航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵材料激光增材制造的進(jìn)展與展望（Ⅰ）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

由于高價(jià)值零件的高混合低批量生產(chǎn),、集成復(fù)雜零件幾何結(jié)構(gòu)和簡化的制造工作流程的巨大需求,，航空航天是增材制造制造（AM）發(fā)展的關(guān)鍵市場驅(qū)動(dòng)力,。航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的激光增材制造（LAM）取得了快速而顯著的進(jìn)展,，包括先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼,、鎳基高溫合金和鈦基合金,。盡管研究界對(duì)這三類材料進(jìn)行了廣泛的調(diào)查,，但對(duì)高強(qiáng)度鋼的LAM缺乏全面的審查，在已發(fā)表的關(guān)于鈦基合金和鎳基高溫合金的審查中也存在差距,。

此外,，盡管新興材料（如高/中熵合金和異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料）具有良好的機(jī)械性能，但在實(shí)際應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)零件之前,，仍然需要嚴(yán)格的表征,、測試、鑒定和認(rèn)證,。因此,，深入了解這些廣泛使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的工藝參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)-機(jī)械性能之間的關(guān)系，對(duì)于推動(dòng)優(yōu)質(zhì)高價(jià)值合金的發(fā)展仍然十分重要,。

本綜述旨在對(duì)上述航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的激光粉末床聚變（LPBF）和激光定向能量沉積（LDED）技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵和深入的評(píng)估,。該綜述將總結(jié)這些航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的材料特性、性能范圍,，并概述這些材料的研究差距,。此外，還強(qiáng)調(diào)了對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的研究機(jī)會(huì),、材料開發(fā)和LAM新研發(fā)方法的展望,。

圖形摘要,，從工藝窗口、微觀結(jié)構(gòu)特征,、機(jī)械性能及其相互關(guān)系（內(nèi)圈）等方面全面回顧了激光增材制造（LAM）工藝和關(guān)鍵航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的最新發(fā)展?fàn)顩r,。在此基礎(chǔ)上，還強(qiáng)調(diào)了航空航天部件的研究機(jī)會(huì),、材料開發(fā)和新研發(fā)方法的前景（外圈）,。

1. 介紹
1．1. 增材制造市場趨勢
作為高價(jià)值產(chǎn)品行業(yè)，航空航天行業(yè)一直是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展和采用的強(qiáng)大推動(dòng)力,。隨著航空工業(yè)對(duì)節(jié)能減排,、輕量化、可靠性和舒適性的要求越來越高,，飛機(jī)制造需要越來越多的高性能材料和新設(shè)計(jì),。傳統(tǒng)的制造工藝已經(jīng)達(dá)到了滿足要求的極限,。因?yàn)锳M具有獨(dú)特的優(yōu)勢和可行性,，可以克服制造幾何形狀、材料,、性能和功能等復(fù)雜部件所帶來的挑戰(zhàn),。因此增材制造(AM)的快速發(fā)展為滿足這些行業(yè)需求提供了可能性。

它為高精度制造復(fù)雜,、復(fù)合和混合結(jié)構(gòu)提供了前所未有的設(shè)計(jì)自由,，這是傳統(tǒng)制造路線無法實(shí)現(xiàn)的。AM的上述優(yōu)勢在航空航天,、汽車,、電子、醫(yī)療,、軍事,、建筑等行業(yè)的廣泛工業(yè)應(yīng)用中得到了充分發(fā)揮和應(yīng)用。全球AM市場規(guī)模從2013年的約30億美元迅速增長到2019年的118.67億美元,，如圖1所示,，近年來年增長率均超過20%。隨著AM行業(yè)市場規(guī)模的擴(kuò)大,，航空航天行業(yè)在2019年將迅速接近20億美元,。

圖1 Wohlers報(bào)告了2014 - 2020報(bào)告總結(jié)了2013-2019年各行業(yè)增材制造的市場規(guī)模

在過去的30年里，AM在越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域得到了應(yīng)用,�,！秙tate of the industry》是一份領(lǐng)先的年度“行業(yè)狀況”報(bào)告，它每年進(jìn)行一次調(diào)查,，以找出AM的用途,。2011年 Wohlers報(bào)告給出了如下關(guān)于AM使用區(qū)域的數(shù)據(jù),。

