復(fù)合增材制造技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

作   者：楊智帆，張永康

與傳統(tǒng)去除成形方法相比，增材制造是一種基于材料增量制造理念的技術(shù)，是一種利用CAD模型以材料連接方式完成物體制作的過(guò)程，與減材制造相比，增材制造通常是逐層累加進(jìn)行的。增材制造具備柔性、快速和綠色制造等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在航空航天、國(guó)防工業(yè)和生物醫(yī)療方面具有重要應(yīng)用前景。

然而，增材制造技術(shù)存在零件成形精度低、力學(xué)性能不足等問(wèn)題。針對(duì)上述技術(shù)瓶頸，現(xiàn)已出現(xiàn)了若干種既保持增材制造技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，又能吸收傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的復(fù)合增材制造新技術(shù)，為解決瓶頸難題提供了新路徑。

一、復(fù)合增材制造技術(shù)含義
“復(fù)合”一詞廣泛應(yīng)用于制造領(lǐng)域，國(guó)際生產(chǎn)工程科學(xué)院（CIRP）將“復(fù)合制造”定義為“一種基于若干種工藝/工具/能量源同步工作、相互作用可控且對(duì)工藝/零件性能有顯著影響的技術(shù)”。一般地，復(fù)合增材制造以增材制造為主體工藝，在零件制造過(guò)程中采用一種或多種輔助工藝與增材制造工藝耦合協(xié)同工作，使工藝、零件性能得以改進(jìn)。復(fù)合增材制造雖涉及多種工藝、能量源，但并不能?chē)?yán)格達(dá)到“同步工作”，更多地是組成循環(huán)交替的“協(xié)同工作”。以基于機(jī)加工的復(fù)合增材制造技術(shù)為例，通常是完成若干層制造后，再進(jìn)行機(jī)加工，循環(huán)交替直至完成零件制造。當(dāng)然，部分復(fù)合增材制造技術(shù)也已達(dá)到“同步工作”的要求，比如華中科技大學(xué)張海鷗團(tuán)隊(duì)、廣東工業(yè)大學(xué)張永康團(tuán)隊(duì)各提出的復(fù)合增材制造技術(shù)的主體工藝與輔助工藝均可同步工作直至完成零件制造。

復(fù)合增材制造技術(shù)包括多工藝耦合、協(xié)同制造、工藝與零件性能改進(jìn)三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)特征，由于涉及兩種及以上工藝，這些工藝須同步或協(xié)同工作，并要求輔助工藝進(jìn)程不能與增材制造工藝進(jìn)程完全分離。生產(chǎn)中，常采用熱等靜壓或磨粒流加工等后處理工藝，雖可通過(guò)使內(nèi)部致密化或降低表面粗糙度來(lái)提升零件性能，但都無(wú)法與增材制造工藝構(gòu)成復(fù)合增材制造技術(shù)，這是因?yàn)閺摹岸喙に囻詈稀苯嵌瘸霭l(fā)，進(jìn)程完全分離且只是簡(jiǎn)單的工藝疊加，尚不屬于“協(xié)同制造”關(guān)系，只可構(gòu)成前后加工順序關(guān)系。

二、復(fù)合增材制造技術(shù)分類(lèi)

基于機(jī)加工的復(fù)合增材制造技術(shù)
基于機(jī)加工的復(fù)合增材制造技術(shù)，其涉及增材制造與材料去除工藝的耦合，該技術(shù)在上世紀(jì)90年代早期發(fā)展于焊接領(lǐng)域，現(xiàn)今主流工藝包括以直接金屬沉積（DMD）和選區(qū)激光熔化（SLM）為代表的激光增材制造工藝，是研究工作開(kāi)展最多的一種復(fù)合增材制造技術(shù)。在這類(lèi)耦合工藝的制造過(guò)程中，增材制造工藝每完成若干層制造后，輔助工藝對(duì)零件表面或側(cè)面進(jìn)行機(jī)加工，循環(huán)交替直至完成零件制造。如此，增材制造工藝完成零件逐層制造，輔助工藝保證零件尺寸精度，可共同完成具有復(fù)雜形狀和內(nèi)部特征且成形精度高的零件。

