壹、前言
激光增材制造（LAM）屬於以激光為能量源的增材制造技術，能夠徹底改變傳統金屬零件的加工模式，主要分為以粉床鋪粉為技術特征的激光選區熔化（SLM）、以同步送粉為技術特征的激光直接沈積（LDMD） [1] 。目前 LAM 技術在航空、航天和醫療領域的應用發展最為迅速 [2~4]。鑒於相關領域主要涉及金屬結構制造，本文重點開展金屬LAM 技術的發展研究。
隨著金屬零件使用性能和結構復雜程度的提高，采用鑄造、鍛造等傳統工藝實施制造的難度、成本和周期迅速增加，而兼具技術先進性和資源經濟性的 LAM 技術為高性能、復雜結構制造提供了新型解決方案：實現拓撲優化結構、點陣結構、梯度材料結構、復雜內部流道結構等不再困難，結構功能壹體化、輕量化、超強韌、耐極端載荷、超強散熱等新型結構得以應用，相應結構效能大幅提高 [1,4]。例如，美國通用電氣公司（GE）SLM 航空發動機燃油噴嘴、北京航空航天大學 LDMD 飛機鈦合金框是典型應用案例。
從當前國內外金屬 LAM 技術的發展情況來看，真正走向產業化的技術方向還屬少數，這是因為基礎理論積澱、關鍵技術突破、工程化應用技術成熟度、技術研發商業化推廣等方面在不同程度上制約了 LAM 技術產業化應用。目前國內外研究主要集中在控性研究，側重孔隙率、裂紋、組織特征、各向異性等基礎研究 [5~9]。有關控形、檢測、產品標準等偏向產品研發的研究報道較少，這也表明金屬 LAM 整體上處於從技術研究向產業應用過渡的發展階段。
本文通過文獻、現場和問卷調研，對金屬 LAM 領域研究與應用的發展現狀和趨勢進行系統梳理，分析國內與國外、理論研究與應用需求的差距，提出產業化應用涉及的核心關鍵技術和瓶頸工藝，以期推動我國金屬 LAM 技術產業應用的發展。
二、金屬激光增材制造需求分析
LAM 基於數模切片，通過逐層堆積來實現金屬零件的近凈成形制造，尤其適合復雜形狀零件、梯度材質與性能構件、復合材料零件和難加工材料零件的制造，在航空航天等先進制造方向備受青睞。壹方面，相關零件外形復雜多變、材料性能要求高、難以加工且成本較高；另壹方面，新型飛行器朝著高性能、長壽命、高可靠性、低成本的方向發展，采用復雜、大型化的整體結構成為設計亟需。
SLM 成形的零件精度較高，但零件尺寸受加工室限制，故 SLM 主要用於小尺寸或中等尺寸的復雜精密結構精確成形，相應產品結構的功能屬性壹般大於承載屬性。為了滿足總體性能需求，航空發動機的燃油噴嘴（具有復雜的內部油路、氣路和型腔）、軸承座、控制殼體、葉片，飛機艙門支座、鉸鏈，輔助動力艙格柵結構進氣門、排氣門，衛星支架等零件，需進行結構創新設計，成為 SLM 技術的適宜應用對象。
LDMD 成形的零件力學性能好，但尺寸精度相對不高，主要用於中等尺寸或大尺寸復雜承力結構的制造，相應產品結構的承載屬性壹般大於功能屬性。航空發動機各類機匣、壓氣機 / 渦輪整體葉盤等結構，形狀較為復雜，為了提高效能甚至需采用異種或功能梯度材料結構。為了兼顧質量減輕和承載效能提升，飛機接頭、起落架、承力框、滑輪架，高速飛行器機翼 / 空氣舵的格柵結構承載骨架等承力構件，需進行結構拓撲優化設計。這類結構突出的復雜性和制造難度，對 LDMD 技術提出了明確需求。
此外，飛機、發動機的某些帶有局部凸臺、耳片等特殊結構的承力構件，采用鍛造工藝將難以保證局部構型和性能；大型飛機的超大規格鈦合金承力框已經超出現有鍛造設備的加工能力上限。這對鍛造 + 增材制造 / 增材連接的復合制造技術提出了明確需求。
三、國外金屬激光增材制造發展現狀
（壹）技術研究現狀
1. 激光選區熔化技術
