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與傳統(tǒng)制造方法相比，增材制造(又稱“3D 打印") 具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 可迅速制造出自由曲面和更復(fù)雜形態(tài)的零件，如零件中的凹槽、凸肩和復(fù)雜的內(nèi)流道等；

2) 材料利用率高，尤其是對(duì)昂貴的稀有材料來(lái)說(shuō)，可大大降低成本；3) 高度自動(dòng)化，人工干預(yù)少；4) 加工效率高，尤其對(duì)難加工材料，能迅速制作出產(chǎn)品實(shí)體模型及模具[1?2]。在眾多材料中，金屬材料增材制造無(wú)疑是發(fā)展?jié)摿Φ腫3]，根據(jù)其成形原理不同，增材制造技術(shù)包括激光熔覆、激光堆焊、激光近成形制造、激光直接沉積成形、選擇性激光熔化、等離子熔積制造和電子束熔融制造等[4?6]。任何一種增材制造技術(shù)都存在尺寸精度差和表面光潔度不太理想的問(wèn)題， 需要進(jìn)行后處理，包括整形、拋光、噴丸等，這是由其制備過(guò)程中分層疊加造成的尺寸誤差和階梯效應(yīng)決定的[7?8]。傳統(tǒng)的減材制造(如機(jī)加工)具有高精度、高效率和高表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，將增材制造與減材制造混合和集成在一臺(tái)設(shè)備上，便產(chǎn)生了一種新的復(fù)合加工技術(shù)—增減材復(fù)合加工技術(shù)。增減材復(fù)合加工技術(shù)已引起越來(lái)越多研發(fā)機(jī)構(gòu)的重視。如德國(guó) Fraunhofer IPT 融合材料添加和去除方法開(kāi)發(fā)了控制金屬堆積技術(shù)， 在增材制造過(guò)程中，利用銑切來(lái)加工每一層的表面輪廓，制備的不銹鋼零件，致密度達(dá)到 99%，并達(dá)到精度和表面光潔度要求[9]；日本松浦機(jī)械制作所推出的商業(yè)化LUMEX A-vance-25 復(fù)合光造型機(jī)，用激光燒結(jié)和銑削工藝相結(jié)合的方式(SLM 燒結(jié)+銑削)，實(shí)現(xiàn)高精度的成型效果[10]；DMG MORI 推出的LASERTEC 65 3D 是臺(tái)真正意義上的增/減材復(fù)合加工生產(chǎn)型設(shè)備，該設(shè)備可以借助高剛性的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床進(jìn)行高精度的銑削加工與激光加工之間全自由切換， 實(shí)現(xiàn)快速三維成形和工件精度的良好控制。LASERTEC 65 3D 能夠完整地加工帶底切的復(fù)雜工件，能進(jìn)行修復(fù)加工和對(duì)模具及機(jī)械零件，甚至醫(yī)療器械零件進(jìn)行局部或者全面的噴涂加工，其沉積速度達(dá)1 kg/h，比鋪粉激光燒結(jié)法制造零件的速度快10 倍，目前在已經(jīng)有 20 余臺(tái)的應(yīng)用量，特別是在歐美、日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家。相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)基于增/減材復(fù)合制造技術(shù)的研究開(kāi)展較晚，研究不多。華中科技大學(xué)張海鷗教授開(kāi)發(fā)的“智能微鑄鍛銑復(fù)合制造技術(shù)"，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng)新。黃河旋風(fēng)股份有限公司在全國(guó)布局了第一臺(tái) DMG MORI LASERTEC 65 3D 復(fù)合加工中心，主要針對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)難以加工的、具有復(fù)雜曲面構(gòu)造的關(guān)鍵零部件提供定制化加工服務(wù)。異型渦輪增壓殼體，底端有帶分布孔的法蘭，需要銑削外圓、平面和鉆孔，喇叭外周有 12 個(gè)接頭，必須采用焊接、銑削和鉆孔等工序。

