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一項(xiàng)十分重要的材料制備新技術(shù)：激光快速成形技術(shù)
激光快速成形技術(shù)(Laser rapid forming，LRF)是20 世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一種材料制備新技術(shù)，它是將激光快速成形技術(shù)獲得的獨(dú)特凝固組織通過(guò)逐層堆積并擴(kuò)展到整個(gè)三維實(shí)體零件，從而使傳統(tǒng)的材料成形多步制造工藝集成為一步制造，極大地提高了工件制造效率以及材料性能并節(jié)省了成本，被認(rèn)為是制造領(lǐng)域的一次重大變革，代表先進(jìn)制造技術(shù)和材料制備技術(shù)的好新發(fā)展方向，目前，已應(yīng)用于金屬、陶瓷、塑料以及各種復(fù)合材料的制備和零件修復(fù)中。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，激光快速成形技術(shù)具有以下突出特點(diǎn)。1) 打破了傳統(tǒng)材料去除或變形加工成形方法的限制，利用“離散+堆積”的増材成形思想，一步實(shí)現(xiàn)工件的精確成形；2) 屬近凈成形制造技術(shù)。制造時(shí)無(wú)需預(yù)制材料毛坯和設(shè)計(jì)模具，幾乎做到無(wú)廢料加工，極大地提高了材料利用率，降低了設(shè)計(jì)成本和制造成本，同時(shí)大幅度縮短制造周期。一般制造費(fèi)用降低 50%，加工周期縮短 70%以上；3) 激光快速凝固能夠產(chǎn)生超細(xì)化的凝固組織以及許多常規(guī)條件下無(wú)法得到的組織，使材料的各方面性能獲得大幅度的提高或獲得新的功能特性；4) 適用的材料種類不受限制。激光具有非常高的能量密度，能夠快速熔化各種材料，尤其適用于傳統(tǒng)技術(shù)難以制備的難熔合金和高熔點(diǎn)陶瓷材料以及梯度功能材料，適應(yīng)性很強(qiáng)；5) 制造工藝與所生產(chǎn)零件的尺寸、復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，能夠快速生產(chǎn)傳統(tǒng)制造工藝難以制備的形狀復(fù)雜的零件，如薄壁結(jié)構(gòu)、封閉內(nèi)腔結(jié)構(gòu)等。
美國(guó) MTS 公司已經(jīng)能夠直接成形出各種鈦合金飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，于2000 年 9 月完成了激光快速成形鈦合金飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)件的地面性能考核試驗(yàn)，構(gòu)件的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度達(dá)到飛機(jī)設(shè)計(jì)要求，并在 2001 年為Boeing 公司 F/A-18E/F 艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機(jī)提供小批量試制發(fā)動(dòng)機(jī)艙推力頭、翼梁等鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件，其力學(xué)性能全面超過(guò)傳統(tǒng)制造工藝的結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能，并且成本低周期短；率先實(shí)現(xiàn)了激光快速成形鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在 F/A-18 等戰(zhàn)機(jī)上的驗(yàn)證考核和裝機(jī)應(yīng)用。此外，激光快速成形技術(shù)在高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造與修復(fù)方面也具有重要的應(yīng)用。Rolls-Royce的RB211飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓葉片通常在1600 K下工作，用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的葉片在高溫下會(huì)產(chǎn)生裂紋，利用激光快速成形技術(shù)生產(chǎn)得到的葉片則可以在該環(huán)境下很好地工作，而且利用該技術(shù)生產(chǎn)葉片，通過(guò)在重力作用下吹氬氣送粉，生產(chǎn)處理一個(gè)葉片只需 75 s，合金用量減少 50%。美國(guó) Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用激光直接技術(shù)制造出帶有半球、直壁、通孔、尖角的零件，加工材料包括不銹鋼、Fe2Ni合金、Al2Cu 以及 TiAl、NiAl 等金屬間化合物，并發(fā)現(xiàn)該技術(shù)生產(chǎn)的合金為完整的冶金結(jié)合，超細(xì)的定向柱晶沿堆積方向向上生長(zhǎng)，并且其溫室抗拉強(qiáng)度和結(jié)合處強(qiáng)度均顯著提高，垂直方向的伸長(zhǎng)率是鑄態(tài)的3~4 倍，零件屈服壽命提高了 1.5 倍。
美國(guó) MTS 公司已經(jīng)能夠直接成形出各種鈦合金飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，于2000 年 9 月完成了激光快速成形鈦合金飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)件的地面性能考核試驗(yàn)，構(gòu)件的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度達(dá)到飛機(jī)設(shè)計(jì)要求，并在 2001 年為Boeing 公司 F/A-18E/F 艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機(jī)提供小批量試制發(fā)動(dòng)機(jī)艙推力頭、翼梁等鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件，其力學(xué)性能全面超過(guò)傳統(tǒng)制造工藝的結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能，并且成本低周期短；率先實(shí)現(xiàn)了激光快速成形鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在 F/A-18 等戰(zhàn)機(jī)上的驗(yàn)證考核和裝機(jī)應(yīng)用。此外，激光快速成形技術(shù)在高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造與修復(fù)方面也具有重要的應(yīng)用。Rolls-Royce的RB211飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓葉片通常在1600 K下工作，用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的葉片在高溫下會(huì)產(chǎn)生裂紋，利用激光快速成形技術(shù)生產(chǎn)得到的葉片則可以在該環(huán)境下很好地工作，而且利用該技術(shù)生產(chǎn)葉片，通過(guò)在重力作用下吹氬氣送粉，生產(chǎn)處理一個(gè)葉片只需 75 s，合金用量減少 50%。美國(guó) Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用激光直接技術(shù)制造出帶有半球、直壁、通孔、尖角的零件，加工材料包括不銹鋼、Fe2Ni合金、Al2Cu 以及 TiAl、NiAl 等金屬間化合物，并發(fā)現(xiàn)該技術(shù)生產(chǎn)的合金為完整的冶金結(jié)合，超細(xì)的定向柱晶沿堆積方向向上生長(zhǎng)，并且其溫室抗拉強(qiáng)度和結(jié)合處強(qiáng)度均顯著提高，垂直方向的伸長(zhǎng)率是鑄態(tài)的3~4 倍，零件屈服壽命提高了 1.5 倍。