)與集成方面的短板，強(qiáng)化產(chǎn)品質(zhì)量控制、標(biāo)準(zhǔn)和驗證，穩(wěn)步推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

（1）夯實激光增材制造研究基礎(chǔ)，發(fā)揮高等院校和科研院所的技術(shù)探索與攻關(guān)能力。由工業(yè)部門或應(yīng)用單位牽頭開展產(chǎn)品LAM工藝開發(fā)和性能驗證，本著先易后難原則，由常規(guī)金屬逐步向金屬間化合物、鈮–硅超高溫合金等******材料方向拓展。

（2）有序推進(jìn)工程化應(yīng)用研究。先期在航空、航天領(lǐng)域選取代表性產(chǎn)品開展LAM質(zhì)量控制、標(biāo)準(zhǔn)和驗證工作，盡快實現(xiàn)產(chǎn)品量產(chǎn)和工程應(yīng)用；隨后逐步向結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況苛刻、加工性差的高價值產(chǎn)品拓展，在核工業(yè)、兵器、汽車、電力裝備等******制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

（3）扎實開展LAM產(chǎn)品質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)研究與制定。積累有關(guān)LAM的缺陷無損檢測、力學(xué)性能、冶金圖譜、疲勞壽命等基本數(shù)據(jù)，確定材料、工藝、無損檢測、組織與力學(xué)性能、尺寸精度、表面粗糙度等方面驗收依據(jù)，制定我國LAM產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）結(jié)合工業(yè)實際需求，在高等院校、職業(yè)技術(shù)學(xué)院增設(shè)LAM相關(guān)專業(yè)，為企業(yè)培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)和技能人才。在優(yōu)勢技術(shù)企業(yè)內(nèi)設(shè)立LAM培訓(xùn)中心，對我國諸多行業(yè)的設(shè)計人員、工藝人員和設(shè)備操作人員進(jìn)行專項培訓(xùn)，從而為LAM產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供智力支持。

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