圖1  基于機(jī)加工的復(fù)合增材制造成形零件

該類(lèi)技術(shù)造中最常用的機(jī)加工工藝是銑削，目的包括提高零件側(cè)面和上表面的表面光潔度，減少成形零件的“階梯效應(yīng)”，同時(shí)可為后續(xù)材料沉積提供光潔、平整的表面，保證以恒定層厚進(jìn)行逐層制造，提高Z軸成形精度。Karunakaran等研究表明，在以電弧增材制造為主體工藝的情況下，銑削去除焊縫表面氧化層有助于后續(xù)沉積形成更穩(wěn)定的電弧和形狀更一致的焊道。

圖2  基于銑削加工的復(fù)合增材制造技術(shù)

較普通增材制造，基于機(jī)加工的復(fù)合增材制造技術(shù)可有效提高零件成形精度，但與零件最終尺寸精度要求仍存在一定差距，仍需精加工處理，且在復(fù)合制造過(guò)程中，增材制造與機(jī)加工兩種工藝需要頻繁切換工序，這無(wú)疑增加了零件生產(chǎn)周期與制造成本。此外，成形零件需要通過(guò)后續(xù)的熱處理、熱等靜壓等工藝來(lái)消除內(nèi)應(yīng)力及提高致密度，但在熱處理過(guò)程中應(yīng)力的重新分布會(huì)產(chǎn)生二次變形，使機(jī)加工獲得的尺寸精度損失殆盡，這是該類(lèi)復(fù)合增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用亟待解決的難題之一。目前，隨著傳感器和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的進(jìn)步，利用視覺(jué)傳感器結(jié)合圖像處理算法實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝過(guò)程的閉環(huán)反饋控制，將有利于進(jìn)一步提高基于機(jī)加工復(fù)合增材制造技術(shù)的零件成形精度與效率，實(shí)現(xiàn)刀具路徑規(guī)劃的自動(dòng)調(diào)整。

基于激光輔助的復(fù)合增材制造技術(shù)
基于激光輔助的復(fù)合增材制造技術(shù)涉及使用激光束對(duì)沉積材料進(jìn)行輔助加工，具體輔助工藝包括激光燒蝕（LE）、激光重熔（LR）以及激光輔助等離子弧沉積（LAPD）等。

圖3  基于激光輔助的復(fù)合增材制造技術(shù)

激光燒蝕與機(jī)加工的效果類(lèi)似，通過(guò)去除材料獲得平整的沉積層表面。Yasa等將SLM工藝與基于Nd:YAG脈沖激光器（λ=1094 nm）的選擇性激光燒蝕（SLE）工藝耦合，通過(guò)選擇性修整表面控制沉積層厚度，提高Z軸成形精度的同時(shí)，表面粗糙度可降低50%。

基于激光重熔的復(fù)合增材制造技術(shù)是利用激光作為熱源使沉積材料再次熔化并凝固，從而填充沉積層存在的孔隙以提高零件致密度。與激光燒蝕工藝使用的高能激光相比，激光重熔通常使用較低的激光能量以防止材料蒸發(fā)。Yasa等 又將SLM工藝與激光重熔工藝耦合，研究了耦合工藝對(duì)零件致密度、微觀結(jié)構(gòu)和表面粗糙度的影響，結(jié)果表明耦合工藝制造零件較普通SLM制造零件表面粗糙度有所提高，孔隙率均值從0.77%降至0.032%，微觀下為晶粒細(xì)化的層狀結(jié)構(gòu)。

圖4  不同工藝下成形零件微觀組織

與激光燒蝕、激光重熔工藝相比，激光輔助等離子弧沉積中的激光束并不直接作用于材料，而是為等離子弧沉積提供更多的熱能。Qian等指出，等離子弧沉積中使用的保護(hù)氣體吸收了激光能量發(fā)生電離，進(jìn)一步提高了等離子弧能量密度并減小弧直徑，在更集中、能量密度更高的等離子弧加熱下產(chǎn)生更深的熔池，細(xì)化零件晶粒，孔隙率得以降低。

基于激光輔助的復(fù)合增材制造技術(shù)靈活性高，激光作為能量光束，在制造過(guò)程中可提高零件成形精度、細(xì)化晶粒、降低孔隙率，但其循環(huán)移動(dòng)使零件經(jīng)歷更復(fù)雜的熱歷史，陡峭的溫度梯度使零件產(chǎn)生不均勻塑性變形，從而在零件內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，降低材料疲勞性能。該復(fù)合制造技術(shù)涉及眾多工藝參數(shù)，需要建立多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，從而優(yōu)化零件殘余應(yīng)力分布，提高零件性能。