由于喇叭口大于底座的法蘭，造成法蘭上的孔難以加工。按照傳統(tǒng)的減材制造的觀念，這是一個(gè)工藝加工性極差、幾乎無(wú)法在一臺(tái)設(shè)備上加工完畢的零部件。本研究采用 LASERTEC 65 3D，通過(guò)激光直接金屬沉積技術(shù)進(jìn)行增材加工成形，并與銑削技術(shù)自由切換和交替進(jìn)行，完成不銹鋼渦輪增壓殼的粉末激光直接金屬沉積成形和 5 軸銑削，實(shí)現(xiàn)擁有終品質(zhì)零件的快速制備，優(yōu)化沉積工藝參數(shù)，初步探究 DMG MORI LASERTEC 65 3D 復(fù)合加工中心進(jìn)行金屬合金構(gòu)件增材與減材復(fù)合制造的零件加工能力水平和應(yīng)用空間。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)備和材料

采用圖 1 所示的德國(guó) DMG MORI LASERTEC 65 3D 復(fù)合加工中心，進(jìn)行不銹鋼渦輪增壓殼的粉末激光直接金屬沉積成形和 5 軸銑削加工的復(fù)合制造。設(shè)備主要參數(shù)指標(biāo)如下：2 500 W 光纖激光器，波長(zhǎng)1 030nm，大光斑直徑達(dá) 3 mm，大成形尺寸為 650 mm×650 mm×560 mm，大成形速度達(dá) 1 kg/h，比粉床鋪粉方式增材制造設(shè)備的速度快 10 倍；銑削主軸轉(zhuǎn)速10 000 r/min，回轉(zhuǎn)軸(C 軸)360°，擺動(dòng)范圍(A 軸)±120°。

圖 1 DMG MORI LASERTEC 65 3D 加工中心

Fig.1 DMG MORI LASERTEC 65 3D machining center

所用材料為黃河旋風(fēng)股份有限公司采用惰性氣體霧化法制備的 304 不銹鋼粉末，粉末形貌如圖 2 所示。粉末形貌呈球形，粒徑范圍 50~150 μm，D50 為 85 μm，粉末使用前需在 200 ℃條件下干燥 3 h；基板為直徑

200 mm、厚度 20 mm 的圓形 316L 不銹鋼板，打印前用砂紙打磨基板，再用乙醇清洗，以去除基板表面的磨屑和污漬，然后烘干。

圖 2 304 不銹鋼粉末的 SEM 形貌

Fig.2 SEM micrograph of the gas-atomized 304 stainless steel powder

1.1 增材制造

影響粉末激光直接金屬沉積成形(laser directed energy deposition shaping，縮寫為 LDEDS)效果的因素很多，如激光功率 P、掃描速度 v1、掃描間距及送粉速度 v2 等。本研究采用搭接率為 40%[15]，對(duì)激光功率、掃描速度和送粉速度這 3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。具體步驟為：首*行單道次沉積實(shí)驗(yàn)，采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)

12 組實(shí)驗(yàn)，根據(jù)金相顯微鏡下觀察的沉積層截面形貌，初選出 3 組較好的工藝參數(shù)；分別采用選出的 3 組較好工藝參數(shù)，制備多道次二維沉積層，沉積面積為 60 mm×20 mm，采用 VEECO DEKDAK 150 表面輪廓儀測(cè)量二維沉積層的表面粗糙度 Ra，Ra 值小的，即被確定為的工藝參數(shù)；后采用工藝參數(shù)，進(jìn)行多道次三維 LDEDS，沉積尺寸為 100 mm×20 mm×30 mm(長(zhǎng)×寬×高)。二維沉積層的表面粗糙度 Ra 為取樣長(zhǎng)度內(nèi)輪廓偏距值的算術(shù)平均值，其計(jì)算方法為：

優(yōu)化的激光增材加工工藝確定以后，顆粒尺寸為50~150 μm 的不銹鋼粉末通過(guò)激光頭中的管道輸送到工件表面，進(jìn)行多道次三維沉積，激光束將金屬粉末按設(shè)備設(shè)計(jì)路徑逐層沉積在 316L 不銹鋼基板表層， 實(shí)現(xiàn)樣品零件的增材成形。其間提供惰性保護(hù)氣體， 避免熔覆的金屬粉末氧化。金屬層冷卻后，即進(jìn)行銑削加工，整個(gè)加工過(guò)程由帶 CELOS 與 Operate 4.5 版的 Siemens 840D Solutionline 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

