作為增材制造技術(shù)一種典型工藝，激光沉積制造技術(shù)是增材制造技術(shù)的一種。
航空、航天、電力、石化、船舶等現(xiàn)代工業(yè)高端裝備正向大型化、高參數(shù)、極端惡劣條件下高可靠、長壽命服役的方向快速發(fā)展，致使其鈦合金、高溫合金等關(guān)鍵金屬構(gòu)件尺寸越來越大、結(jié)構(gòu)日益復雜、性能要求日益提高，對制造技術(shù)及裝備的要求越來越高、挑戰(zhàn)日益嚴峻。采用鑄錠冶金+塑性成形等傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)大型、整體、高性能金屬構(gòu)件，不僅需要萬噸級以上的重型鍛造裝備及大型鍛造模具，技術(shù)難度大，而且材料切削量大、材料利用率低、周期長、成本高。作為增材制造技術(shù)一種典型工藝，激光沉積制造技術(shù)是增材制造技術(shù)的一種，以合金粉末為原料，以粉末同步送進為特征，通過激光熔化/快速凝固逐層沉積制造，由零件CAD模型一步完成全致密、高性能金屬結(jié)構(gòu)件的“近凈成形制造”。因其獨特技術(shù)優(yōu)勢，被譽為是一種“變革性”“控形/控性”一體化制造技術(shù)，在航空、航天等重大裝備制造中具有廣闊發(fā)展前景。該技術(shù)材料利用率高，可實現(xiàn)力學性能與鍛件相當?shù)膹碗s高性能構(gòu)件制造，且其同步材料送進特征，還可實現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)制造，可用于損傷構(gòu)件的高性能修復。
目前增材制造在向大尺寸構(gòu)件制造方向發(fā)展，如飛機上的大尺寸鈦合金框梁結(jié)構(gòu)件，隨著科技的進步，構(gòu)件尺寸會越來越大，大型增材制造裝備需要大型機床，帶來巨大制造風險；超長距離的粉末輸送穩(wěn)定性難以保證，此外通過單純提高成形艙尺寸來滿足構(gòu)件的尺寸規(guī)格是不經(jīng)濟也是不現(xiàn)實的。增材制造過程中，不僅要考慮制件的應(yīng)力和變形預(yù)防問題，還要兼顧其成形精度和效率，而增材制造在修復航空發(fā)動機機匣等大型薄壁(修復部位最薄處約2mm)零件時，不僅要考慮應(yīng)力集中、零件變形，還要考慮其結(jié)合部位性能弱化問題。此外，當前鈦合金、高溫合金激光增材制造基本都是在剛性惰性氣體保護倉中進行，此法不能適應(yīng)修復零件尺寸變化范圍大的特點，不利于零件的現(xiàn)場修復，降低了設(shè)備的利用率，增加了生產(chǎn)成本，因此對現(xiàn)有裝備也提出了新要求。
針對上述需求，沈陽航空航天大學與中航工業(yè)沈陽所、沈飛公司及中國航發(fā)黎明、東安公司深入開展合作，長期致力于激光沉積制造技術(shù)研究工作，“十二五”期間得到國家重點研發(fā)計劃(973)、國家自然科學基金、國家重大科技專項等課題支持，突破鈦合金、高溫合金、鋁合金等大型制件高效高精度制造、減小應(yīng)力和變形、實現(xiàn)柔性氛圍防護、保證增材組織一致性和制造結(jié)合區(qū)質(zhì)量等一系統(tǒng)重大難題，已授權(quán)激光沉積制造相關(guān)發(fā)明專利9項，獲國防科技進步獎二等獎2項。
研制系列化激光沉積制造成套裝備：沈航全面突破了激光沉積制造工程化裝備的設(shè)計、制造及系統(tǒng)集成等技術(shù)。提出特種能量場融合激光沉積制造技術(shù)，將超聲場、電磁場與高能激光有機耦合，提高增材制造效率的同時，減小制造過程殘余應(yīng)力和冶金缺陷，提高制件精度、調(diào)控制組織提升力學性能。針對大型整體結(jié)高質(zhì)高效制造需求，創(chuàng)新性的提出動態(tài)惰性氣體保護方法，突破設(shè)備限制，可成形超大尺寸構(gòu)件、進行外場制造。
開發(fā)低應(yīng)力小變形激光增材制造工藝：激光沉積過程中劇烈的、循環(huán)加熱/冷卻條件下，在零件內(nèi)產(chǎn)生分布及演化極其復雜的應(yīng)力，導致零件嚴重翹曲變形甚至開裂，是制約增材制造的首要技術(shù)瓶頸。沈航提出特種能量場融合增材制造技術(shù)及基于紅外分區(qū)的激光沉積制造動態(tài)掃描工藝方法，通過實時反饋沉積層面溫度分布，運動規(guī)劃激光掃描軌跡，顯著減小沉積過程溫度梯度，降低熱應(yīng)力、約束應(yīng)力和晶格儲存能，有效地控制沉積過程零件的變形和開裂，提升工藝穩(wěn)定性，拓寬工藝窗口。由沈航研制的激光沉積制造成套裝備已成功應(yīng)用于科研生產(chǎn)。
