激光增材制造是壹種以激光為能源的增材制造技術，可以徹底改變傳統金屬零件的加工方式。LAM主要分為以粉末床為特征的激光選擇性熔化（SLM）和以同步送粉為特征的激光直接沈積（LDMD）。例如，通用電氣公司（GE）的SLM航空發動機燃油噴嘴和北航的LDMD飛機鈦合金框架就是典型的應用案例。
從目前國內外金屬LAM技術的發展情況來看，產業化的技術方向仍然是少數，因為基礎理論的積累、關鍵技術的突破、工程應用技術的成熟、技術研發的商業化和推廣都在不同程度上制約了LAM技術的產業化應用。目前，國內外的研究主要集中在控制研究方面，側重於孔隙率、裂紋、微觀結構特征和各向異性等基礎研究【5~9】。關於形狀控制、測試和產品標準的研究報告很少，這也表明金屬LAM正處於從技術研究向工業應用過渡的發展階段。
通過文獻資料、實地調研和問卷調查等方式，系統梳理了金屬LAM領域研究和應用的發展現狀和趨勢，分析了國內外差距、理論研究和應用需求，提出了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技術產業化應用的發展。
二、金屬激光增材制造需求分析
LAM以數模切片為基礎，通過逐層堆疊實現金屬零件的近凈成形制造，特別適用於復雜零件、梯度材料和性能構件、復合材料零件和難加工材料的制造，在航空航天等先進制造方向備受青睞。壹方面，相關零件形狀復雜多變，材料性能要求高，加工難度大，成本高；另壹方面，新型飛機正朝著高性能、長壽命、高可靠性和低成本的方向發展，因此迫切需要采用復雜和大型的總體結構。
SLM成形的零件精度高，但零件尺寸受加工間的限制，因此SLM主要用於中小尺寸的復雜精密結構的精密成形，相應產品結構的功能屬性壹般大於承載屬性。為滿足整體性能要求，航空發動機的燃油噴嘴（具有復雜的內部油路、氣路和空腔）、軸承座、控制殼體、葉片、飛機門支架、鉸鏈、輔助動力艙格柵結構進氣閥、排氣閥、衛星支架等零部件需要進行結構創新設計，這成為SLM技術的適用應用對象。
LDMD成形的零件機械性能較好，但尺寸精度相對較低。LDMD主要用於制造中型或大型復雜承載結構，相應產品結構的承載性能壹般大於功能性能。各種類型的航空發動機機匣、壓氣機/渦輪整體葉盤和其他結構具有復雜的形狀，甚至需要異質或功能梯度材料來提高效率。為了減輕重量和提高承載效率，需要對飛機接頭、起落架、承載架、滑輪架、高速飛機機翼/氣動舵的網格結構承載骨架等承載部件進行結構拓撲優化設計。這種結構突出的復雜性和制造難度對LDMD技術提出了明確的需求。
此外，采用鍛造工藝很難保證局部凸臺和凸耳等特殊結構的飛機和發動機的某些承載部件的局部構型和性能。大型飛機的超大尺寸鈦合金承力架已經超過了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的需求。
三、國外金屬激光增材制造的發展現狀
技術研究的現狀
1.激光選擇性熔化技術
相關企業通過真空誘導氣體霧化（VIGA）、無坩堝電極誘導熔化氣體霧化（EIGA）、等離子旋轉霧化（PREP）、等離子炬（PA）等方法制備了SLM粉末，具備批量供應能力，占據全球主要市場【10】。
LAM工藝研究的重點主要是微觀結構和性能的控制，人們對SLM的微觀結構、缺陷和性能及其與工藝參數的關系進行了大量研究。例如，對於不銹鋼零件SLM，提高激光功率和降低掃描速度有利於提高密度【11】；高表面粗糙度和孔隙率會降低AlSi10Mg鋁合金SLM的耐腐蝕性，形成的氧化膜可以提高耐腐蝕性；AW7075鋁合金的SLM樣品中產生了垂直於添加材料方向的裂紋，但預熱鋁粉對裂紋控制沒有影響，內部裂紋導致的疲勞壽命遠低於傳統技術導致的疲勞壽命【7】。
