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編者按：隨著金屬零件使用性能和結構復雜程度的提高，采用鑄造、鍛造等傳統工藝實施制造的難度、成本和周期迅速增加。而兼具技術******性和資源經濟性的激光增材制造（LAM）技術為高性能、復雜結構制造提供了新型解決方案。LAM技術屬于以激光為能量源的增材制造技術，能夠徹底改變傳統金屬零件的加工模式，是支撐航空、航天、醫療等領域智能制造的關鍵基礎技術。

近期，中國工程院向巧院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》撰文，系統梳理了國內外金屬LAM技術研究和應用的現狀與趨勢，分析了我國技術發展面臨的差距，針對性提出我國LAM技術發展策略，以期為******科技與產業發展戰略、2035年領域發展目標的制定提供支持。文章指出，金屬LAM技術的關注點仍為組織性能調控，但形狀控制研究相對缺乏；為滿足高質量制造的亟需，相關設備的過程監控功能獲得高度重視；為提升高價值零件的制造能力與效率，增減材復合加工設備成為新增研發熱點；金屬激光增材制造產業的良性發展，需要實施包括材料、工藝、設備、驗證、標準、人員培訓在內的全產業鏈整合。文章建議，在夯實研究基礎的同時，充分發揮材料基因組技術的作用，加強核心器件自主研發和裝備集成的技術研究，穩步推進金屬LAM技術的工程化普及應用。

一、前言

激光增材制造（LAM）屬于以激光為能量源的增材制造技術，能夠徹底改變傳統金屬零件的加工模式，主要分為以粉床鋪粉為技術特征的激光選區熔化（SLM）、以同步送粉為技術特征的激光直接沉積（LDMD）。目前LAM技術在航空、航天和醫療領域的應用發展***為迅速。鑒于相關領域主要涉及金屬結構制造，本文重點開展金屬LAM技術的發展研究。

隨著金屬零件使用性能和結構復雜程度的提高，采用鑄造、鍛造等傳統工藝實施制造的難度、成本和周期迅速增加，而兼具技術******性和資源經濟性的LAM技術為高性能、復雜結構制造提供了新型解決方案：實現拓撲優化結構、點陣結構、梯度材料結構、復雜內部流道結構等不再困難，結構功能一體化、輕量化、******韌、耐極端載荷、******散熱等新型結構得以應用，相應結構效能大幅提高。例如，美國通用電氣公司（GE）SLM航空發動機燃油噴嘴、北京航空航天大學LDMD飛機鈦合金框是典型應用案例。

從當前國內外金屬LAM技術的發展情況來看，真正走向產業化的技術方向還屬少數，這是因為基礎理論積淀、關鍵技術突破、工程化應用技術成熟度、技術研發商業化推廣等方面在不同程度上制約了LAM技術產業化應用。目前國內外研究主要集中在控性研究，側重孔隙率、裂紋、組織特征、各向異性等基礎研究。有關控形、檢測、產品標準等偏向產品研發的研究報道較少，這也表明金屬LAM整體上處于從技術研究向產業應用過渡的發展階段。

本文通過文獻、現場和問卷調研，對金屬 LAM 領域研究與應用的發展現狀和趨勢進行系統梳理，分析國內與國外、理論研究與應用需求的差距，提出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 技術產業應用的發展。

二、金屬激光增材制造需求分析

LAM基于數模切片，通過逐層堆積來實現金屬零件的近凈成形制造，尤其適合復雜形狀零件、梯度材質與性能構件、復合材料零件和難加工材料零件的制造，在航空航天等******制造方向備受青睞。一方面，相關零件外形復雜多變、材料性能要求高、難以加工且成本較高；另一方面，新型飛行器朝著高性能、長壽命、高可靠性、低成本的方向發展，采用復雜、大型化的整體結構成為設計亟需。

SLM成形的零件精度較高，但零件尺寸受加工室限制，故SLM主要用于小尺寸或中等尺寸的復雜精密結構******成形，相應產品結構的功能屬性一般大于承載屬性。為了滿足總體性能需求，航空發動機的燃油噴嘴（具有復雜的內部油路、氣路和型腔）、軸承座、控制殼體、葉片，飛機艙門支座、鉸鏈，輔助動力艙格柵結構進氣門、排氣門，衛星支架等零件，需進行結構創新設計，成為SLM技術的適宜應用對象。

LDMD成形的零件力學性能好，但尺寸精度相對不高，主要用于中等尺寸或大尺寸復雜承力結構的制造，相應產品結構的承載屬性一般大于功能屬性。航空發動機各類機匣、壓氣機/渦輪整體葉盤等結構，形狀較為復雜，為了提高效能甚至需采用異種或功能梯度材料結構。為了兼顧質量減輕和承載效能提升，飛機接頭、起落架、承力框、滑輪架，高速飛行器機翼/空氣舵的格柵結構承載骨架等承力構件，需進行結構拓撲優化設計。這類結構突出的復雜性和制造難度，對LDMD技術提出了明確需求。

此外，飛機、發動機的某些帶有局部凸臺、耳片等特殊結構的承力構件，采用鍛造工藝將難以保證局部構型和性能；大型飛機的超大規格鈦合金承力框已經超出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需求。

三、國外金屬激光增材制造發展現狀

相關企業采用真空感應氣霧化（VIGA）、無坩堝電極感應熔化氣體霧化（EIGA）、等離子旋轉霧化（PREP）、等離子火炬（PA）等方法制備SLM用粉末，具有批量供貨能力，占據了全球主要市場。