增材制造目前應(yīng)用的領(lǐng)域，摘自T.Wohlers全球年度進(jìn)展報(bào)告,，2011,，ISBN 0 975 44 29 - 6-1

１．２． 增材制造對(duì)航空航天工業(yè)的好處
AM在航空航天行業(yè)的應(yīng)用占據(jù)了整個(gè)AM市場的很大一部分，這是由于以下優(yōu)勢對(duì)該行業(yè)的適用性,。

(1）幾何設(shè)計(jì)和優(yōu)化的自由度,。AM使增材制造原料轉(zhuǎn)換成自由形式的3D組件，如復(fù)雜的外部形狀和建筑幾何結(jié)構(gòu),。AM還允許拓?fù)鋬?yōu)化,，以制造輕量級(jí)組件，通常使用晶格結(jié)構(gòu),，同時(shí)提供同等甚至更高的機(jī)械性能,。

（2）功能集成和部件整合。AM能夠生產(chǎn)具有定制材料結(jié)構(gòu)的集成多功能部件,，如功能梯度材料（FGM）,。圖2a提供了AM為增強(qiáng)功能而生產(chǎn)的功能性多材料燃燒室的示例，其中Inconel沉積在銅合金表面上,。此外,，還可以通過使用AM實(shí)現(xiàn)零件整合，從而實(shí)現(xiàn)特征集成,，并提高可靠性和性能,。

圖2  (a) Inconel-copper多材料燃燒室，以及(b)用于LauncherEngine-2的LAM大型單部分燃燒室,，燃燒室高86厘米,，出口噴嘴直徑41厘米(來自Launcher aerospace);(c)伯明翰大學(xué)AMP實(shí)驗(yàn)室LAMed發(fā)動(dòng)機(jī);(d) GE增材制造的噴嘴和(e)燃燒室(來自GE AM);(f)由LAM生產(chǎn)的Inconel718噴嘴環(huán)(來自SIMTech)。

傳統(tǒng)上,，復(fù)雜的航空航天組件由多個(gè)簡單零件組裝而成,，與激光增材制造（LAM）整合組件相比，這可能會(huì)降低可靠性和幾何精度,，同時(shí)增加持續(xù)性維護(hù)成本,。如圖2b所示，世界上最大的單部件燃燒室由Launcher aerospace使用LAM制造,，用于Launcher Engine-2,，為小型衛(wèi)星發(fā)射器提供了最低的推進(jìn)劑消耗和每磅推力成本。將多個(gè)零件整合成一個(gè)整體可以降低成本,，實(shí)現(xiàn)高性能再生冷卻設(shè)計(jì),。此外，伯明翰大學(xué)的AMP實(shí)驗(yàn)室也強(qiáng)調(diào)了使用LAM方法將數(shù)千個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)部件合并成多個(gè)部件的可行性,，如圖2C所示,。

在使用氣體輔助注射成型技術(shù)開發(fā)程序時(shí),，經(jīng)常忽略的一個(gè)因素是所涉及的額外成本。除了許可費(fèi)用和專利使用費(fèi),，設(shè)備成本加上過程中使用的氮?dú)庖脖仨毧紤]在內(nèi),。此外，模具的成本可能會(huì)高于標(biāo)準(zhǔn)注射成型,，因?yàn)槌�了通過噴嘴技術(shù),，氣體噴射噴嘴必須集成到模具中。

這些增加的成本必須收回,�,？赡苡兄�于收回成本的一些因素��:

零件合并導(dǎo)致更少的模具，更少的機(jī)器利用率和減少或消除組裝
使用低噸位機(jī)器
質(zhì)量改進(jìn)的部分
減少周期時(shí)間
更少的廢品
更輕的重量(更輕,，更少的材料)

