對金屬高性能增材制造技術發展的思考增材制造技術是采用材料累加方法制造實體的技術，與材料去除加工方法相反，這種技術能夠減少加工工序、縮短加工周期，并且可以解決諸多復雜結構零件的成型難題。在金屬增材制造過程中，由于金屬熔點比較高，制造中存在多種復雜的物理過程，需要考慮很多參數，因而金屬零部件的快速成型技術較為困難。但由于其獨特優勢而在航空航天、新材料、光電等領域發展迅猛，應用廣泛，同時由于起步較晚，日前還面臨一些科學問題，存在一些技術瓶頸。1、金屬增材制造的原理及現有方法金屬增材制造技術是一種基于離散/堆積成形思想的新型制造技術，是集成計算機、數控、激光和新材料等最新技術而發展起來的先進產品研究與開發技術。其實質就是CAD軟件驅動下的激光三維熔覆過程，基本過程是將三維模型沿一定方向離散成一系列有序的二維層片；根據每層輪廓信息，進行工藝規劃，選擇加工參數，自動生成數控代碼；成形機制造一系列層片并自動將它們聯接起來，得到三維物理實體。金屬增材制造技術現在有多種原型技術，其中高性能增材制造以選區激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)和同步材料送進激光立體成型(LaserSolidForming,LSF)較為典型。選區激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)技術：粉末材料預先鋪展在沉積區域，其層厚一般為20-100Mm，利用高亮度激光按照預先規劃的掃描路徑軌跡逐層熔化金屬粉末，冷卻后對零件進行光整即可以得到凈成形零件。同步材料送進激光立體成型（LaserSolidForming,LSF）技術：由激光在沉積區域產生熔池并高速移動，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔池，熔化后逐層沉積，也被稱為激光直接沉積增材制造技術。2、金屬增材制造的優勢及特點金屬零件激光增材制造技術以高功率或高亮度激光為熱源，逐層熔化金屬粉末或絲材，直接制造出任意復雜形狀的零件，其優點有：（1）制造速度快，節省材料，降低成本；（2）不需采用模具，使得制造成本降低15%-30%，生產周期節省45%-70%；（3）可以生產用傳統方法難于生產甚至不能生產的形狀復雜的功能金屬零件；（4）可在零件不同部位形成不同成分和組織的梯度功能材料結構，不需反復成形和中間熱處理等步驟；（5）激光直接制造屬于快速凝固過程，金屬零件完全致密、組織細小，性能超過鑄件；（6）近成形件可直接使用或者僅需少量的后續機加工便可使用。對于不同的金屬增材制造技術，其技術特點還各有不同。如：選區激光熔化（SLM）制造技術僅適用于單一材料小尺寸的制造，且效率較低，但是具有成型近乎無限結構復雜性的零件；同步材料送進激光立體成型（LSF）技術相對具有較高的效率，可實現多種材料的復合，不受零件尺寸大小限制，具有高性能修復的能力，但是成型零件的結構復雜性受到一定的限制。3、金屬增材制造發展狀況及應用金屬增材制造具有：（1）高柔性，可以制造任意復雜形狀的三維實體；（2）CAD模型直接驅動，設計制造高度一體化；（3）成形過程無需專用夾具或工具；（4）無需人員干預或只需較少干預；（5）成型全過程的快速響應等特點，為金屬零件制造提供了短周期、高柔性、低成本的加工手段，日前在國內外發展迅速且應用廣泛。國外金屬增材成型技術起步相對較早，發展較為成熟。以SLM技術為例，由于該技術可制備疊層材料、功能復合材料、裁縫式地制成“變成分”材料或研制零件整體葉盤、框、梁等關鍵構件，且其力學性能達到鍛件的水平。其相關成果已在武裝直升機、AIM導彈、波音7X7客機、F/A-18E/F、F22戰機等方面均有實際應用，已成為美國航空航天國防武器裝備金屬結構件的核心制造新技術之一。