提出了在位局部熱處理的激光增材制造/修復制件的應(yīng)力消減和組織調(diào)整新方法，研制了基于感應(yīng)加熱器、紅外熱像儀及專用夾具的局部熱處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了大型制件在位局部熱處理；顯著降低了殘余應(yīng)力、減小工件變形，保證尺寸精度、形狀精度和位置精度；同時優(yōu)化了組織，提高了力學性能。
建立全套技術(shù)標準和規(guī)范：建立增材制造新技術(shù)在航空裝備應(yīng)用的全流程性能考核和質(zhì)量保障技術(shù)體系。完成了對增材制造零件試片級基本力學性能考核、模擬件的中試考核及全尺寸零件的綜合性能考核，性能指標全部達到或超過鍛造鈦合金。建立從試片級試驗到全尺寸件綜合性能考核、從工藝到裝機的全套技術(shù)標準和規(guī)范，為全行業(yè)應(yīng)用打下技術(shù)基礎(chǔ)。
研究成果已在承力結(jié)構(gòu)件制造、運維方面成功應(yīng)用，保障了批產(chǎn)和科研進度，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。激光增材制造法制備的零件與采用傳統(tǒng)“鍛造+機加”方法相比，結(jié)構(gòu)減重達25%以上，應(yīng)力水平降低35%；生產(chǎn)周期縮短50%，材料利用率達到70%，生產(chǎn)成本降低30%。梁構(gòu)件修復區(qū)的強度指標與基體相當；表面及外形尺寸符合設(shè)計要求、內(nèi)部質(zhì)量合格；與傳統(tǒng)氬弧焊修復方法相比，工件變形量減小70%；修復時間縮短90%；殘余應(yīng)力降低50%以上；同更換新件相比，激光沉積修復損傷結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)周期縮短90%；修復成本費用平均僅為生產(chǎn)新件費用的20%。
航空、航天、電力、石化、船舶等現(xiàn)代工業(yè)高端裝備正向大型化、高參數(shù)、極端惡劣條件下高可靠、長壽命服役的方向快速發(fā)展，致使其鈦合金、高溫合金等關(guān)鍵金屬構(gòu)件尺寸越來越大、結(jié)構(gòu)日益復雜、性能要求日益提高，對制造技術(shù)及裝備的要求越來越高、挑戰(zhàn)日益嚴峻。采用鑄錠冶金+塑性成形等傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)大型、整體、高性能金屬構(gòu)件，不僅需要萬噸級以上的重型鍛造裝備及大型鍛造模具，技術(shù)難度大，而且材料切削量大、材料利用率低、周期長、成本高。作為增材制造技術(shù)一種典型工藝，激光沉積制造技術(shù)是增材制造技術(shù)的一種，以合金粉末為原料，以粉末同步送進為特征，通過激光熔化/快速凝固逐層沉積制造，由零件CAD模型一步完成全致密、高性能金屬結(jié)構(gòu)件的“近凈成形制造”。因其獨特技術(shù)優(yōu)勢，被譽為是一種“變革性”“控形/控性”一體化制造技術(shù)，在航空、航天等重大裝備制造中具有廣闊發(fā)展前景。該技術(shù)材料利用率高，可實現(xiàn)力學性能與鍛件相當?shù)膹碗s高性能構(gòu)件制造，且其同步材料送進特征，還可實現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)制造，可用于損傷構(gòu)件的高性能修復。
目前增材制造在向大尺寸構(gòu)件制造方向發(fā)展，如飛機上的大尺寸鈦合金框梁結(jié)構(gòu)件，隨著科技的進步，構(gòu)件尺寸會越來越大，大型增材制造裝備需要大型機床，帶來巨大制造風險；超長距離的粉末輸送穩(wěn)定性難以保證，此外通過單純提高成形艙尺寸來滿足構(gòu)件的尺寸規(guī)格是不經(jīng)濟也是不現(xiàn)實的。增材制造過程中，不僅要考慮制件的應(yīng)力和變形預(yù)防問題，還要兼顧其成形精度和效率，而增材制造在修復航空發(fā)動機機匣等大型薄壁(修復部位最薄處約2mm)零件時，不僅要考慮應(yīng)力集中、零件變形，還要考慮其結(jié)合部位性能弱化問題。此外，當前鈦合金、高溫合金激光增材制造基本都是在剛性惰性氣體保護倉中進行，此法不能適應(yīng)修復零件尺寸變化范圍大的特點，不利于零件的現(xiàn)場修復，降低了設(shè)備的利用率，增加了生產(chǎn)成本，因此對現(xiàn)有裝備也提出了新要求。