基于噴丸的復(fù)合增材制造技術(shù)
將噴丸與增材制造相耦合的復(fù)合增材制造技術(shù)是一個(gè)未被廣泛和深入探索研究的領(lǐng)域，目前僅有部分相關(guān)專(zhuān)利及研究文獻(xiàn)。噴丸是一種通過(guò)在工件表面植入一定深度的殘余壓應(yīng)力而提高材料疲勞強(qiáng)度的表面強(qiáng)化工藝，主要分為激光噴丸、超聲噴丸與機(jī)械噴丸。將噴丸工藝與增材制造耦合是一種能夠控形控性的復(fù)合增材制造技術(shù)，在航空航天、國(guó)防工業(yè)和生物醫(yī)療等方面具有重要應(yīng)用前景。

圖5  基于噴丸的復(fù)合增材制造技術(shù)

Kalentics等將SLM工藝與激光噴丸耦合，研究了耦合工藝制造316L不銹鋼零件的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，設(shè)定參數(shù)后利用鉆孔法測(cè)量了零件深度方向上的殘余應(yīng)力分布，最終與SLM制造試樣、激光噴丸試樣的殘余應(yīng)力分布對(duì)比。圖中可看出，基于激光噴丸的復(fù)合增材制造技術(shù)能夠通過(guò)植入更深、更高幅值的殘余應(yīng)力來(lái)提高材料性能；另外，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推測(cè)出后續(xù)沉積帶來(lái)的熱載荷并未完全釋放掉殘余壓應(yīng)力，這可能是由于SLM工藝較DMD工藝熱影響區(qū)域更小，而在DMD工藝中是否會(huì)釋放更多殘余壓應(yīng)力則有待探索。

圖6  不同工藝下零件殘余應(yīng)力分布對(duì)比

較其他復(fù)合增材制造技術(shù)而言，基于超聲噴丸的復(fù)合增材制造技術(shù)是一種低成本、快速提高零件性能的方法，可以與多種增材制造工藝相結(jié)合。機(jī)械噴丸作為應(yīng)用最成熟而廣泛的噴丸強(qiáng)化技術(shù)，在與增材制造組成耦合工藝時(shí)卻存在一些挑戰(zhàn)。例如，機(jī)械噴丸的丸粒直徑較增材制造粉末顆粒大數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，需要額外的工序進(jìn)行清除，以避免材料污染。對(duì)此，Sangid等提出“細(xì)粒噴丸（FPSP）”的概念，使用增材制造材料粉末AlSi10Mg作為噴丸介質(zhì)，避免了材料污染問(wèn)題，但因噴丸介質(zhì)強(qiáng)度和硬度不夠而使撞擊產(chǎn)生較小的沖擊壓力，形成的殘余壓應(yīng)力被后續(xù)釋放。

基于軋制的復(fù)合增材制造技術(shù)
在增材制造過(guò)程中，熔池形狀和體積的不穩(wěn)定以及熱源反復(fù)加熱造成的復(fù)雜熱歷史，使零件存在成形精度不足和熱應(yīng)力殘余的問(wèn)題，而基于軋制的復(fù)合增材制造技術(shù)可有效解決這些問(wèn)題。這種方法不僅能夠提高零件力學(xué)性能，還可在不去除材料的前提下保證成形零件的尺寸精度。

圖7  基于軋制的復(fù)合增材制造示技術(shù)

Colegrove等將絲材電弧增材制造（WAAM）工藝與軋制工藝耦合，制造一層、軋制一層，循環(huán)交替直至完成零件制造。研究結(jié)果顯示，相較于WAAM工藝，這種耦合工藝成形零件變形減小、拉應(yīng)力減少、晶粒細(xì)化且力學(xué)性能提高，極限強(qiáng)度、硬度和延伸率均高于同等鑄造件。

張海鷗等提出了熔積-軋制耦合工藝，在半熔融區(qū)利用微型軋輥對(duì)高溫沉積層進(jìn)行壓縮加工，可減少成形零件表面的階梯效應(yīng)，提高成形零件尺寸精度。這種方法可減少后續(xù)加工余量，且由于熔積與軋制工藝同步進(jìn)行，有效提高制造效率，同時(shí)該工藝制造的零件拉伸強(qiáng)度可提高33%。

圖8  不同工藝下零件高度方向成形誤差對(duì)比

然而，面對(duì)復(fù)雜形狀零件制造時(shí)，基于軋制的復(fù)合增材制造工藝無(wú)法壓縮處理零件局部特征。因此，提高軋輥的柔性處理能力顯得尤為重要。

