激光近净成型的工艺技术

激光近净成型工艺是将同步送粉法的激光熔覆技术和增材成型及制造技术相结合的一种先进的制造技术。该技术由美国圣地亚国家实验室研究开发，其成型系统主要由激光能源系统、金属粉送进系统和惰性环境保护系统组成。

1.激光近净成型工艺的基本原理和特点

LENS基于一般增材成型原理，首先是在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后将该模型按照一定的厚度分层“切片”，即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维轮廓信息，再由金属粉送进系统向被激光热能熔化了的在垫板上形成的金属熔池喷射金属粉，按照二维轮廓轨迹在沉积垫板上逐层堆积金属粉末材料，光斑离开后金属粉末凝固成型，最终形成致密的三维金属模件。

成型垫板在x-y平面内根据三维CAD模型的切片轮廓数据运动，而z向运动是由激光束及送粉机构的共同运动形成的。其中，x-y平面的成型精度为0.05mm，z向成型精度为0.5mm。图2-68给出了激光近净成型技术原理示意图。

图2-68 激光近净成型技术原理

激光近净成型技术较传统的切削加工技术的主要优势如下：

1）加工成本低，没有前后的加工处理工序。

2）所选熔覆材料广泛，且可以使模具有更长的使用寿命。

3）几乎是一次成型，材料利用率高。

4）准确定位且面积较小的激光热加工区以及熔池可以得以快速冷却，是激光近净成型系统最大的特点。一方面可以减少对工作底层的影响，另一方面可以保证所成型的部分有精细的微观组织结构，成型件致密，保证有足够好的强度和韧性。

该工艺和激光焊接及激光表面喷涂相似，成型要在由氩气保护的密闭仓中进行。保护气氛系统可防止金属粉末在激光成型中发生氧化，降低沉积层的表面张力，提高层与层之间的浸润性，同时有利于提高工作环境的安全性。

2.激光近净成型工艺的应用

图2-69为其中四个金属粉喷嘴喷射金属粉且被激光进行熔化的工作现场。能量源为5kW的HLJ—4工业用横流CO₂激光器，激光功率与离焦量可调，送粉系统为DPSF—3型送粉器，侧向送粉，倾斜角度约为40°，喷嘴内径为φ2.2mm，送粉量可调。

目前激光近净成型工艺可以成型的材料主要有316不锈钢、镍基耐热合金Inconel625、H13工具钢、钛和钨。

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图2-69 激光熔化金属粉形成熔池

激光近净成型工艺一般用来制造高密度的铸模，图2-70是通过激光近净成型工艺制造的一些铸模。另外激光近净成型工艺也可以对一些金属物件进行修补，例如修补飞机的喷射叶片，利用激光将金属粉末喷涂在叶片损坏的地方。近年来，激光近净成型工艺在航空航天领域大型高强难熔合金零件的制作上取得了成功应用。

图2-70 激光近净成型工艺制造的铸模

3.激光近净成型工艺与粉末选区激光熔化工艺的比较

LENS工艺与SLM工艺都是采用大功率激光对金属粉末材料进行熔化后冷却成型。二者的基本原理是一致的，所不同的是前者采用的是同步送粉激光熔覆，而后者是采用预制送粉的激光熔覆。由于建造过程中设备系统可实现的精度控制以及建造方式上的差异，二者制造出来的金属构件的精度质量与性能等指标也存在着许多差异，具体对比如下：

（1）成型精度 由于LENS是采用开环控制，属于自由成型，所以实际成型高度误差与z轴增量有很大的关系。z轴增量决定了聚焦透镜与制造工件之间的垂直距离，其大小直接影响到激光光斑的大小，进而影响激光能量密度的大小。而SLM采用预制粉末铺层，其层厚比较均匀，且层厚尺寸可以精确控制，在涂层过程中可以补偿粉层高度，且激光聚焦一直保持在固定的高度平面上。可见，相比较而言，LENS适于粗加工且尺寸较大的零件，而SLM适于加工尺寸相对较小且尺寸精度要求相对较高的零件。

（2）成型效率 在大致相同的工艺条件及精度质量等要求下，由于SLM激光跳转速度与扫描速度较LENS高出一个数量级以上，因此，SLM的加工效率较LENS要高。

以20mm×20mm×10mm长方体成型为例，两种工艺方法的加工参数见表2-1，其成型时间见表2-2。此长方体的加工时间SLM为LENS的60%。

表2-1 LENS与SLM工艺的加工参数

表2-2 LENS与SLM工艺加工时间对比

（3）微观结构与性能 两种工艺方法制作的结构件的微观低倍形貌都清晰可见扫描路径，高倍形貌都可见层间的叠层痕迹。二者的金相组织均显示为枝状晶组织，且定向凝固特征明显，晶粒增长方向为温度梯度较大的方向。LENS结构件的抗拉强度优于SLM结构件，但SLM结构件显微硬度要高于LENS结构件。