激光熔覆在材料加工领域获得广泛应用

图2：用高功率激光束逐层熔化聚合物或金属粉末，生产定制的航空涡轮零件

图3：甚至能直接从CAD模型生产牙齿移植体“牙科实验室用直接金属粉末激光烧结方法创建牙冠（coping）和牙桥(bridge)；我们公司的EOSINT M 270型金属烧结设备为客户定制了一批数量达200只以上的假牙，DMLS技术显著提高了实验室的产量，同时还能满足严格的质量要求。”EOS公司医疗客户经理Martin Bullemer说，“大批量定制正在牙科、外科仪器??型和假肢制造领域产生一定的影响力。激光烧结技术在新兴领域的应用将变得更为实用，并且更具成本效益。”

　　POM Group首席运营官（COO）Bhaskar Dutta表示，对于用昂贵材料建设性能优良的结构而言，激光金属沉积方法能减少生产时间，降低生产成本，并且与传统的机械加工方法相比，还可以减少能源消耗。POM Group是一家快速制造公司，其直接金属沉积（DMD）激光工艺在业界处于领先地位。Dutta指出，在由美国航天局（NASA）发起的一项案例研究中，建立了一个镜子房，其采用闭环反馈控制DMD系统。案例研究中，将用DMD方法制造的部件与用电火花加工（EDM）方法用固态金属板制造的部件进行了比较，结果显示，EDM方法产生了大量废料（见图4）。“制造同样的零部件，DMD加工需要的材料仅仅是EDM方法所需材料的1/3，从而能大量节省成本，特别是对于像镍合金这样的昂贵材料来讲，DMD的加工优势更加明显。”Dutta说道。

图4：由美国航天局（NASA）发起的一项案例研究中，建立了一个镜子房用于激光直接金属沉积。案例研究对DMD和EDM这两种加工方法进行了比较，结果显示，DMD在材料节省、降低能耗和提高加工速度等方面都大大优于EDM。

　　修复与再造
　　飞机制造商们预计，他们对发动机的需求将呈增长态势。“预计到2025年，飞机发动机的需求量将超过11.4万台，这为飞机发动机制造商在制造过程中减少对环境的影响，带来了一定的挑战。”英国Rolls-Royce公司生产过程主管Steve Beech说，“对于某些零部件，BTF比率（buy-to-fly ratio，即制造一个零部件所需的??材料量与最终零部件中所含材料量的比率）甚至高达13:1，也就是说，用13公斤的钛材料加工成的零部件中，只含有1公斤的钛，其余的都成了废料。”

　　对一个高压涡轮航空发动机的密封部件进行激光添加修复，是减少新制造对环境影响的一个很好的例子。“对于这种单晶零部件，传统的制造方法是用EDM方式加工晶格（lattice），并在固体基底中加入耐磨性材料，当涡轮叶片的密封元件摩擦到它时，在发动机服务期间受到磨损的是这种耐磨基底。” Beech说（见图5）。在这种应用中，传统的技术（如在一个密封元件上焊接一个新的晶格）并不可行，因为晶格壁的厚度必须要小于0.3mm（并且每个涡轮机具有34个密封元件，这样做成本高昂）。“但是利用直接激光沉积技术熔化合适的粉末来建立晶格，修复成本将下降到OEM成本的一半。”Beech 说。

图5：激光添加制造可用于为航空零件上的晶格制造厚度为0.3mm的薄墙。晶格内充满陶瓷以达到密封功能，并避免涡轮叶片对其的磨损。

　　美国GE Aviation公司采用激光熔覆技术的历史已经长达20多年。“激光熔覆适用于对那些从现场返回的硬件进行颇具成本效益的修复和表面硬化，例如用于善自动化过程重复率的高压涡轮和压气机叶片。”GE Aviation公司激光应用事业部高级工程师Sudhir Tewari说。Tewari解释道，通常，激光熔覆产生的热影响较小，并且处理后材料的属性好——接近于精炼材料的属性，因为激光熔覆过程的快速凝固速度能够获得良好的枝晶微观结构（dendritic microstructure）。“GE公司参加了面向镍合金零部件添加制造的‘航空金属经济可承受性计划（MAI）’，并成功地展示了激光添加沉积技术在航空应用中的可行性。” Tewari说，“然而，由于缺乏设计质量方面的数据和潜在的内部资金匮乏，致使激光添加制造过程的应用仍然面临巨大挑战。”

　　技术挑战
　　英国LPW Technology公司技术总监Phil Carroll说，对于小型零部件的激光添加制造，激光熔覆应用的沉积速率在20g/小时到2～3kg/小时之间，所使用的激光功率水平在几十瓦到几千瓦之间。“但是当讨论激光添加制造时，沉积速率并非关键指标，真正关注的因素是冶金完整性，”Carroll说。他说，同焊接与切割一样，添加制造将受益于某些过程的改进，例如，使光纤激光器和碟片激光器的光束质量得到很好的控制，使更加复杂的结构生产具有更好的特性，减少残余应力，实现更好、更强有力的微观结构。“我们集团也非常关注材料问题，如粉末晶粒的尺寸和形状——这些参数将有助于在包含添加制造零件的长达上英里的焊缝中实现孔隙自由、无裂纹结构。”