相關企業采用真空感應氣霧化（VIGA）、無坩堝電極感應熔化氣體霧化（EIGA）、等離子旋轉霧化（PREP）、等離子火炬（PA）等方法制備 SLM 用粉末，具有批量供貨能力，占據了全球主要市場 [10] 。
LAM 工藝研究的關註點主要是組織性能調控，完成了較多有關 SLM 組織、缺陷、性能及其與工藝參數的關系研究。例如，對於不銹鋼零件SLM，增加激光功率、降低掃描速度均有利於提高致密度 [11] ；高的表面粗糙度和孔隙率都會降低AlSi10Mg 鋁合金 SLM 的耐腐蝕性能，而形成的氧化膜可提高耐腐蝕性能；AW7075 鋁合金 SLM 試樣內部產生垂直於增材方向的裂紋，而預熱鋁粉對裂紋控制無改善作用，內部裂紋導致疲勞壽命遠低於傳統工藝 [7] 。
能量密度對 Ti-6Al-4V 鈦合金的 SLM 組織和缺陷存在明顯的影響 [5,12,13]：低能量密度造成片層狀的 α+β 相組織，容易引發氣孔和熔合不良現象；高能量密度造成針狀馬氏體 α′ 組織，促進鋁元素偏聚和 α2 -Ti3Al 相形成；沈積態 Ti-6Al-4V 合金疲勞強度比鍛件降低約 80% [6] ；熱等靜壓可降低孔隙率並改善性能。對於 CMSX486 單晶合金 SLM，低能量密度減少裂紋，高能量密度降低孔隙率 [8] 。CM247LC 合金 SLM 縱截面主要由柱狀 γ 晶粒組成，Hf、Ta、W、Ti 偏聚增加了沈澱物和殘余應力，造成零件內部開裂 [14] 。IN738LC 高溫合金 SLM 的微裂紋與 Zr 在晶界處富集偏析有關 [15] 。適量添加 Re 可以細化 IN718 合金的樹枝狀晶，但過量的 Re 對疲勞強度不利 [14] 。SLM 的 Hastelloy-X 合金經熱處理形成等軸晶，屈服強度降低；經熱等靜壓後抗拉強度恢復沈積態水平，延伸率可提高 15% [16] 。
對於金屬 LAM 工藝，國外開展了較多精細的研究。據了解，德國設備商針對壹種新材料進行 SLM 工藝開發，需耗時 6~8 個月，調整參數達70 余個。通過拓撲優化來實現結構輕量化設計也是SLM 應用研究的重點，國外對應提出了設計引導制造、功能性優先等新理念。還發展了特殊支撐設計技術，使得制件與基板分離無需線切割，有效縮短了取件周期。
此外，金屬 LAM 標準研究和制定工作壹直與技術應用同步發展。2002 年，美國發布了《退火Ti-6Al-4V 鈦合金激光沈積產品》，隨後陸續頒布了19 項相關標準，涵蓋產品退火和熱等靜壓制度、時效制度，制造過程消除應力退火制度等諸多方面。標準的及時形成對 LAM 技術的產業應用發揮了基礎支撐作用。
2. 激光直接沈積技術
1995 年，美國約翰斯 · 霍普金斯大學、賓夕法尼亞州立大學、MTS 系統公司***同開發了基於大功率 CO2 激光器的大尺寸鈦合金零件 LDMD 技術，沈積速率為 1~2 kg/h，促成 LDMD 零件在飛機上的應用 [12] 。
LDMD 技術研究主要包括成形工藝和組織性能。美國桑地亞國家實驗室和洛斯 · 阿拉莫斯國家實驗室制備的 LDMD 成形零件，其力學性能接近甚至超過傳統鍛造零件。瑞士洛桑聯邦理工學院研究了單晶葉片 LDMD 修復過程的穩定性、零件精度、組織、力學性能與工藝參數的關系，形成的修復技術已獲得工程應用。