（3）材料和能源效率,。就材料使用而言，LPBF的材料損耗約為5%,，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的減法制造,，減法制造可產(chǎn)生高達(dá)95%的材料損耗。通用電氣（GE）使用LAM設(shè)計(jì)和加工燃料噴嘴（見圖2d）,，以減輕重量（25%）并降低燃料消耗,，從而將成本效率提高30%。圖2e和圖f所示的片狀燃燒室和噴嘴環(huán)是典型的材料節(jié)約案例,，具有近凈形狀形成，與傳統(tǒng)的鍛造鑄錠加工相反,，后者將浪費(fèi)大部分材料,。

此外，通過使用LAM實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件的重量減輕是降低燃油消耗的非常有效的措施,。據(jù)報(bào)道,，商用飛機(jī)每減輕一公斤重量，每年可節(jié)省約3000美元的燃油,，并大幅減少碳排放,。

實(shí)驗(yàn)燃燒器的原理圖如圖所示。它的特點(diǎn)是一個(gè)空氣輔助燃料噴嘴,，名義上額定每小時(shí)0.5加侖,。在本研究中，煤油作為燃料,，空氣作為霧化氣體,。

實(shí)驗(yàn)用雙同心噴霧燃燒器。尺寸單位為mm

工業(yè)GTs的燃燒室部件,，如燃燒器或內(nèi)襯,，是大型,、厚壁元件，由鑄造或焊接的鎳基或鈷基合金(圖9.9),。這些部件的側(cè)壁與燃燒氣體直接接觸,，燃燒溫度為1400-1700°C。15另一方面,，墻體通過壓縮空氣冷卻,，將材料的溫度限制在900°C左右的可接受水平，以滿足機(jī)械和環(huán)境負(fù)荷的要求,。

HGP中的涂層部件:帶有內(nèi)襯段的燃燒室,、帶有涂層葉片和葉片的燃燒器和渦輪。

(4)定制和小批量生產(chǎn),。與傳統(tǒng)制造工藝相比,，大批量生產(chǎn)的LAM往往更昂貴。然而,，考慮到模具制造,、加工工具和庫存的高投資成本，LAM對(duì)于航空航天行業(yè)常見的小批量定制零件更具成本效益,。

傳統(tǒng)的制造工藝路線嚴(yán)重限制了經(jīng)濟(jì)地制造復(fù)雜形狀零件的自由度,，尤其是當(dāng)需要小批量時(shí)。生物醫(yī)學(xué)行業(yè)是受傳統(tǒng)制造限制的應(yīng)用的一個(gè)明顯例子,，因?yàn)樗�需要為每個(gè)患者定制非常復(fù)雜的形狀,。替代方法包括逆向工程和快速原型制造，已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注,，分層加工方法的發(fā)展逐漸演變?yōu)楦郊又圃臁?br />
3D打印技術(shù)在任何形式的材料結(jié)構(gòu)（如長絲,、粉末或樹脂）中的成功在很大程度上取決于加工技術(shù)。因此,，通過工藝參數(shù)選擇合適的材料形式對(duì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能起著至關(guān)重要的作用,。對(duì)于復(fù)合材料而言，確定基體和鋼筋之間的界面至關(guān)重要,，因?yàn)楫?dāng)界面足夠堅(jiān)固以避免脫粘和纖維拉拔時(shí),，復(fù)合材料的強(qiáng)度會(huì)提高。其他需要考慮的參數(shù)包括形狀,、尺寸,、方向和基體鋼筋的分布。材料的微觀結(jié)構(gòu)分析是執(zhí)行的合適方法,。