近期，美國專門成立了國家增材制造技術中心，擬加快增材制造技術推廣應用。另外先進激光技術的應用和相關商業化設備的應用促進了各國金屬增材制造技術的發展。譬如德國EOSGmbH公司新開發的激光選區熔化設備EOSINTM280采用束源質量高的Yb光纖激光器，將激光束光斑直徑聚焦到100〃m，大幅提高激光掃描的速度，減少成形時間，其成形零件性能與鍛件相當，近幾年來，英國、德國、法國、美國、瑞典等國外發達國家先后開發了GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4等合金金屬復雜結構的選區激光熔化增材制造商業化設備，并開展應用基礎研究。國外著名企業羅?羅、GE、普惠、MTU、波音、EADS、空客等在航空航天武器裝備上已利用此技術開發商業化的金屬零部件。國內金屬增材制造技術雖起步稍晚，但是發展迅速，并取得了一定的成果。西北工業大學國家凝固重點實驗室黃衛東老師領導的科研團隊突破性完成長達三米的C919飛機中央翼肋上緣條毛坯試制，其力學性能已超過鍛件水平，且室外放置一個月的最大變形量小于0.8mm；北京航空航天大學在飛機大型整體鈦合金主承力結構件激光快速成形及裝機應用關鍵技術研究方面也取得突破性進展，研制出某型號飛機鈦合金前起落架整體支撐框、C919接頭窗框等金屬零部件；中航工業北京航空制造工程研究所使用金屬增材制造技術成功修復了某型號TC11鈦合金整體葉輪，并通過試車考核。另外，其它金屬增材制造技術近幾年也取得一定進展oSandia國家實驗室采用LENS(LaserEngineeredNetShaping,LENS)技術實現了某衛星TC4鈦合金零件毛坯的成形，成形過程需要64h，完成零件的最終熱處理，整個加工工序耗時1周。而此零件采用傳統機械加工的方法則需要11周。美國銖公司則采用DLF(DirectedLaserFabrication，DLF)技術實現了SM3導彈三維導向和姿態控制系統中銖零件的快速制備，與傳統技術相比，可降低成本50%，同時縮短50%的制造周期。4、對金屬增材制造發展方向的一些思考金屬增材制造技術由于其獨特優勢，在未來數十年時間還會保持甚至高于現有的熱度繼續發展，而未來的金屬增材制造技術將在橫向和技術縱深有更多的探索：（1）熱源選擇上將更具多元性，除激光束外，其他高能流束如電子束、電弧等可能會得到發展應用；（2）材料送進方式方面粉床技術和同步送粉技術運用將更加成熟，其它送材技術可能得到開發應用；（3）成型復雜結構零件的能力將會提高；（4）零件尺寸成型范圍將會擴大；（5）成型質量、精度與效率將會優化協調以更適應工業應用和市場發展；（6）除現以大量鈦合金外的，其它種類金屬也可實現快速增材制造。金屬增材制造技術由于其先進的制造理念和新穎的制造方法，現有的材料科學體系先關知識還不能回答其發展過程中的遇到的全部科學問題，如：（1） 晶粒結構與成分分布同力學性能的關系如何？與鑄造組織和鍛造組織有何異同？（2） 金屬增材制造相結構與形態同力學性能的關系如何？是否同經典相理論完全一致？（3） 微觀交變應力對增材制造的零件組織和性能有何影響？（4） 致密度的精確數據對零件力學性能有何影響？（5） 典型冶金缺陷對零件力學性能有何影響？典型冶金缺陷是否可以通過同類技術進一步修復?增材制造專用的金屬材料體系是怎樣的體系？它與減材制造體系差異有多大？伴隨著這些問題，給定約束條件下的結構最優化設計的“功能優先”理念將為人們所熟知，工程人員將會圍繞適合于增材制造的典型結構類型，增材制造成形過程的應力、變形與結構的關系，強度、剛度、振動特性、重量、結構類型的相互關系，結構的應力分布與傳遞特性，與聲、光、電、磁、熱等功能特性相關的結構設計原理及與組合制