能量密度對Ti-6Al-4V鈦合金的SLM組織和缺陷有明顯影響【5，12，13】:低能量密度導致片狀α+β相結構，易造成氣孔和熔合不良；高能量密度導致針狀馬氏體的α′結構，這促進了鋁的偏析和α2 -Ti3Al相的形成。沈積態Ti-6Al-4V合金的疲勞強度比鍛件低約80%【6】。熱等靜壓可以減少孔隙率並改善性能。對於CMSX486單晶合金SLM，低能量密度可減少裂紋，高能量密度可減少孔隙率【8】。CM247LC合金SLM的縱向截面主要由柱狀γ晶粒組成，Hf、Ta、W和Ti的偏析增加了析出物和殘余應力，導致零件內部開裂【14】。IN738LC高溫合金SLM中的微裂紋與Zr在晶界的富集和偏聚有關【15】。加入適量的Re可以細化IN718合金的枝晶，但過量的Re對疲勞強度不利【14】。SLM的Hastelloy-X合金熱處理後形成等軸晶，屈服強度下降。熱等靜壓後，抗拉強度恢復到沈積態水平，延伸率可提高15%【16】。
對於金屬LAM工藝，國外已經進行了許多詳細的研究。據了解，德國設備制造商開發壹種新材料的SLM技術需要6~8個月的時間，並調整70多個參數。通過拓撲優化實現結構輕量化設計也是SLM應用研究的重點，國外提出了設計指導制造、功能優先等新概念。還開發了特殊的支架設計技術，使其不必從基板上切割零件，從而有效地縮短了拾取周期。
此外，金屬林標準的研究和制定壹直與技術應用同步發展。2002年，美國發布了“退火的Ti-6Al-4V鈦合金激光沈積產品”，隨後又發布了19相關標準，涵蓋了產品退火和熱等靜壓制度、時效制度、制造過程中的應力消除退火制度等諸多方面。標準的及時形成對LAM技術的產業化應用起到了基礎性支撐作用。
2.激光直接沈積技術
1995年，約翰霍普金斯大學、賓夕法尼亞州立大學和MTS系統有限公司聯合開發了基於高功率CO2激光的大尺寸鈦合金零件LDMD技術，沈積速率為1~2 kg/h，推動了LDMD零件在飛機上的應用【12】。
LDMD技術的研究主要包括成形工藝和組織性能。桑迪亞國家實驗室和洛斯阿拉莫斯國家實驗室制備的LDMD成形零件的機械性能接近甚至優於傳統鍛造零件。瑞士洛桑聯邦理工學院研究了單晶葉片LDMD修復過程中穩定性、零件精度、顯微組織、力學性能與工藝參數之間的關系，形成的修復技術已應用於工程。
國外學者對Ti-6Al-4V合金的LDMD技術進行了深入研究，揭示了工藝參數與增材制造組織和力學性能之間的關系，闡明了工藝調整和熱等靜壓對組織和性能的調整作用【13，17~19】。LDMD技術為控制材料的微觀結構提供了更大的自由度:通過調整鎳基高溫合金LDMD的形核和生長條件，獲得預期的單晶和多晶結構【9】；美國國家航空航天局（美國國家航空航天局）開發的LDMD技術可以使零件的性能隨不同的零件而變化。通過將LAM技術與傳統切割方法相結合，德國企業可以加工傳統工藝難以制造的復雜形狀零件，產品精度和表面粗糙度得到提高【11】。
二、設備發展現狀
經濟高效的LAM設備是LAM技術推廣應用的基礎。SLM設備開發集中在德國、法國、英國、日本、比利時等國家，而LDMD設備開發國家主要包括美國和德國。
1.激光選擇性熔化設備
德國是第壹個研究SLM技術和設備的國家。EOS公司引進的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制造，並通過監控增材制造過程進壹步提高制造產品的質量。Realizer GmbH的全方位設計和零件堆疊技術方案獨樹壹幟；Concept Laser的設備以其巨大的建築尺寸而聞名；SLM Solutions在激光技術和氣流管理技術方面處於領先地位。美國3D系統公司依靠其特殊粉末沈積系統的技術優勢形成精確的細節特征。英國雷尼紹公司在材料使用的靈活性和更換的便利性方面具有技術特點。
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，開發的LDMD設備工作室尺寸可達1500mm 1500mm 2100mm。美國Optomec公司引進的LDMD設備工作室空間為900 mm 1500 mm 900 mm，配備5軸移動工作臺，最大成型速度為1.5 kg/h..德國企業提供的激光集成加工系統也是主流的LDMD設備。
近年來，加減料復合加工設備成為市場新熱點。日本DMG公司引進了配有2 kW激光器並輔以5軸數控銑床的LDMD設備。成型速度比普通粉末床高20倍，在制造過程中可以銑削最終零件的不可到達部分。日本Mazak公司引進的相關設備可進行5軸車銑復合加工，其應用對象包括多邊形鍛件或鑄件、回轉體零件和復雜異形零件。