國外學者針對 Ti-6Al-4V 合金的 LDMD 技術進行了深入研究，揭示了工藝參數和增材制造組織、力學性能之間的聯系，闡明了工藝調整和熱等靜壓對組織、性能的調整作用 [13,17~19]。LDMD 技術為材料顯微組織控制提供了較大的自由度：通過調節鎳基高溫合金 LDMD 形核與生長條件得到了符合預期的單晶與多晶組織 [9] ；美國國家航空航天局（NASA）發展的混合沈積多種金屬於同壹結構的 LDMD 技術，可使零件性能隨部位不同而變化。德國企業將 LAM 技術與傳統切削加工方法進行整合，可加工出傳統工藝難以制造的復雜形狀零件，且產品精度提高、表面粗糙度改善 [11] 。
（二）設備發展現狀
LAM 技術推廣應用的基礎是經濟高效的 LAM 設備。SLM 設備研制集中在德國、法國、英國、日本、比利時等國家，LDMD 設備研制國家主要有美國和德國等。
1. 激光選區熔化設備
德國是 SLM 技術及設備研究起步最早的國家，EOS 公司推出的 SLM 設備具有壹定的技術優勢，相關設備應用於 GE 公司 LEAP 航空發動機燃油噴嘴的加工制造，通過監控增材制造過程來進壹步提高制造產品的質量；Realizer GmbH 公司的全方位設計、零件堆疊技術方案別具特色；Concept Laser 公司的設備以構建尺寸大見長；SLM Solutions 公司的激光技術和氣流管理技術處於領先位置。美國3D Systems 公司依靠其專用粉末沈積系統的技術優勢，可以成形精密的細節特征。英國 Renishaw PLC 公司在材料使用靈活性、更換便捷性方面具有技術特色。
2. 激光直接沈積設備
美國 EFESTO 公司在大尺寸金屬 LAM 方面具有技術優勢，所研制的 LDMD 設備工作室尺寸可達 1500 mm 1500 mm 2100 mm。美國 Optomec 公司推出的 LDMD 設備具有 900 mm 1500 mm 900 mm 的工作室空間，配置了 5 軸移動工作臺，最大成形速度為 1.5 kg/h。德國企業提供的激光綜合加工系統也是主流的 LDMD 設備。
近年來，增減材復合加工設備成為市場新熱點。日本 DMG 公司推出了配有 2 kW 激光器、輔以5 軸聯動數控銑床的 LDMD 設備，成形速度較普通粉床提高 20 倍，可在制造過程中銑削最終零件的不可達部位。日本 Mazak 公司推出的相關設備能夠進行 5 軸車銑復合加工，使用對象包括多棱體鍛件或鑄件、回轉體零件和復雜異形零件。
（三）應用狀況
鈦合金 LAM 在航空領域取得重要應用。美國率先將 LDMD 鈦合金承力零件用於艦載殲擊機；Carpenter 技術公司采用高強度的定制不銹鋼進行增材制造，生產先進的航空齒輪；F-22 飛機維修采用了 SLM 耐蝕支架，使得維修時間顯著縮短。英國成功將 LDMD 技術應用於無人機的整體框架制造。
SLM 技術在航空發動機的復雜零件制造方面獲得廣泛應用。美國 GE 公司率先將 SLM 技術應用於高壓壓氣機的溫度傳感器外殼生產，產品獲得美國聯邦航空管理局（FAA）批準，配裝了超過400 臺 GE90-40B 航空發動機。GE 公司 LEAP 系列航空發動機的燃油噴嘴同樣采用 SLM 技術進行生產（2020 年具備 44 000 個 / 年的生產能力）。美國普惠公司采用 SLM 技術生產管道鏡套筒，配裝了 PW1100G-JM 航空發動機。英國羅羅公司采用SLM 制造了遄達 XWB-97 航空發動機的鈦合金前軸承組件（包含 48 個翼型導葉）。
2012 年起，LAM 技術獲得了航天飛行器制造方面的應用。NASA 采用 LAM 技術制造 RS-25 火箭發動機的彎曲接頭，在零件、焊縫、機械加工工序的數量方面相比傳統方法下降了約 60%；若氫氧火箭發動機采用整體化設計和制造方法，零件總數將下降 80%。法國泰雷茲集團采用 SLM 技術制造了 Koreasat5A、Koreasat7 通信衛星的測控天線支撐零件（鋁合金），降低質量約 22%，節省經費約30%。
