激光熔覆在材料加工领域获得广泛应用

　快速制造
　　在粉末层添加制造中，激光束熔化沉积粉末，形成一个20～40µm的薄层，用于直接金属粉末激光烧结（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）；形成100～150µm的薄层，用于选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）；然后，附加的粉末将沉积到每个凝固薄层的表面，重复这样的过程，就可以将这些薄片建立成三维零部件。DMLS和SLS技术由德国Electro Optical Systems公司首创。利用DMLS和SLS技术，可以用尼龙、玻璃填充尼龙或聚苯乙烯等材料，制造体积为700×380×580mm3的聚合物Ô¬型和美术模型；用不锈钢、钛和其他金属材料制造体积为250× 250×195mm3的金属零部件。英国3T RPD 公司利用DMLS和SLS技术为广泛的应用领域开发定制零部件，其应用领域从建筑模型到牙齿种植体（见图2、图3）。该公司甚至为一辆智能轿车设计了改进的SLS尼龙部件，这些部件同出厂生产的部件一样，能很好地工作。

图2：用高功率激光束逐层熔化聚合物或金属粉末，生产定制的航空涡轮零件

图3：甚至能直接从CAD模型生产牙齿移植体“牙科实验室用直接金属粉末激光烧结方法创建牙冠（coping）和牙桥(bridge)；我们公司的EOSINT M 270型金属烧结设备为客户定制了一批数量达200只以上的假牙，DMLS技术显著提高了实验室的产量，同时还能满足严格的质量要求。”EOS公司医疗客户经理Martin Bullemer说，“大批量定制正在牙科、外科仪器Ô¬型和假肢制造领域产生一定的影响力。激光烧结技术在新兴领域的应用将变得更为实用，并且更具成本效益。”

　　POM Group首席运营官（COO）Bhaskar Dutta表示，对于用昂贵材料建设性能优良的结构而言，激光金属沉积方法能减少生产时间，降低生产成本，并且与传统的机械加工方法相比，还可以减少能源消耗。POM Group是一家快速制造公司，其直接金属沉积（DMD）激光工艺在业界处于领先地位。Dutta指出，在由美国航天局（NASA）发起的一项案例研究中，建立了一个镜子房，其采用闭环反馈控制DMD系统。案例研究中，将用DMD方法制造的部件与用电火花加工（EDM）方法用固态金属板制造的部件进行了比较，结果显示，EDM方法产生了大量废料（见图4）。“制造同样的零部件，DMD加工需要的材料仅仅是EDM方法所需材料的1/3，从而能大量节省成本，特别是对于像镍合金这样的昂贵材料来讲，DMD的加工优势更加明显。”Dutta说道。

图4：由美国航天局（NASA）发起的一项案例研究中，建立了一个镜子房用于激光直接金属沉积。案例研究对DMD和EDM这两种加工方法进行了比较，结果显示，DMD在材料节省、降低能耗和提高加工速度等方面都大大优于EDM。

　　修复与再造
　　飞机制造商们预计，他们对发动机的需求将呈增长态势。“预计到2025年，飞机发动机的需求量将超过11.4万台，这为飞机发动机制造商在制造过程中减少对环境的影响，带来了一定的挑战。”英国Rolls-Royce公司生产过程主管Steve Beech说，“对于某些零部件，BTF比率（buy-to-fly ratio，即制造一个零部件所需的Ô¬材料量与最终零部件中所含材料量的比率）甚至高达13:1，也就是说，用13公斤的钛材料加工成的零部件中，只含有1公斤的钛，其余的都成了废料。”

　　对一个高压涡轮航空发动机的密封部件进行激光添加修复，是减少新制造对环境影响的一个很好的例子。“对于这种单晶零部件，传统的制造方法是用EDM方式加工晶格（lattice），并在固体基底中加入耐磨性材料，当涡轮叶片的密封元件摩擦到它时，在发动机服务期间受到磨损的是这种耐磨基底。” Beech说（见图5）。在这种应用中，传统的技术（如在一个密封元件上焊接一个新的晶格）并不可行，因为晶格壁的厚度必须要小于0.3mm（并且每个涡轮机具有34个密封元件，这样做成本高昂）。“但是利用直接激光沉积技术熔化合适的粉末来建立晶格，修复成本将下降到OEM成本的一半。”Beech 说。

图5：激光添加制造可用于为航空零件上的晶格制造厚度为0.3mm的薄墙。晶格内充满陶瓷以达到密封功能，并避免涡轮叶片对其的磨损。

　　美国GE Aviation公司采用激光熔覆技术的历史已经长达20多年。“激光熔覆适用于对那些从现场返回的硬件进行颇具成本效益的修复和表面硬化，例如用于