PMMA粉末的掃描電子圖像

例如,，上圖顯示了用于評(píng)估選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝的顆粒尺寸和均勻性的PMMA粉末顆粒測量。選擇性激光燒結(jié)工藝的推薦粒度為50–70μm,。然而,，微觀結(jié)構(gòu)性能與混合規(guī)律成間接比例,，復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)在決定三維結(jié)構(gòu)性能方面具有重要作用。在某些情況下,，復(fù)合材料需要均勻分布鋼筋,，盡管這很難實(shí)現(xiàn)。除了物理性能外,，化學(xué)性能也是3D打印中考慮的關(guān)鍵因素,。例如，熱塑性塑料適用于SLS和熔融沉積建模（FDM）,。另一方面,，熱固性塑料適用于材料噴射和立體光刻（SLA）。金屬采用選擇性激光熔化和粘合劑噴射工藝印刷,。砂和粘土等陶瓷可以使用粘結(jié)劑噴射工藝進(jìn)行處理,。

(5)縮短了制造生命周期。近凈成型LAM組件所需的較低加工時(shí)間的好處可以減少產(chǎn)品制造提前期,。Rolls-Royce報(bào)告稱,，使用LAM可節(jié)省30%的生產(chǎn)時(shí)間，而波音公司則聲稱,，零件數(shù)量和安裝時(shí)間的減少導(dǎo)致總時(shí)間減少了50%,。利勃海爾航空用額外制造的零件取代了傳統(tǒng)的主飛行高壓液壓閥塊組件，該零件重量減輕了35%,，組件數(shù)量減少了10個(gè),；因此，將所需的制造時(shí)間減少75%以上,。

切斷閥的分解圖

在隔斷閥中,，多個(gè)隔膜閥被機(jī)械地集成到一個(gè)閥體中，不同的供應(yīng)商提供不同的配置,，并且它們可以由不同的結(jié)構(gòu)材料制成。上圖顯示了一個(gè)典型的塊配置,。閥塊在流道中的優(yōu)點(diǎn)包括更低的內(nèi)部體積和顯著減少工藝系統(tǒng)所需的管道,。這里討論的閥門部件對(duì)于單隔膜閥和隔斷閥是一樣的。單閥和隔斷閥的維修和備件基本相同,。

1.3. 動(dòng)機(jī)和范圍
在上述優(yōu)勢的推動(dòng)下,，航空航天行業(yè)一直在探索使用AM生產(chǎn)飛機(jī)部件，包括各種鉸鏈,、支架,、內(nèi)部部件、輕質(zhì)機(jī)身,、機(jī)身設(shè)計(jì),，甚至包括發(fā)動(dòng)機(jī)部件,，如帶有內(nèi)部冷卻通道的渦輪葉片，燃料噴嘴,、壓縮機(jī)和集成管道系統(tǒng),。值得注意的是，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟,，是現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的寶石,。航空發(fā)動(dòng)機(jī)最廣泛使用的高價(jià)值材料是鋼、鎳基高溫合金和鈦合金,，如圖3所示,。鋁合金和復(fù)合材料不是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要組成部分；此外,，還回顧了鋁合金和顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的LAM的最新進(jìn)展,。因此，本綜述的重點(diǎn)是高強(qiáng)度鋼,、鎳基高溫合金和鈦基合金,。

圖3 波音787飛機(jī)通用CF6渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的材料分布適應(yīng)與許可

盡管AM研究團(tuán)體對(duì)這三種材料家族進(jìn)行了廣泛的調(diào)查，但沒有對(duì)AM高強(qiáng)度鋼進(jìn)行全面的審查,，也沒有對(duì)鈦合金和鎳基高溫合金進(jìn)行最新進(jìn)展審查,。例如，最近對(duì)鎳基高溫合金的審查僅集中在Inconel 718上,，為進(jìn)一步涵蓋新開發(fā)的鎳基高溫合金（例如WSU 150和單晶高溫合金）提供了機(jī)會(huì),。盡管對(duì)Ti-6Al-4V的AM進(jìn)行了大量報(bào)告審查，但對(duì)于Ti-6Al-4V以及TiAl合金等其他Ti合金的典型微觀結(jié)構(gòu),、竣工靜態(tài)機(jī)械性能和片狀Ti合金的疲勞性能,，仍然缺乏更廣泛和全面的總結(jié)。

12Cr-l的顯微結(jié)構(gòu),。5Mo-lW鋼(熱處理6455),，在不同溫度下時(shí)效1000小時(shí)，在50%的HNO3中電解腐蝕,，極性相反,。