LAM 技術的推廣應用，加速了航空航天飛行器的結構拓撲優化和點陣結構設計。歐洲 Astrium 公司 Eurostar E3000 衛星平臺的遙測 / 遙控天線鋁合金安裝支架，采用 LAM 進行整體制造後降低質量約 35%、提高結構剛度約 40%。美國 Cobra Aero 公司與英國 Renishaw PLC 公司合作，完成了具有復雜點陣結構的發動機整體部件 LAM 制造。此外，增減材復合加工技術開始走向應用。維珍軌道公司（Virgin Orbit）使用增減材混合機床進行火箭發動機燃燒室零件制造與精加工，2019 年完成了 24 次發動機測試運行。
（四）發展經驗與啟示
回顧國際上金屬 LAM 技術的發展過程，以產業發展牽引技術研究和設備開發，通過產業鏈整合提高市場競爭力是重要的經驗。應用企業關註自身產品的制造質量和生產成本，作為技術發展的主體和最大受益者，由其來整合材料、工藝、設備、驗證、標準研究和人員培訓，可以更加高效地推動LAM 產業的發展。例如，美國 GE 公司 LAM 產業應用居於世界領先地位，主要歸因於產業鏈整合策略，收購了制造質量控制公司和增材制造設備公司以加強 LAM 產業鏈條的完整性；產品制造利用了遍布全球的 300 多臺工業級制造設備。國外企業註重 LAM 產品制造方面的人員培訓，如 GE 公司設有增材制造培訓中心，配置專門設備，每年可培訓數百名工程師。
四、國內金屬激光增材制造發展現狀與差距分析
（壹）發展現狀
1. 金屬 LAM 技術
國內圍繞 LDMD 組織、缺陷、應力變形控制等完成了較多的研究工作 [11,13,14]。北京航空航天大學發展了鈦合金大型結構件 LDMD 內部缺陷和質量控制等關鍵技術 [20] 。西北工業大學完成了飛機超大尺寸鈦合金緣條的 LDMD 制造，成形精度和變形控制達到較高水平。沈陽航空航天大學提出分區掃描成形方法，有效控制了 LDMD 過程零件變形和開裂。有研工程技術研究院有限公司突破了葉盤和進氣道的 TC11、TA15/Ti2AlNb 異種材料界面質量控制及復雜外形壹體化控制難題，產品通過試驗考核。
國內針對 SLM 技術方向重點開展了形狀尺寸、表面粗糙度精確控制等研究。西安鉑力特激光成形技術有限公司采用 SLM 方法加工的流道類零件最小孔徑約為 0.3 mm，薄壁零件的最小壁厚約為0.2 mm；零件整體尺寸精度達到 0.2 mm，粗糙度Ra 不大於 3.2 μm。南京航空航天大學以 SLM 精密制造為主線，通過全流程控制來提升零件綜合性能。西安交通大學將 LAM 應用於空心渦輪葉片、航天推進器、 汽車 零件等的制造 [11] 。
中國航發北京航空材料研究院完成了 LAM 技術綜合研究：LDMD 制造的鎳基雙合金渦輪整體葉盤通過超轉試驗考核，增材修復的伊爾 -76 飛機起落架獲得批量應用；研制了 LAM 超聲掃查與評價系統，建立了檢測標準與對比試塊，評價和無損檢測技術成果應用於飛機滑輪架、框架等裝機零件的批量檢測。
在 SLM 粉末方面，國內產品基本滿足成形工藝要求。中國科學院金屬研究所突破了 SLM 用超細鈦合金和高溫合金粉末的潔凈化制備技術，性能達到進口產品水平。西安歐中材料 科技 有限公司研制的鈦合金和高溫合金粉末產品獲得工程應用。
2. 金屬 LAM 設備