㈢申請狀況
鈦合金LAM在航空領域實現了重要應用。美國率先將LDMD鈦合金承力件應用於艦載戰鬥機；卡彭特技術公司使用增材制造的高強度定制不銹鋼生產先進的航空齒輪；F-22戰機的維護采用SLM耐腐蝕支架，顯著縮短了維護時間。英國成功地將LDMD技術應用於無人機的整體框架制造。
SLM技術已廣泛應用於航空發動機復雜零件的制造。美國GE公司率先將SLM技術應用於高壓壓縮機溫度傳感器外殼的生產。該產品獲得了美國聯邦航空管理局（FAA）的批準，並配備了400多臺GE90-40B航空發動機。GE LEAP系列航空發動機的燃油噴嘴也采用SLM技術生產（2020年的生產能力為每年4.4萬個噴嘴）。美國普惠公司采用SLM技術生產管道鏡套筒，配備PW1100G-JM航空發動機。特倫特·XWB-97航空發動機的鈦合金前軸承組件（包括48個翼型導向葉片）由英國羅爾斯·羅伊斯公司采用SLM制造。
自2012以來，LAM技術已應用於航天器的制造。美國國家航空航天局使用LAM技術制造RS-25火箭發動機的彎曲接頭，與傳統方法相比，零件數量、焊縫和加工工序減少了約60%。如果氫氧火箭發動機采用壹體化設計制造方法，零件總數將減少80%。法國Terez集團通過SLM技術為Koreasat5A和Koreasat7通信衛星制造了TT&C天線的支撐部件（鋁合金），減輕了約22%的質量並節省了約30%的資金。
LAM技術的推廣應用加速了空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衛星平臺遙測/遙控天線的鋁合金安裝支架由LAM公司制造，質量減輕了約35%，結構剛度提高了約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整體發動機部件LAM的制造。此外，加減料復合加工技術開始應用。美國維珍軌道公司使用加法/減法混合機床制造和精加工火箭發動機燃燒室部件，並在2019年完成了24次發動機試車。
（四）發展經驗和啟示
回顧金屬林技術在世界範圍內的發展歷程，以產業發展帶動技術研究和裝備發展，通過行業整合提高市場競爭力是壹條重要經驗。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，它們可以整合材料、工藝、設備、驗證、標準研究和人才培養，從而更高效地推動LAM產業的發展。例如，美國GE公司的LAM工業應用處於世界領先地位，主要是由於industry consolidation的戰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產業鏈的完整性；產品制造使用全球300多種工業級制造設備。外企重視LAM產品制造的人才培養。例如，GE公司有壹個配備專用設備的增材制造培訓中心，每年可以培訓數百名工程師。
四、國內金屬激光增材制造發展現狀及差距分析
發展狀況
1.金屬林技術
國內對LDMD的結構、缺陷、應力和變形控制等方面進行了大量研究【11，13，14】。北航發展了鈦合金大型結構件LDMD內部缺陷及質量控制等關鍵技術【20】。西北工業大學完成了飛機特大型鈦合金法蘭的LDMD制造，成形精度和變形控制達到了較高水平。沈陽航空航天大學提出了分段掃描成形的方法，有效地控制了LDMD工藝中零件的變形和開裂。優研工程技術研究院有限公司突破了葉輪和進氣道中TC11、TA15/Ti2AlNb等不同材料的界面質量控制和復雜形狀集成控制難題，產品通過測試。
在中國，形狀和尺寸以及表面粗糙度的精確控制研究集中在SLM技術的方向上。Xi安鉑激光成型技術有限公司采用SLM方法加工最小孔徑約0.3毫米的流道零件，薄壁零件最小壁厚約0.2毫米；；零件的總尺寸精度達到0.2毫米，粗糙度Ra不大於3.2微米米..南京航空航天大學以SLM精密制造為主線，通過全過程控制提高零件的綜合性能。Xi交通大學將LAM應用於空心渦輪葉片、航空螺旋槳、汽車零部件等的制造。[11].