在不同溫度下時(shí)效的冷軋12Cr-1.5Mo-lW鋼的微觀結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)時(shí)效溫度升高至700℃（1290℉）時(shí),，顯微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,。在700℃時(shí)，觀察到一些晶內(nèi)析出物的溶解和晶界析出物的粗化,，但在此溫度之前,，未發(fā)生明顯的微觀結(jié)構(gòu)變化。通過x射線衍射確定沉淀主要為M23C6。在725C（1340F）下,，觀察到再結(jié)晶和析出物粗化,，這兩種效應(yīng)都隨著溫度的升高而加速。

此外,，層狀鈦合金中一些最關(guān)鍵的問題,，例如，如何在其建成狀態(tài)下誘導(dǎo)高延展性以及等軸β和α結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制通常未被考慮,。LAM工藝過程中復(fù)雜的激光-材料相互作用使得很難概括不同航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的工藝參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能之間的關(guān)系,。深入了解不同航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料之間的這種關(guān)系，可以推動(dòng)優(yōu)質(zhì)高價(jià)值航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料和先進(jìn)尖端LAM設(shè)備的發(fā)展,。然而,，現(xiàn)有的綜述傾向于關(guān)注這三種廣泛使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料中的一小部分。

這項(xiàng)工作的動(dòng)機(jī)是對(duì)這些特定高性能合金的LAM進(jìn)行嚴(yán)格和專門的審查,，以總結(jié)其進(jìn)展,，并確定研究機(jī)會(huì)和差距。因此,，本文對(duì)LAM處理的航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料進(jìn)行了深入的綜述,，包括先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼、鎳基高溫合金,、鈦合金和鈦鋁化物,。

本文綜述和闡述了LAM工藝特點(diǎn)、微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)演變,、相形成和轉(zhuǎn)變,、力學(xué)性能以及研究趨勢和前景。還將根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)告繪制這三類航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料在加工窗口,、強(qiáng)度-延性組合,、疲勞性能、室溫/高溫性能等方面的材料特性屬性圖,。本評(píng)論旨在為研究人員提供關(guān)鍵航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料激光增材制造的完整最新信息,，并鼓勵(lì)在新型先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的激光增材制造方面進(jìn)行更具啟發(fā)性的科學(xué)研究，以促進(jìn)該技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的應(yīng)用,。

2.激光增材制造工藝
LAM技術(shù)利用激光束作為能源,。綜述了兩種LAM工藝，特別是將粉末分散在襯底上的激光粉末床聚變技術(shù)和以粉末為原料的定向能沉積工藝,。根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)F2792-12a的分類和定義，兩種LAM工藝被稱為激光粉末床熔合（LPBF）和激光定向沉積工藝（LDED）,。

缺乏支撐結(jié)構(gòu)也意味著零件可以自由堆放在粉末床中,，增加了每次生產(chǎn)中可生產(chǎn)的零件數(shù)量，從而提高了生產(chǎn)率（如下圖）。然而,，在從截留體積（如封閉孔隙）和細(xì)通道中去除未熔合粉末方面存在一些設(shè)計(jì)限制,。PBF技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以加工的材料范圍廣泛：理論上，任何可以熔化和再溶解的材料都可以與PBF技術(shù)一起使用,。但實(shí)際上,，目前情況并非如此；本章將討論產(chǎn)生這種情況的原因,。

由多個(gè)單獨(dú)部件組成的典型激光燒結(jié)成型裝置,。因?yàn)椴恍枰�支撐結(jié)構(gòu)，零件可以自由放置在整個(gè)構(gòu)建卷中,，而無需連接到下面的零件,。

PBF包括以下過程：直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、電子束熔煉（EBM）,、選擇性激光熔煉（SLM）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）,。PBF使用激光源（SLS、SLM,、DMLS）或電子束（EBM）直接和選擇性地熔化或燒結(jié)材料層,，以形成固體零件，而不是在粘合劑噴射過程中使用粘合劑,。如果采用激光源,，則沉積過程在惰性氣氛（如氬氣或氦氣室）中進(jìn)行，以防止材料在高溫下氧化,。使用電子束需要一個(gè)真空室,。