國內的LDMD和SLM設備研發能力相對較強，獲得壹定份額的市場應用。西安鉑力特激光成形技術有限公司自主開發了 SLM 系列裝備、激光高性能修復系列裝備。南京中科煜宸激光技術有限公司研制了自動變焦同軸送粉噴頭、長程送粉器、高效惰性氣體循環凈化箱體等核心器件，形成了金屬LDMD 系列化裝備。此外，北京易加三維 科技 有限公司、北京星航機電裝備有限公司在工業級和小型金屬 SLM 設備小批量生產，上海航天設備制造總廠有限公司在標準型和大幅面 SLM 設備和機器人型 LDMD 設備研制等方面均取得了良好進展。
3. 金屬 LAM 應用
LDMD 主要應用於承力結構制造。北京航空航天大學制造的主承力框、主起落架等部件獲得了航空航天飛行器、燃氣渦輪發動機等裝備應用。航空工業沈陽飛機設計研究所通過工程化應用驗證來促進 LDMD 技術成熟度提升，實現了 8 種金屬材料、10 類結構件的飛行器應用。航空工業第壹飛機設計研究院實現了大型飛機外主襟翼滑輪架、尾翼方向舵支臂 LDMD 零件的裝機應用。北京機電工程研究所實現了大尺寸薄壁骨架艙段結構的 LDMD 制造及應用。
SLM 主要應用於復雜形狀零件制造。在航空領域，中國航空制造技術研究院實現了 SLM 產品裝機應用；航空工業成都飛機設計研究所在飛機上使用了 SLM 輔助動力艙格柵結構進 / 排氣門；航空工業直升機設計研究所在通風格柵結構、淋雨密封結構、進氣道多腔體結構等方面實現了 SLM 零件裝機應用。在航天領域，上海航天設備制造總廠有限公司的貯箱間斷支架、空間散熱器、導引裝置等 SLM 產品獲得裝機應用；北京星航機電裝備有限公司的艙段類結構件、操縱面等 SLM 產品通過地面試驗及飛行試驗驗證；北京機電工程研究所實現了小型復雜零件的 SLM 制造，操縱面、支架等產品的技術成熟度達到 5 級；鑫精合激光 科技 發展（北京）有限公司應用 SLM 制造了大尺寸薄壁鈦合金點陣夾層結構件（集熱窗框），滿足了深空探測飛行器的嚴格技術要求。
此外，西安鉑力特激光成形技術有限公司利用SLM 技術，每年可為航空航天領域提供 8000 余件零件；華中 科技 大學通過增減材復合加工方式制造了具有隨形冷卻水道的梯度材料模具，獲得了較多的行業應用。
（二）面臨的差距
1. 金屬 LAM 材料設計和制備技術存在差距
國內 LAM 專用材料的設計理論和方法體系尚顯薄弱，專用材料設計工作少而分散。材料基因組技術縮短研發周期並降低研發成本，在國外相關材料設計方面取得了成功應用。國內在材料基因組技術的研究以及用於提高 LAM 專用材料性能等方面的基礎較為薄弱。
在粉末制備方面，國內真空氬氣霧化制粉技術相對成熟，制備的不銹鋼、鎳基合金類粉末性能基本滿足成形工藝要求。但在鈦合金、鋁合金超細粉末制備方面存在不小差距，主要問題是粉末球形度差、細粉收得率低，不能滿足 SLM 成形要求，使得實際應用仍依賴進口。
2. 金屬 LAM 裝備設計和制造技術存在差距
我國與美國、德國等 LAM 技術強國的差距主要在於工藝裝備。國內應用的 SLM 設備較多依賴德國進口，而大尺寸工程應用的 SLM 設備主要依靠進口。國內企業在激光器、振鏡等核心部件方面缺乏自研能力，國產設備的加工尺寸、穩定性、加工精度亟待提升，有關粉末流態、熔池狀態等過程監控與成形的國產控制軟件不夠完善。
3. 金屬 LAM 工藝研究不足
隨著渦輪發動機、飛機等重要裝備用材的使用性能不斷提高，材料工藝性出現了下降。國內對航空主幹材料的 LAM 工藝研究不足，未能形成應力變形、開裂控制等有效方法，制件內部組織缺陷的問題尚未得到根治，制件力學性能均勻壹致性、批次穩定性欠佳。而先進航空發動機、高速飛行器所需的超高溫結構材料的 LAM 工藝研究更為欠缺。
4. 產品尺寸精度和表面粗糙度不滿足技術要求
