金属增材制造技术

金属增材制造技术是以金属丝材、棒材或粉末等为原料，通过烧结、熔融、喷射等方式按模型离散后预 定的路线逐层堆积，实现构件整体成形的先进制造技术 。目前国内外武器装备研制主要采用的金属增材制造技术包括激光、电弧、电子束、冷喷涂、搅拌摩擦增材制造技术等，分类和工作原理如图1所示。

图1 金属增材制造技术原理示意图

1 激光增材制造技术 

激光增材制造技术以高能激光为热源，在惰性气体保护下熔化粉末或丝材，逐层堆积，实现零部件的直 接成形。激光增材制造技术包括激光-粉末增材制造和激光熔丝增材制造两种，其中激光-粉末增材制造技术分为激光选区熔化增材和激光同轴送粉增材制造。与其他增材制造技术相比，激光增材制造技术尤其是激光选区熔化增材制造技术成形精度高，适用于武器装备复杂精细结构零部件的整体制造。但激光选区熔化增材制造技术受限于惰性气体舱室尺寸和设备、粉末成本，不适用大尺寸复杂构件的快速、经济制造。此外，由于铝合金等材料导热性强，加上对激光的反射率高，在激光选区熔化增材制造过程中易出现裂纹和气孔等缺陷 。与激光-粉末增材制造技术相比， 激光熔丝增材制造技术沉积速率快，材料利用率高、成本低，增材构件致密度高，且丝材易贮存，但不适用于精细结构的零部件和丝材难制备的金属材料。

2 电子束增材制造技术

电子束增材制造技术以高能量密度电子束为热源，在真空环境下将金属丝材或粉末等填充材料熔化， 按照预先规划的路径沉积，制造出金属零部件或毛坯 。与激光增材制造技术相比，电子束增材制造技术沉积速率快，能制造难熔金属。由于在真空环境下进行，不仅能避免材料受氧、氢和氮的污染，且对金属具有真空熔炼作用，因此电子束增材制造技术能满足钛合金等高温下十分活泼的金属增材制造需求。此外，在后续金属堆积前，电子束能快速在已堆积金属表面扫描，对其预热，降低增材制造过程中的残余应力和变形。与电子束选区熔化粉末增材制造技术相比，电子束熔丝增材制造技术沉积效率快、构件致密度高、材料成本低、利用率高，适用于大型构件的快速制造。但由于电子束斑点小、能量集中，在电子束熔丝增材制造过程中当丝材由于热变形或直径均匀性差而偏离电子束斑点区域时，易造成增材制造过程中断。 

3 电弧熔丝增材制造技术 

电弧熔丝增材制造技术（以下称为“电弧增材制造技术”）以金属丝材为填充物，通过电弧将丝材熔化，按照设定的路线逐层堆积，实现金属构件的整体成形。与电弧焊接类似，电弧增材制造技术根据电极类型可分为熔化极和非熔化极电弧增材制造技术。其中，非熔化极电弧增材制造技术包括钨极氩弧和等离子电弧两种 。与激光、电子束粉末基增材制造技术相比，电弧增材制造技术不易产生未熔合等缺陷，制造效率高， 材料利用率高，丝材和设备成本低，适用于大型、较复杂武器装备构件的整体快速制造。但与激光或电子束粉末基增材制造相比，电弧增材制造技术制造精度较低，需后续机械加工，难实现复杂精细结构零部件的制造。此外，电弧增材制造技术不适用于塑性变形能力差、难以制备成丝材的金属材料。 

4 冷喷涂增材制造技术 

冷喷涂增材制造技术将金属粉末或金属/非金属混合粉末以超音速喷射到基体表面，粉末与基体碰撞后发生塑性变形并黏附在基体表面，逐层堆积形成构件实体 。在冷喷涂增材制造过程中粉末未熔化，仅靠动能黏附堆积成块体。冷喷涂增材制造技术具有沉积速率高、残余热应力较低、材料不易氧化等优点，适用于易氧化、热稳定性差的金属材料，例如镁合金 。然而金属材料冷喷涂增材制造过程中易出现孔洞，金属颗粒间为机械结合，结合力小，导致力学性能、耐蚀性难以满足目标需求，需要对增材构件进行热等静压等后处理 。目前冷喷涂增材制造技术主要应用于武 器装备构件的表面改性和修复 。 

5 搅拌摩擦增材制造技术 

搅拌摩擦增材制造技术通过机械摩擦产生的热量将金属粉末或棒材原料加热到热塑性状态，逐层堆积产生冶金结合，实现构件的整体快速成形 。搅拌摩 擦增材制造过程不涉及金属材料熔化，是固态增材制造成形工艺。与其他熔化型增材制造技术相比，搅拌摩擦增材制造技术残余应力小、致密度高、气孔等缺陷敏感性低，组织细小，具有更优良的力学性能和耐蚀性。此外，搅拌摩擦增材制造技术工作条件为开放的大气环境，不受粉末床或真空系统尺寸和工作条件的限制，能用于大型武器装备构件的整体制造，尤其适用于铝合金、镁合金等熔化增材制造缺陷敏感性高的轻质合金 。但搅拌摩擦增材制造技术由于制造精度低和热源热量有限等原因，难实现复杂、精细结构或高熔点金属零部件的制造。