復合增材制造技術研究進展及發(fā)展趨勢

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，是一種利用CAD模型以材料連接方式完成物體制作的過程，與減材制造相比，增材制造通常是逐層累加進行的。增材制造具備柔性、快速和綠色制造等技術優(yōu)勢，在航空航天、國防工業(yè)和生物醫(yī)療方面具有重要應用前景。

然而，增材制造技術存在零件成形精度低、力學性能不足等問題。針對上述技術瓶頸，現(xiàn)已出現(xiàn)了若干種既保持增材制造技術優(yōu)點，又能吸收傳統(tǒng)技術優(yōu)勢的復合增材制造新技術，為解決瓶頸難題提供了新路徑。

一、復合增材制造技術含義
“復合”一詞廣泛應用于制造領域，國際生產工程科學院（CIRP）將“復合制造”定義為“一種基于若干種工藝/工具/能量源同步工作、相互作用可控且對工藝/零件性能有顯著影響的技術”。一般地，復合增材制造以增材制造為主體工藝，在零件制造過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。復合增材制造雖涉及多種工藝、能量源，但并不能嚴格達到“同步工作”，更多地是組成循環(huán)交替的“協(xié)同工作”。以基于機加工的復合增材制造技術為例，通常是完成若干層制造后，再進行機加工，循環(huán)交替直至完成零件制造。當然，部分復合增材制造技術也已達到“同步工作”的要求，比如華中科技大學張海鷗團隊、廣東工業(yè)大學張永康團隊各提出的復合增材制造技術的主體工藝與輔助工藝均可同步工作直至完成零件制造。

復合增材制造技術包括多工藝耦合、協(xié)同制造、工藝與零件性能改進三個關鍵技術特征，由于涉及兩種及以上工藝，這些工藝須同步或協(xié)同工作，并要求輔助工藝進程不能與增材制造工藝進程完全分離。生產中，常采用熱等靜壓或磨粒流加工等后處理工藝，雖可通過使內部致密化或降低表面粗糙度來提升零件性能，但都無法與增材制造工藝構成復合增材制造技術，這是因為從“多工藝耦合”角度出發(fā)，進程完全分離且只是簡單的工藝疊加，尚不屬于“協(xié)同制造”關系，只可構成前后加工順序關系。

二、復合增材制造技術分類

基于機加工的復合增材制造技術
基于機加工的復合增材制造技術，其涉及增材制造與材料去除工藝的耦合，該技術在上世紀90年代早期發(fā)展于焊接領域，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，是研究工作開展最多的一種復合增材制造技術。在這類耦合工藝的制造過程中，增材制造工藝每完成若干層制造后，輔助工藝對零件表面或側面進行機加工，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，可共同完成具有復雜形狀和內部特征且成形精度高的零件。

圖1  基于機加工的復合增材制造成形零件

該類技術造中最常用的機加工工藝是銑削，目的包括提高零件側面和上表面的表面光潔度，減少成形零件的“階梯效應”，同時可為后續(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  基于銑削加工的復合增材制造技術

較普通增材制造，基于機加工的復合增材制造技術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，且在復合制造過程中，增材制造與機加工兩種工藝需要頻繁切換工序，這無疑增加了零件生產周期與制造成本。此外，成形零件需要通過后續(xù)的熱處理、熱等靜壓等工藝來消除內應力及提高致密度，但在熱處理過程中應力的重新分布會產生二次變形，使機加工獲得的尺寸精度損失殆盡，這是該類復合增材制造技術實現(xiàn)工程化應用亟待解決的難題之一。目前，隨著傳感器和計算機視覺技術的進步，利用視覺傳感器結合圖像處理算法實現(xiàn)對工藝過程的閉環(huán)反饋控制，將有利于進一步提高基于機加工復合增材制造技術的零件成形精度與效率，實現(xiàn)刀具路徑規(guī)劃的自動調整。

基于激光輔助的復合增材制造技術
基于激光輔助的復合增材制造技術涉及使用激光束對沉積材料進行輔助加工，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  基于激光輔助的復合增材制造技術

激光燒蝕與機加工的效果類似，通過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，表面粗糙度可降低50%。

基于激光重熔的復合增材制造技術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，研究了耦合工藝對零件致密度、微觀結構和表面粗糙度的影響，結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%，微觀下為晶粒細化的層狀結構。

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氣體吸收了激光能量發(fā)生電離，進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生更深的熔池，細化零件晶粒，孔隙率得以降低。