針對上述需求，沈陽航空航天大學與中航工業(yè)沈陽所、沈飛公司及中國航發(fā)黎明、東安公司深入開展合作，長期致力于激光沉積制造技術(shù)研究工作，“十二五”期間得到國家重點研發(fā)計劃(973)、國家自然科學基金、國家重大科技專項等課題支持，突破鈦合金、高溫合金、鋁合金等大型制件高效高精度制造、減小應(yīng)力和變形、實現(xiàn)柔性氛圍防護、保證增材組織一致性和制造結(jié)合區(qū)質(zhì)量等一系統(tǒng)重大難題，已授權(quán)激光沉積制造相關(guān)發(fā)明專利9項，獲國防科技進步獎二等獎2項。
研制系列化激光沉積制造成套裝備：沈航全面突破了激光沉積制造工程化裝備的設(shè)計、制造及系統(tǒng)集成等技術(shù)。提出特種能量場融合激光沉積制造技術(shù)，將超聲場、電磁場與高能激光有機耦合，提高增材制造效率的同時，減小制造過程殘余應(yīng)力和冶金缺陷，提高制件精度、調(diào)控制組織提升力學性能。針對大型整體結(jié)高質(zhì)高效制造需求，創(chuàng)新性的提出動態(tài)惰性氣體保護方法，突破設(shè)備限制，可成形超大尺寸構(gòu)件、進行外場制造。
開發(fā)低應(yīng)力小變形激光增材制造工藝：激光沉積過程中劇烈的、循環(huán)加熱/冷卻條件下，在零件內(nèi)產(chǎn)生分布及演化極其復雜的應(yīng)力，導致零件嚴重翹曲變形甚至開裂，是制約增材制造的首要技術(shù)瓶頸。沈航提出特種能量場融合增材制造技術(shù)及基于紅外分區(qū)的激光沉積制造動態(tài)掃描工藝方法，通過實時反饋沉積層面溫度分布，運動規(guī)劃激光掃描軌跡，顯著減小沉積過程溫度梯度，降低熱應(yīng)力、約束應(yīng)力和晶格儲存能，有效地控制沉積過程零件的變形和開裂，提升工藝穩(wěn)定性，拓寬工藝窗口。由沈航研制的激光沉積制造成套裝備已成功應(yīng)用于科研生產(chǎn)。
提出了在位局部熱處理的激光增材制造/修復制件的應(yīng)力消減和組織調(diào)整新方法，研制了基于感應(yīng)加熱器、紅外熱像儀及專用夾具的局部熱處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了大型制件在位局部熱處理；顯著降低了殘余應(yīng)力、減小工件變形，保證尺寸精度、形狀精度和位置精度；同時優(yōu)化了組織，提高了力學性能。
建立全套技術(shù)標準和規(guī)范：建立增材制造新技術(shù)在航空裝備應(yīng)用的全流程性能考核和質(zhì)量保障技術(shù)體系。完成了對增材制造零件試片級基本力學性能考核、模擬件的中試考核及全尺寸零件的綜合性能考核，性能指標全部達到或超過鍛造鈦合金。建立從試片級試驗到全尺寸件綜合性能考核、從工藝到裝機的全套技術(shù)標準和規(guī)范，為全行業(yè)應(yīng)用打下技術(shù)基礎(chǔ)。
研究成果已在承力結(jié)構(gòu)件制造、運維方面成功應(yīng)用，保障了批產(chǎn)和科研進度，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。激光增材制造法制備的零件與采用傳統(tǒng)“鍛造+機加”方法相比，結(jié)構(gòu)減重達25%以上，應(yīng)力水平降低35%；生產(chǎn)周期縮短50%，材料利用率達到70%，生產(chǎn)成本降低30%。梁構(gòu)件修復區(qū)的強度指標與基體相當；表面及外形尺寸符合設(shè)計要求、內(nèi)部質(zhì)量合格；與傳統(tǒng)氬弧焊修復方法相比，工件變形量減小70%；修復時間縮短90%；殘余應(yīng)力降低50%以上；同更換新件相比，激光沉積修復損傷結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)周期縮短90%；修復成本費用平均僅為生產(chǎn)新件費用的20%。
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