下圖顯示了SLM過程的原理。首先,，將金屬顆粒噴涂在基板（基板）頂部,。這些粉末隨后被激光熔化，然后凝固形成橫截面,。之后,，基板向下移動(dòng)一層厚度，并通過粉末重涂機(jī)構(gòu)將另一層粉末噴涂在印刷部件的頂部,。材料再次選擇性地熔化和固化以形成橫截面,。多層粉末的連續(xù)熔化和固化導(dǎo)致最終零件的制造。PBF可用于加工多種粉末材料,，但常用的材料是金屬和聚合物,。粉末通常為球形，SLM的粒徑通常在15-40μm之間,，SLS的粒徑通常在20-80μm之間,，EBM的粒徑通常在40-100μm之間。

選擇性激光熔化過程的說明。e.louvis, P. Fox, C.J. Sutcliffe, Selective laser melting of aluminum components, J. Mater

2.1. 激光粉末床聚變

為了制造結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的高性能金屬零件,，F(xiàn)raunhofer激光技術(shù)研究所的Meiners等人和大阪大學(xué)的Abe等人于1996年首次提出了LPBF技術(shù)的概念,。然而，在LPBF技術(shù)的早期發(fā)展階段,，由于粉末未熔合且熔化后易發(fā)生粉末球化,，制造零件的密度和強(qiáng)度不足以應(yīng)用。隨著高性能光纖激光器的集成和LPBF工藝的優(yōu)化,，LBPF制造的鈦合金,、高溫合金、鋼和鋁合金的成形精度,、密度和機(jī)械性能得到了顯著提高,。此后，LPBF技術(shù)逐漸成為醫(yī)療,、汽車,、航空航天等領(lǐng)域的主流商業(yè)化AM技術(shù)之一。

LPBF技術(shù)工作流程如圖4所示,。首先,，重水器刀片在基板或先前形成的層上鋪展一層金屬粉末。然后根據(jù)零件的二維截面形狀,，利用激光束以一定的速率進(jìn)行選擇性逐點(diǎn)輻照掃描,，從而使輻照后的金屬粉末熔化。當(dāng)激光束離開時(shí),，這些熔化的金屬粉末迅速凝固,。隨后，建造平臺(tái)將降低一個(gè)與層厚度相對(duì)應(yīng)的指定高度,。重復(fù)上述過程,，直到整個(gè)零件制造完成。需要注意的是,，工藝參數(shù),，如激光功率、掃描速度等,，需要與粉末材料和粉末層厚度相匹配,，以獲得致密且無缺陷的零件。

圖4 激光粉末床聚變技術(shù)示意圖

整個(gè)LPBF工藝通常在惰性封閉環(huán)境中進(jìn)行,，以避免高溫氧化,，平均粒徑約為30μm。LPBF制造部件通常具有以下特點(diǎn)：1）可實(shí)現(xiàn)的相對(duì)密度通常高于95%,，甚至99.9%,。2）較小的激光束尺寸使制造的零件具有較高的尺寸精度（可達(dá)到的最高精度為±0.05 mm）和優(yōu)異的表面質(zhì)量（Ra≤10μm）,。3）快速冷卻和凝固速度產(chǎn)生了極其精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)（一次枝晶臂間距通常為幾百納米），這使得鑄造和鍛造零件的機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于或相當(dāng),。

然而，LPBF技術(shù)仍有以下局限性：1）LPBF技術(shù)通常用于制造相對(duì)較小和精確的零件,，因?yàn)槠渲圃煨�率��,，尺寸精度高�?） LPBF過程中的粉末球化也很難消除，導(dǎo)致小孔的形成和機(jī)械性能的惡化,。3）由快速加熱和冷卻速率（高達(dá)106–108 K/s）引起的不均勻溫度分布會(huì)導(dǎo)致較大的殘余應(yīng)力,，從而導(dǎo)致變形甚至裂紋形成。