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

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

圖5  基于噴丸的復合增材制造技術

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力分布規(guī)律，設定參數(shù)后利用鉆孔法測量了零件深度方向上的殘余應力分布，最終與SLM制造試樣、激光噴丸試樣的殘余應力分布對比。圖中可看出，基于激光噴丸的復合增材制造技術能夠通過植入更深、更高幅值的殘余應力來提高材料性能；另外，從實驗結果可以推測出后續(xù)沉積帶來的熱載荷并未完全釋放掉殘余壓應力，這可能是由于SLM工藝較DMD工藝熱影響區(qū)域更小，而在DMD工藝中是否會釋放更多殘余壓應力則有待探索。

圖6  不同工藝下零件殘余應力分布對比

較其他復合增材制造技術而言，基于超聲噴丸的復合增材制造技術是一種低成本、快速提高零件性能的方法，可以與多種增材制造工藝相結合。機械噴丸作為應用最成熟而廣泛的噴丸強化技術，在與增材制造組成耦合工藝時卻存在一些挑戰(zhàn)。例如，機械噴丸的丸粒直徑較增材制造粉末顆粒大數(shù)個數(shù)量級，需要額外的工序進行清除，以避免材料污染。對此，Sangid等提出“細粒噴丸（FPSP）”的概念，使用增材制造材料粉末AlSi10Mg作為噴丸介質，避免了材料污染問題，但因噴丸介質強度和硬度不夠而使撞擊產生較小的沖擊壓力，形成的殘余壓應力被后續(xù)釋放。

基于軋制的復合增材制造技術
在增材制造過程中，熔池形狀和體積的不穩(wěn)定以及熱源反復加熱造成的復雜熱歷史，使零件存在成形精度不足和熱應力殘余的問題，而基于軋制的復合增材制造技術可有效解決這些問題。這種方法不僅能夠提高零件力學性能，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  基于軋制的復合增材制造示技術

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、拉應力減少、晶粒細化且力學性能提高，極限強度、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)利用微型軋輥對高溫沉積層進行壓縮加工，可減少成形零件表面的階梯效應，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行，有效提高制造效率，同時該工藝制造的零件拉伸強度可提高33%。

圖8  不同工藝下零件高度方向成形誤差對比

然而，面對復雜形狀零件制造時，基于軋制的復合增材制造工藝無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。

激光鍛造復合增材制造技術
現(xiàn)有激光鍛造復合增材制造技術，是張永康團隊在長期研究激光噴丸的基礎上提出的新方法，其實質是兩束不同功能的激光束同時且相互協(xié)同制造金屬零件的過程。如圖所示，第一束連續(xù)激光進行增材制造，與此同時第二束短脈沖激光（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，利用脈沖激光誘導的補充沖擊波對易塑性變形的中高溫度區(qū)進行“鍛造”，增材制造工藝與激光鍛造工藝同步進行，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力，提高了金屬零件的內部質量和力學性能，并有效控制宏觀變形與開裂問題。

圖9  激光鍛造復合增材制造技術

該復合增材制造技術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)介質不同：激光噴丸一般需要吸收保護層和約束層，吸收保護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；激光鍛造無需吸收保護層和約束層，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行的，每一層不足1 μm的氣化層厚度對零件的尺寸和形狀沒有影響。第二，作用對象不同：激光噴丸一般是對常溫零件的強化處理；激光鍛造是對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力狀態(tài)，其次是改變微觀組織，難以改變材料原有的內部缺陷；激光鍛造主要功能是在中高溫下消除金屬沉積層內部的氣孔、微裂紋等缺陷，提高致密度與機械力學性能，其次是改變殘余應力狀態(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合并能有效細化晶粒、消除缺陷和重構應力分布，為解決高性能金屬增材制造的“熱應力與變形開裂”與“內部質量與力學性能”的共性基礎難題提供新的途徑，富有創(chuàng)造性、新穎性和工業(yè)實用性，已申請國內與國際發(fā)明專利保護。

三、結  語
復合增材制造技術理念先進、技術可行，并表現(xiàn)出成形精度高、性能提高大等技術優(yōu)勢，逐漸得到了國內外學者的廣泛關注。

（1）復合增材制造技術涉及多工藝耦合協(xié)同工作，制造過程中主體工藝與輔助工藝相互約束且工藝參數(shù)眾多。對工藝耦合機理進行深入探索，并建立數(shù)學模型進行多工藝參數(shù)優(yōu)化是復合增材制造技術研究亟待解決的主要問題。

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

作   者：楊智帆，張永康
來   源：《電加工與模具》2019年第2期
原   文：《復合增材制造技術研究進展》
編   輯：吳   悅
審   核：徐均良、王   應