中國航發北京航空材料研究院完成了LAM技術的綜合研究:LDMD制造的鎳基雙合金渦輪整體葉盤通過過轉試驗，增材修復的伊爾-76飛機起落架批量應用；研制了LAM超聲掃描評價系統，建立了檢測標準和對比試塊。評估和無損檢測的技術成果應用於飛機滑輪架和框架等安裝部件的批量檢查。
在SLM粉體方面，國內產品基本滿足成型工藝要求。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清潔制備技術，其性能已達到進口產品水平。Xi安歐中材料科技有限公司開發的鈦合金和高溫合金粉末產品已在工程中得到應用。
2.金屬林設備
國內的LDMD和SLM設備具有較強的R&D能力，並獲得了壹定的市場應用份額。Xi安博利特激光成型技術有限公司自主研發了SLM系列設備和激光高性能修復系列設備。南京中科陳余激光技術有限公司開發了自動變焦同軸送粉器、遠程送粉器、高效惰性氣體循環凈化箱等核心設備。，並形成了金屬LDMD系列化設備。此外，北京億家三維科技有限公司和北京星航機電設備有限公司在工業和小型金屬SLM設備的小批量生產方面取得了良好進展，上海航天裝備制造總廠有限公司在標準和大幅面SLM設備和機器人LDMD設備的開發方面取得了良好進展。
3.金屬林應用
LDMD主要用於制造承重結構。北航制造的主承力架、主起落架等部件已應用於航空航天飛行器、燃氣渦輪發動機等設備。航空工業沈陽飛機設計研究院通過工程應用驗證，推動了LDMD技術的成熟，實現了8種金屬材料、10種結構件的飛機應用。航空工業第壹飛機設計研究院實現了大飛機外主襟翼滑輪架和尾舵臂LDMD部件的安裝應用。北京機電研究所實現了大型薄壁骨架座艙結構的LDMD制造和應用。
SLM主要用於復雜零件的制造。在航空領域，中國航空制造技術研究院實現了SLM產品的裝機應用；航空工業成都飛機設計研究院使用SLM輔助飛機上動力艙進/排氣閥的網格結構。航空工業直升機設計研究院在進氣道通風格柵結構、防雨密封結構、多腔體結構等方面實現了SLM零部件的安裝應用。在航天領域，上海航天裝備制造總廠有限公司的貯箱間歇支架、空間散熱器、導向裝置等SLM產品已安裝應用；北京星航機電設備有限公司的座艙結構件、操縱面等SLM產品通過地面試驗和飛行試驗。北京機電學院實現了小型復雜零件的SLM制造，操縱面、支架等產品技術成熟度達到5級；新晶合激光技術開發（北京）有限公司使用SLM制造了大尺寸薄壁鈦合金點陣夾層結構（集熱窗框），滿足了深空探測飛行器的嚴格技術要求。
此外，Xi安鉑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多個零件；華中科技大學通過加減材料制造了具有保形冷卻通道的梯度材料模具，在工業上得到廣泛應用。
面臨的差距
1.金屬林材料的設計和制備技術存在差距。
我國LAM專用材料的設計理論和方法體系仍然薄弱，專用材料的設計工作少而分散。材料基因組學技術縮短了研發周期，降低了研發成本，在國外已成功應用於相關材料設計。我國對材料基因組技術的研究及其在提高LAM專用材料性能方面的應用相對薄弱。
在粉末制備方面，國內真空氬氣霧化技術相對成熟，制備的不銹鋼和鎳基合金粉末性能基本滿足成型工藝要求。然而，在鈦合金和鋁合金超細粉末的制備方面存在較大差距。主要問題是粉末球形度差，細粉產率低，不能滿足SLM成型的要求，使得實際應用仍依賴進口。
2.金屬林設備的設計和制造技術存在差距。
中國與美國和德國等LAM技術強國的差距主要在於技術和設備。中國使用的SLM設備大多從德國進口，而大型工程使用的SLM設備主要依賴進口。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、穩定性和精度亟待提高。國內用於粉末流動狀態和熔池狀態等過程監控和成形的控制軟件尚不完善。
3.對金屬膠合工藝研究不足
