提要：為激光熔覆快速柔性制造金屬零件（lrfm），研制了一種新型的同軸送粉噴嘴，制造了一些簡單外形的nicrsib合金零件，研究了這些金屬零件的微觀組織、成分均勻性、硬度分布和抗拉強度。要進步激光熔覆快速制造零件的精度必須保證制造過程的穩(wěn)定性，因而對整個制造過程的主要影響因素進行閉環(huán)控制。
快速成型技術(shù)是一種優(yōu)異的*制造方法，它能夠直接利用計算機cad模型、無需特定模具而在幾個小時之內(nèi)制造出復(fù)雜外形的立體模型或?qū)嶓w。目前快速成型技術(shù)包括立體光刻（sla）、層疊制造（lom）、選擇性激光燒結(jié)（sls）、熔融金屬堆積（fdm）、三維印刷（3dp）、軌道粒子制造（bpm）等多種方法。但目前rp技術(shù)通常只能制造出非金屬原型（如聚合物、蠟、紙或包敷粉末），它們固然具有良好的外形精度，但是不具備機械強度和機械性能。因此發(fā)達國家均大力發(fā)展能夠直接制造出全密度高強度功能性金屬零件的新型快速制造技術(shù)[1-8]，基于激光熔覆的激光快速柔性制造技術(shù)（lrfm）或直接金屬沉積（dmd）是快速成型技術(shù)的進一步發(fā)展，它將現(xiàn)有的快速成型技術(shù)推進到金屬和高溫合金的新高度，是快速成型基本原理和激光加工技術(shù)精華的集成。
激光快速制造的基本考慮
lrfm是一種與傳統(tǒng)制造方法（往除無用的部分）*不同的添加式（添加有用部分）制造技術(shù)。將一束高功率激光聚焦到工件表面形成熔池，金屬粉末被同軸噴進熔池形成熔覆層，根據(jù)cad給定的路線往返掃描激光束便可逐線逐線、逐層逐層地制造出金屬零件實體。由于激光熔覆的快速凝固特征，所制造出的金屬零件具有優(yōu)良的質(zhì)量和強度。lrfm是一種基于激光熔覆的包括激光、cad、cam、傳感器和粉末冶金的綜合制造技術(shù)。
激光熔覆zui初是一種涂層技術(shù)，激光熔覆道沿平面橫向多道搭接可以獲得高性能的表面涂層，將激光熔覆面沿垂直方向向空間多層疊加便可以制造出三維金屬零件。激光熔覆作為一種制造技術(shù)，必須考慮以下幾個因素:
能夠獲得各向同性熔覆結(jié)果的高質(zhì)量同軸送粉噴嘴;激光熔覆的三維成型能力;制造精度和它的影響機制;制造過程中關(guān)鍵影響因素的檢測;制造過程關(guān)鍵參數(shù)的閉環(huán)控制;特種cad/cam軟件的研制;對工作臺運動系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)的特殊要求;激光束質(zhì)量和外圍設(shè)備的特定要求。
新型同軸噴嘴的研制
本文研制了一種新型的多功能同軸送粉噴嘴（參見封面照片），能夠滿足激光快速制造的要求，該同軸噴嘴具有以下特點:
靈活方便的垂直裝卸功能;對粉末流的動態(tài)均勻化功能;噴嘴內(nèi)部部件的良好冷卻，保證長時間穩(wěn)定可靠地工作;出口光斑大小的調(diào)節(jié)功能;適合焦距范圍為100-300mm;反射激光能量和反彈金屬粉末的再利用功能。
激光制造實驗
實驗采用rpc3000型快軸流co2激光器和數(shù)控工作臺以及正壓式氣動送粉器和前述同軸送粉噴嘴。熔覆材料為ni25b鎳基合金，成分如下表，基體為低碳鋼。
ni25b粉末成分和性能表
實驗結(jié)果與討論
1.lrpm制造簡單外形金屬零件
基于新型同軸噴嘴的激光熔覆技術(shù)，用逐層疊加的方法制造出了一些簡單外形（如薄壁、圓筒）的金屬零件（如圖1），主要工藝參數(shù)為:激光功率2kw，光斑直徑4.5mm，掃描速度0.1m/min，送粉速度11.2g/min，氣體流量l/h。制造圓柱型和簡單薄壁簡單零件時，采用不加特殊控制的激光熔覆工藝也能制造出表面質(zhì)量和穩(wěn)定性相當好的零件。但是，在制造轉(zhuǎn)角零件如五邊形時，出現(xiàn)了熔覆堆高高度前后不一的情況，這表明僅僅采用常規(guī)激光熔覆的工藝方法和參數(shù)是難以保證金屬零件的質(zhì)量的。激光熔覆制造是一個由點到線到面的逐步制造過程，每個零件的制造完成涉及很多熔覆層的疊加，因而激光熔覆的工藝尤其是工藝的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的，只有對熔覆制造的關(guān)鍵影響因素如熔池溫度、熔覆速度、熔覆高度等因素實行實時閉環(huán)控制才能保證整個制造過程的穩(wěn)定性和制造零件的高精度。
圖1利用lrfm技術(shù)制造的簡單金屬壁和筒狀零件
2.金屬零件的微觀組織
用sem對制造樣品的橫斷面和縱斷面微觀結(jié)構(gòu)進行了分析，如圖2所示。激光制造零件的微觀組織是一種非常細小的典型凝固枝晶，組織很致密且無裂紋和明顯的氣孔缺陷（圖2a）。后面的熔覆層以前道熔覆層為基礎(chǔ)并以外延生長方式逆熱流方向而生長，搭接生長區(qū)的組織（圖2b）比熔覆層本身（圖2c）略微粗大。橫斷面的組織與縱斷面情況類似。
圖2激光制造樣品的微觀組織
3.制造零件的成分分析利用sem線掃描對樣品零件的成分分布進行了分析。圖3a是ni元素沿兩個搭接區(qū)域和熔覆層中間的線分布圖。圖3b是ni元素和cr元素沿試樣縱截面的線分布圖。兩圖都表明各元素在零件中的分布都很均勻。
圖3元素分布
4.硬度分布
熔覆制造金屬零件的硬度分布也是相當均勻的，如圖4所示。
圖4硬度分布
5.抗拉強度實驗
對從基板上割下的熔覆壁進行了抗拉強度實驗，zui大抗拉強度分別是451mpa和454mpa，高于標定的金屬粉末強度。
6.討論
lrfm是一種基于激光熔覆的制造技術(shù)，它的成型能力和制造精度受很多因素影響，包括工藝參數(shù)（如激光功率、光斑直徑、掃描速度、送粉率）、熔覆零件的幾何外形、多層搭接的溫度特征、熔覆速度的變化等。這些因素會影響熔覆過程的穩(wěn)定性，從而直接影響到熔覆零件的幾何外形、制造質(zhì)量和制造精度。為了保證熔覆過程的穩(wěn)定性，必須對主要影響因素，如制造過程中的溫度積累效應(yīng)、熔池幾何外形的變化以及噴嘴與熔覆表面的間隔等，實現(xiàn)閉環(huán)控制。
結(jié)論
基于激光熔覆的快速柔性制造技術(shù)能夠制造出全密度、全強度的凈成形金屬零件。lrpm技術(shù)的成型能力和制造精度主要依靠于激光熔覆過程的穩(wěn)定性，從而要求實現(xiàn)對關(guān)鍵工藝參數(shù)的閉環(huán)控制。