1.3 增/減材復(fù)合制造

在 DMG MORI LASERTEC 65 3D 復(fù)合加工中心上，通過(guò)激光直接金屬沉積技術(shù)進(jìn)行增材加工成形， 并與銑削技術(shù)自由切換，完成不銹鋼渦輪增壓殼的末激光直接金屬沉積成形和 5 軸銑削加工的復(fù)合制造，實(shí)現(xiàn)擁有終品質(zhì)零件的快速制備。

1.4 性能測(cè)試

采用線切割法在多道次三維沉積樣品上截取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣(GB6397-86)和金相試樣。拉伸試樣尺寸如圖3 所示。在 INSTRON 3369 型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，預(yù)載 200 N，拉伸速度為 1 mm/min，用Quanta 200 型掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌，分析激光近凈成型零件的斷裂特性，并使用能譜儀對(duì)斷面進(jìn)行微區(qū)成分分析。金相試樣觀察截面首先用200~600 目的砂紙粗磨，然后再用 800~2 000 目的砂紙進(jìn)行精磨。磨好的試樣在拋光機(jī)上拋光，然后用水和酒精清洗干凈，腐蝕后在 EPIPHOT?300 型金相顯微鏡下觀察顯微組織。

圖 3 拉伸試樣形狀示意圖

Fig.3 Schematic diagram of figure of the tensile specimen (Unit: mm)

2 結(jié)果與討論

2.1 LDEDS 工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1.1 單道次一維 LDEDS

表1 所列為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的12 組單道次沉積工藝

參數(shù)和沉積層的截面尺寸，圖 4 所示為典型的單道次一維沉積層截面形貌。粉末凝固形成的熔化道在基板以上部分形成一個(gè)類似的圓弧形狀，在基板表面以下， 還形成了一個(gè)穿透基板的熔透區(qū)域。通過(guò)金相顯微鏡和微觀形狀測(cè)量，對(duì)熔化道的寬度、高度、熔透深度及潤(rùn)濕角進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)單道次沉積的截面形貌均勻性和潤(rùn)濕性分析[15]，終選取 2#，7#和 12#工藝參數(shù)來(lái)制備多道次二維沉積層。

2.1.1 多道次二維沉積

取 2#，7#和 12#工藝參數(shù)進(jìn)行多道次二維單層沉積。測(cè)量沉積樣品的表面粗糙度，測(cè)量方向垂直于掃描線方向，測(cè)量結(jié)果如圖 5 所示。表 2 所列為不同工藝參數(shù)下多道次二維沉積層的表面粗糙度 Ra。由表可 知，12#沉積層樣品的 Ra 值小(11.94 μm)，選擇該組工藝參數(shù)(激光功率 2 400 W，掃描速度 1 000 mm/min，送粉速率14 g/min)進(jìn)行不銹鋼粉的LDEDS 增材制造。

2.1.1 多道次三維沉積

采用優(yōu)化的工藝參數(shù)(激光功率為 2 400 W，掃描速度為 1 000 mm/min，送粉速率為 14 g/min)進(jìn)行多道次三維沉積，對(duì)沉積部位取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣 3 個(gè)，圖 6所示為 3 個(gè)試樣的拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線，測(cè)試結(jié)果列于表 3。從結(jié)果看出 LDEDS 試樣的抗拉強(qiáng)度達(dá)到 632 MPa，伸長(zhǎng)率為 46.9%。對(duì)比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其力學(xué)性能與同材質(zhì)的鍛造件相當(dāng)，明顯高于鑄造件。

圖 7 所示為 304 不銹鋼粉末激光直接金屬沉積成形件的拉伸斷口形貌。可見(jiàn)斷口分布著大量均勻細(xì)小的韌窩，試樣為韌性斷裂。這些韌窩的產(chǎn)生是由于在加載達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，材料開(kāi)始塑性變形，但仍然可以觀察到極少量的孔洞和夾雜等缺陷，以致產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致斷裂。對(duì)夾雜物進(jìn)行能譜分析，其主要成分是 SiO2，還有少量其它氧化物，這些不規(guī)則氧化夾雜物可能來(lái)自粉末原料或者沉積過(guò)程中形成的， 夾雜物的存在導(dǎo)致在該處產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋易于形成。因此，要提高激光堆焊成型部件的力學(xué)性能，應(yīng)適當(dāng)控制原料粉末的潔凈度，以防氧化物夾雜的出現(xiàn)。