2.2. 激光定向能量沉積
激光定向能量沉積（LDED）技術(shù)是20世紀(jì)90年代初由世界各地的許多研究機(jī)構(gòu)獨(dú)立開發(fā)的,。因此,，它有許多不同的術(shù)語，如激光固體成形,、激光金屬沉積,、激光工程凈成形等，盡管技術(shù)原理基本相似,。在本文中,，術(shù)語LDED的使用符合ASTM F2792-12a。粉末基LDED的技術(shù)機(jī)理如圖5所示,。LDED將三維（3D）模型離散為二維（2D）層與LPBF類似,，但LDED可以使用金屬絲或粉末（或兩者）作為原料。添加劑材料被輸送到熔池中,，而不是擴(kuò)散到粉末床上,。

圖5 激光定向能量沉積工藝示意圖

與LPBF技術(shù)相比，LDED技術(shù)利用更高的激光功率和更大的激光束尺寸來實(shí)現(xiàn)更高的構(gòu)建效率,。此外,，LDED非常適合使用多材料同步進(jìn)給的梯度結(jié)構(gòu)制造，以及高性能和高價(jià)值部件的維修,。然而,，利用LDED技術(shù)制造幾何結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的零件存在一定的困難，這在一定程度上限制了LDED技術(shù)的應(yīng)用,。

激光工程凈成形（透鏡）技術(shù)由桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和普惠公司聯(lián)合提出概念,，并于1997年獲得Optomec Inc.的許可（美國專利60464262000）。該過程的示意圖如下圖所示,。與具有粉末床的SLM不同,，該組件使用透鏡技術(shù)制造，通過噴嘴噴射提供粉末,，并照射具有高能量密度的激光束,，以逐層方式熔化并沉積在構(gòu)建基板上,。每層沉積后，構(gòu)建平臺(tái)以受控方式向下移動(dòng),。此過程重復(fù)進(jìn)行,，直到實(shí)現(xiàn)預(yù)期的組件。雖然透鏡技術(shù)基本上是為了生產(chǎn)復(fù)雜的幾何部件而發(fā)展起來的,，但它也非常適合修復(fù)和翻新?lián)p壞的部件和結(jié)構(gòu),。應(yīng)注意的是，透鏡幾乎不需要考慮后處理,、部件表面光潔度差以及由于殘余應(yīng)力導(dǎo)致的部件變形等問題,。

激光工程網(wǎng)成形工藝示意圖

激光工程凈成形（LENS）使用計(jì)算機(jī)控制的激光器，在數(shù)小時(shí)內(nèi)將金屬粉末的氣流焊接到定制零件和制造模具中,。這項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)的形狀足夠接近最終產(chǎn)品,，從而消除了粗加工的需要。透鏡的用途之一是制造小批量的高密度零件或模具,。

每個(gè)噴嘴將金屬粉末流導(dǎo)向其下方的中心點(diǎn),。同時(shí)，該點(diǎn)由高功率激光束加熱,。當(dāng)移動(dòng)模型及其基板以提供新的目標(biāo),，在其上連續(xù)沉積金屬時(shí)，激光和射流保持靜止,，如下圖所示,。首先，在基板上進(jìn)行,，然后在構(gòu)建層上進(jìn)行,，直到通過3D金屬產(chǎn)品的生產(chǎn)完成所需的橫截面幾何形狀。這是一個(gè)復(fù)雜的操作,，因?yàn)楦邷厥谷廴诮饘匐y以形成精確,、光滑的物體。該技術(shù)可用于多種金屬,，包括鈦,、鋼、銅和鋁,。

透鏡技術(shù)：（a）激光工程凈成形圖（b）透鏡制造的詳細(xì)觀察,，（c）Optomec透鏡850系。

來源：Progress and perspectives in laseradditive manufacturing of key aeroengine materials,，International Journal of Machine Tools and Manufacture ,，10.1016/j.ijmachtools.2021.103804
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