隨著渦輪發動機和飛機等重要設備材料性能的不斷提高，材料的可制造性有所下降。我國航空骨幹材料LAM技術研究不足，尚未形成應力變形和開裂控制等有效方法。零件內部組織缺陷問題尚未根治，零件力學性能均勻壹致，批次穩定性不好。而先進航空發動機和高速飛機所需的超高溫結構材料的LAM工藝研究更是缺乏。
4.產品的尺寸精度和表面粗糙度不符合技術要求。
壹般來說，LDMD飛機結構件存在加工余量，尺寸精度和表面粗糙度不壹定是關鍵限制因素。但渦輪發動機零件多為具有內部流道和型腔的復雜結構件，對應的SLM成形尺寸精度約為0.1 mm，表面粗糙度Ra約為6.3，與精密鑄件仍有較大差距。相關產品還面臨成型和內表面加工研究不足的問題。
5.金屬LAM缺乏指導標準
目前，我國LAM行業面臨的共同問題是缺乏質量控制標準，導致金屬LAM產品在設計、材料、工藝、測試、組織性能和尺寸精度等方面缺乏驗收依據。作為零件的應用基礎，無損檢測、力學性能、金相圖譜等基礎數據。，由於缺乏整理，產品標準難以制定，工業應用和推廣的保障不足。
5.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與制造。
發展具有自主知識產權的核心器件，重點提升處理器、存儲器、工業控制器、高精度傳感器、數/模轉換器等基礎器件的質量和性能，設計制造工藝裝備的核心器件和關鍵部件；研發高光束質量激光器及光束整形系統、高功率激光掃描振鏡、動態聚焦鏡等精密光學器件、高精度噴嘴加工等核心部件。
2.掃描策略、參數編程和在線監控。
突破數據設計、數據處理、工藝庫、工藝分析與工藝智能規劃、在線檢測與監控系統、成形過程自適應智能控制等方面的軟件技術。，並構建具有自主知識產權的LAM核心配套軟件系統。
3.基於材料基因組的LAM材料設計優化
開發了遠離平衡條件的特殊材料高通量技術模型，開發了適用於高通量計算的多尺度模擬算法。研究了成分和微觀結構可控的粉體材料制備技術，並通過高通實驗建立了材料基因庫。通過高通計算、實驗和數據庫的合作，快速開發出性能優異的LAM專用材料。
4.主要材料典型結構的LAM可控性和形狀控制
針對部分關鍵材料和典型零件，開展了LAM可控性、零件形狀控制共性關鍵技術及工程應用研究。掌握零件制造過程中影響最終質量的因素及解決方案，形成可用於工程的LAM技術體系，涉及原材料控制、工藝裝備、成形工藝、熱處理、機械加工、表面處理、無損檢測和驗證試驗。註意LAM零件的均勻性和批量穩定性，符合工程實際應用要求。
不及物動詞結論
為了趕上金屬LAM技術及其工程應用，中國LAM的發展應遵循“技術-產品-產業”的客觀規律，夯實組織性能控制的技術基礎，補齊核心設備在硬件/軟件R&D和集成方面的短板，加強產品質量控制、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，發揮高校和科研院所技術探索和攻關作用。工業部門或應用單位將牽頭開發LAM工藝並驗證產品的性能，並本著先易後難的原則，從常規金屬逐步擴展到金屬間化合物和鈮矽超高溫合金等先進材料。
（2）有序推進工程應用研究。提前選擇航空航天領域代表性產品開展LAM質量控制、標準和驗證，盡快實現產品量產和工程應用；隨後逐漸擴展到結構復雜、工作條件苛刻、加工性差的高價值產品，並在核工業、兵器、汽車、電氣設備等先進制造領域推廣應用。
（3）開展林姆產品質量控制標準的研究和制定。積累LAM缺陷無損檢測、力學性能、金相圖譜、疲勞壽命等基礎數據。，確定材料、工藝、無損檢測、顯微組織和力學性能、尺寸精度、表面粗糙度等的驗收依據。，並制定中國LAM產品的技術標準。
（4）結合行業實際需求，在高等院校和職業技術學院增設LAM相關專業，為企業培養專業技術人才。在擁有先進技術的企業中設立LAM培訓中心，為中國許多行業的設計人員、技術人員和設備操作人員提供專門培訓，從而為LAM行業的發展提供智力支持。