LDMD 飛機結構件壹般留有加工余量，尺寸精度和表面粗糙度不壹定是關鍵制約因素。然而渦輪發動機零件多為帶內部流道、空腔的復雜結構零件，相應 SLM 成形尺寸精度約為 0.1 mm、表面粗糙度Ra 約為 6.3，尚與精密鑄件存在差距。相關產品還面臨著成形、內表面加工等技術研究不足的問題。
5. 金屬 LAM 的指導標準欠缺
現階段我國 LAM 行業面臨的***性問題是缺少質量控制標準，使得在金屬 LAM 產品的設計、材料、工藝、檢測、組織性能、尺寸精度等方面缺乏驗收依據。作為零件應用基礎的無損檢測、力學性能、冶金圖譜等基本數據，由於缺乏整理而致使產品標準制定困難、產業化應用推廣保障不足。
五、我國金屬激光增材制造關鍵技術分析
1. 激光加工頭等核心器件的設計制造
開展具有自主知識產權核心器件研制，重點在於提高處理器、存儲器、工業控制器、高精度傳感器、數字 / 模擬轉換器等基礎器件質量性能，開展工藝裝備核心器件、關鍵部件的設計與制造；研發高光束質量激光器及光束整形系統，大功率激光掃描振鏡、動態聚焦鏡等精密光學器件，高精度噴嘴加工頭等核心部件。
2. 掃描策略、參數規劃及在線監控
突破數據設計、數據處理、工藝庫、工藝分析及工藝智能規劃、在線檢測與監測系統、成形過程自適應智能控制等方面的軟件技術，構建具有自主知識產權的 LAM 核心支撐軟件體系。
3. 基於材料基因組的 LAM 材料設計優選
發展遠離平衡條件的專用材料高通量技術模型，開發適用於高通量計算的多尺度模擬算法。研究成分和組織結構微區可控的粉體材料制備技術，通過高通量實驗來建立材料基因數據庫。通過高通量計算、實驗、數據庫的協同，快速研發具有優異性能的 LAM 專用材料。
4. 主幹材料典型結構 LAM 控性與控形
針對若幹關鍵材料及典型零件，開展 LAM 控性、控形***性關鍵技術、零件工程化應用的研究。掌握零件生產制造過程中影響最終質量的因素和解決措施，形成工程可用的 LAM 技術體系，涉及原材料控制、工藝設備、成形工藝、熱處理、機械加工、表面處理、無損檢測和驗證試驗等。重視LAM 零件的均勻壹致性和批次穩定性，契合工程實際應用需求。
六、結語
為了在金屬 LAM 技術及其工程應用方面迎頭趕上，我國 LAM 的發展應遵循“技術 – 產品 – 產業”的客觀規律，夯實組織性能控制技術基礎，補齊核心設備在硬件 / 軟件研發與集成方面的短板，強化產品質量控制、標準和驗證，穩步推進產業化應用。
（1）夯實激光增材制造研究基礎，發揮高等院校和科研院所的技術 探索 與攻關能力。由工業部門或應用單位牽頭開展產品 LAM 工藝開發和性能驗證，本著先易後難原則，由常規金屬逐步向金屬間化合物、鈮 – 矽超高溫合金等先進材料方向拓展。
（2）有序推進工程化應用研究。先期在航空、航天領域選取代表性產品開展 LAM 質量控制、標準和驗證工作，盡快實現產品量產和工程應用；隨後逐步向結構復雜、工況苛刻、加工性差的高價值產品拓展，在核工業、兵器、 汽車 、電力裝備等先進制造領域推廣應用。
（3）紮實開展 LAM 產品質量控制標準研究與制定。積累有關 LAM 的缺陷無損檢測、力學性能、冶金圖譜、疲勞壽命等基本數據，確定材料、工藝、無損檢測、組織與力學性能、尺寸精度、表面粗糙度等方面驗收依據，制定我國 LAM 產品技術標準。
（4）結合工業實際需求，在高等院校、職業技術學院增設 LAM 相關專業，為企業培養專業技術和技能人才。在優勢技術企業內設立 LAM 培訓中心，對我國諸多行業的設計人員、工藝人員和設備操作人員進行專項培訓，從而為 LAM 產業發展提供智力支持。