激光鍛造復(fù)合增材制造技術(shù)
現(xiàn)有激光鍛造復(fù)合增材制造技術(shù)，是張永康團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)期研究激光噴丸的基礎(chǔ)上提出的新方法，其實(shí)質(zhì)是兩束不同功能的激光束同時(shí)且相互協(xié)同制造金屬零件的過(guò)程。如圖所示，第一束連續(xù)激光進(jìn)行增材制造，與此同時(shí)第二束短脈沖激光（脈沖能量10~20 J、脈沖寬度10~20 ns）直接作用在高溫金屬沉積層表面，金屬表層吸收激光束能量后氣化電離形成沖擊波，利用脈沖激光誘導(dǎo)的補(bǔ)充沖擊波對(duì)易塑性變形的中高溫度區(qū)進(jìn)行“鍛造”，增材制造工藝與激光鍛造工藝同步進(jìn)行，直至完成零件制造。激光鍛造使沉積層發(fā)生塑性形變，消除了沉積層的氣孔和熱應(yīng)力，提高了金屬零件的內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能，并有效控制宏觀變形與開(kāi)裂問(wèn)題。

圖9  激光鍛造復(fù)合增材制造技術(shù)

該復(fù)合增材制造技術(shù)中的輔助工藝激光鍛造雖然源于激光噴丸，但是有重大區(qū)別。第一，沖擊波激發(fā)介質(zhì)不同：激光噴丸一般需要吸收保護(hù)層和約束層，吸收保護(hù)層表層吸收激光能量后氣化電離形成沖擊波，氣化層深度不足1 μm；激光鍛造無(wú)需吸收保護(hù)層和約束層，激光束直接輻照中高溫沉積層，金屬吸收激光能量氣化電離形成沖擊波，由于增材制造是逐層累積進(jìn)行的，每一層不足1 μm的氣化層厚度對(duì)零件的尺寸和形狀沒(méi)有影響。第二，作用對(duì)象不同：激光噴丸一般是對(duì)常溫零件的強(qiáng)化處理；激光鍛造是對(duì)中高溫金屬的沖擊鍛打。第三，主要功能不同：激光噴丸主要功能是改變殘余應(yīng)力狀態(tài)，其次是改變微觀組織，難以改變材料原有的內(nèi)部缺陷；激光鍛造主要功能是在中高溫下消除金屬沉積層內(nèi)部的氣孔、微裂紋等缺陷，提高致密度與機(jī)械力學(xué)性能，其次是改變殘余應(yīng)力狀態(tài)。

由于激光鍛造的靈活性和可控性，其可以與多種增材制造復(fù)合并能有效細(xì)化晶粒、消除缺陷和重構(gòu)應(yīng)力分布，為解決高性能金屬增材制造的“熱應(yīng)力與變形開(kāi)裂”與“內(nèi)部質(zhì)量與力學(xué)性能”的共性基礎(chǔ)難題提供新的途徑，富有創(chuàng)造性、新穎性和工業(yè)實(shí)用性，已申請(qǐng)國(guó)內(nèi)與國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利保護(hù)。

三、結(jié)  語(yǔ)
復(fù)合增材制造技術(shù)理念先進(jìn)、技術(shù)可行，并表現(xiàn)出成形精度高、性能提高大等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，逐漸得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

（1）復(fù)合增材制造技術(shù)涉及多工藝耦合協(xié)同工作，制造過(guò)程中主體工藝與輔助工藝相互約束且工藝參數(shù)眾多。對(duì)工藝耦合機(jī)理進(jìn)行深入探索，并建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多工藝參數(shù)優(yōu)化是復(fù)合增材制造技術(shù)研究亟待解決的主要問(wèn)題。

（2）復(fù)合增材制造裝備需要多套工藝裝備配合完成制造。但目前復(fù)合增材制造裝備存在自動(dòng)化程度低、缺乏針對(duì)性工業(yè)控制軟件等問(wèn)題，且制造過(guò)程中缺乏傳感器進(jìn)行工藝參數(shù)的監(jiān)控。提高裝備硬件和軟件的自動(dòng)化水平，應(yīng)用傳感器實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)以建立閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)是復(fù)合增材制造裝備的重要發(fā)展方向。

作   者：楊智帆，張永康
來(lái)   源：《電加工與模具》2019年第2期
原   文：《復(fù)合增材制造技術(shù)研究進(jìn)展》
編   輯：吳   悅
審   核：徐均良、王   應(yīng)