圖 7 激光直接金屬沉積成形件的拉伸斷口形貌(a)及缺陷分析(b)

Fig.7 Fracture surface morphology (a) and defect elemental analysis (b) of tensile specimen

2.1 銑削加工

在 LASERTEC 65 3D 設(shè)備上對(duì)多道次三維

LDEDS 樣件進(jìn)行銑削加工，圖 8 所示為銑削后的形貌。加工時(shí)切屑與刀具無(wú)粘附現(xiàn)象，切屑呈淡黃色，

銑削面的表面形貌如圖 8(a)所示，基本無(wú)積屑瘤和鱗刺，可達(dá)到減材加工表面質(zhì)量要求。圖 8(b)為銑削件的截面形貌，可見(jiàn)沉積件為理想的等軸晶組織，這與沉積件力學(xué)性能優(yōu)良相一致。

2.1 渦輪殼的增/減材復(fù)合制造

在 DMG MORI LASERTEC 65 3D 復(fù)合加工中心

上，通過(guò)激光直接金屬沉積技術(shù)進(jìn)行增材加工成形， 與銑削技術(shù)自由切換，完成不銹鋼渦輪增壓殼的粉末激光直接金屬沉積成形增材制造和 5 軸銑削減材加工的復(fù)合制造，實(shí)現(xiàn)擁有終品質(zhì)零件的快速制備。增材工藝參數(shù)為：激光功率2 400 W，掃描速度1 000 mm/

min，送粉速率 14 g/min。增/減材復(fù)合加工工藝流程如圖 9 所示：1) 圓柱環(huán)的激光成形(增)；2) 法蘭的激光成形(增)；3) 銑削法蘭平面(減)；4) 法蘭鉆孔

(減)；5) 圓柱連續(xù)成形(增)；6) 堆焊橫截面(增)；7) 激光成形圓錐口(增)；8) 第二法蘭的激光成形(增)；9) 12 個(gè)接頭的激光成形(增)；10) 銑削內(nèi)圓弧型腔(減)；11) 銑削法蘭與內(nèi)輪廓(減)；12) 銑削接頭(減)。零件的整個(gè)加工過(guò)程實(shí)現(xiàn)了如法蘭鉆孔、接頭生產(chǎn)等難加工部件的一次成形，激光直接金屬沉積成形時(shí)間 230 min， 銑削加工時(shí)間 76 min，較傳統(tǒng)加工方式效率提高 5~8 倍。終成形零件如圖 10 所示，均達(dá)到終的精度設(shè)計(jì)要求。

圖 8 銑削件的表面與截面顯微組織

Fig.8 Microstructure of the milling test piece surface (a) and cross section (b)

圖 9 渦輪殼的增/減材復(fù)合制造工序圖

Fig.9 Additive/subtractive hybrid manufacturing process drawings of the turbo-housing

圖 10 異型渦輪增壓殼體零件

Fig.10 Irregular turbocharged housing

結(jié)論

1) 采用 DMG MORI LASERTEC 65 3D 復(fù)合加工中心，完成不銹鋼渦輪增壓殼的粉末激光直接金屬沉積成形和 5 軸銑削加工的復(fù)合制造，的沉積工藝參數(shù)為：激光功率為 2 400 W，掃描速度為 1 000 mm/ min，送粉速率為 14 g/min，沉積件獲得理想的等軸晶組織，其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到 632 MPa 和46.9%，與同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)。

2) 用DMG MORI LASERTEC 65 3D 復(fù)合加工中心，可完成不銹鋼異型渦輪增壓殼體的粉末激光直接金屬沉積成形和 5 軸銑削的復(fù)合加工制造，在保證工件精度的前提下，能較好地實(shí)現(xiàn)如法蘭鉆孔、接頭生產(chǎn)等難加工部件的一次性成形。