LAM工藝研究的關注點主要是組織性能調控，完成了較多有關SLM組織、缺陷、性能及其與工藝參數的關系研究。例如，對于不銹鋼零件SLM，增加激光功率、降低掃描速度均有利于提高致密度；高的表面粗糙度和孔隙率都會降低AlSi10Mg鋁合金SLM的耐腐蝕性能，而形成的氧化膜可提高耐腐蝕性能；AW7075鋁合金SLM試樣內部產生垂直于增材方向的裂紋，而預熱鋁粉對裂紋控制無改善作用，內部裂紋導致疲勞壽命遠低于傳統工藝。

能量密度對Ti-6Al-4V鈦合金的SLM組織和缺陷存在明顯的影響：低能量密度造成片層狀的α+β相組織，容易引發氣孔和熔合不良現象；高能量密度造成針狀馬氏體α′組織，促進鋁元素偏聚和α2-Ti3Al相形成；沉積態Ti-6Al-4V合金疲勞強度比鍛件降低約80%；熱等靜壓可降低孔隙率并改善性能。對于CMSX486單晶合金SLM，低能量密度減少裂紋，高能量密度降低孔隙率。CM247LC合金SLM縱截面主要由柱狀γ晶粒組成，Hf、Ta、W、Ti偏聚增加了沉淀物和殘余應力，造成零件內部開裂。IN738LC高溫合金SLM的微裂紋與Zr在晶界處富集偏析有關。適量添加Re可以細化IN718合金的樹枝狀晶，但過量的Re對疲勞強度不利。SLM的Hastelloy-X合金經熱處理形成等軸晶，屈服強度降低；經熱等靜壓后抗拉強度恢復沉積態水平，延伸率可提高15%。

對于金屬 LAM 工藝，國外開展了較多精細的研究。據了解，德國設備商針對一種新材料進行 SLM工藝開發，需耗時 6~8個月，調整參數達70余個。通過拓撲優化來實現結構輕量化設計也是SLM 應用研究的重點，國外對應提出了設計引導制造、功能性優先等新理念。還發展了特殊支撐設計技術，使得制件與基板分離無需線切割，有效縮短了取件周期。

此外，金屬LAM標準研究和制定工作一直與技術應用同步發展。2002年，美國發布了《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產品》，隨后陸續頒布了19項相關標準，涵蓋產品退火和熱等靜壓制度、時效制度，制造過程消除應力退火制度等諸多方面。標準的及時形成對LAM技術的產業應用發揮了基礎支撐作用。

1995年，美國約翰斯·霍普金斯大學、賓夕法尼亞州立大學、MTS系統公司共同開發了基于大功率CO2激光器的大尺寸鈦合金零件LDMD技術，沉積速率為1~2 kg/h，促成LDMD零件在飛機上的應用。

LDMD技術研究主要包括成形工藝和組織性能。美國桑地亞******實驗室和洛斯·阿拉莫斯******實驗室制備的LDMD成形零件，其力學性能接近甚至超過傳統鍛造零件。瑞士洛桑聯邦理工學院研究了單晶葉片LDMD修復過程的穩定性、零件精度、組織、力學性能與工藝參數的關系，形成的修復技術已獲得工程應用。

國外學者針對Ti-6Al-4V合金的LDMD技術進行了深入研究，揭示了工藝參數和增材制造組織、力學性能之間的聯系，闡明了工藝調整和熱等靜壓對組織、性能的調整作用。LDMD技術為材料顯微組織控制提供了較大的自由度：通過調節鎳基高溫合金LDMD形核與生長條件得到了符合預期的單晶與多晶組織；美國******航空航天局（NASA）發展的混合沉積多種金屬于同一結構的LDMD技術，可使零件性能隨部位不同而變化。德國企業將LAM技術與傳統切削加工方法進行整合，可加工出傳統工藝難以制造的復雜形狀零件，且產品精度提高、表面粗糙度改善。

LAM技術推廣應用的基礎是經濟高效的LAM設備。SLM設備研制集中在德國、法國、英國、日本、比利時等******，LDMD設備研制******主要有美國和德國等。

德國是SLM技術及設備研究起步***早的******，EOS公司推出的SLM設備具有一定的技術優勢，相關設備應用于GE公司LEAP航空發動機燃油噴嘴的加工制造，通過監控增材制造過程來進一步提高制造產品的質量；Realizer GmbH公司的全方位設計、零件堆疊技術方案別具特色；Concept Laser公司的設備以構建尺寸大見長；SLM Solutions公司的激光技術和氣流管理技術處于領先位置。美國3D Systems公司依靠其專用粉末沉積系統的技術優勢，可以成形精密的細節特征。英國 Renishaw PLC公司在材料使用靈活性、更換便捷性方面具有技術特色。

美國EFESTO公司在大尺寸金屬LAM方面具有技術優勢，所研制的LDMD設備工作室尺寸可達 1500 mm×1500 mm×2100 mm。美國Optomec公司推出的LDMD設備具有900 mm×1500 mm×900 mm的工作室空間，配置了5軸移動工作臺，***大成形速度為1.5 kg/h。德國企業提供的激光綜合加工系統也是主流的LDMD設備。

近年來，增減材復合加工設備成為市場新熱點。日本DMG公司推出了配有2 kW激光器、輔以5軸聯動數控銑床的LDMD設備，成形速度較普通粉床提高20倍，可在制造過程中銑削***終零件的不可達部位。日本Mazak公司推出的相關設備能夠進行5軸車銑復合加工，使用對象包括多棱體鍛件或鑄件、回轉體零件和復雜異形零件。

鈦合金LAM在航空領域取得重要應用。美國率先將LDMD鈦合金承力零件用于艦載殲擊機；Carpenter技術公司采用高強度的定制不銹鋼進行增材制造，生產******的航空齒輪；F-22飛機維修采用了SLM耐蝕支架，使得維修時間顯著縮短。英國成功將LDMD技術應用于無人機的整體框架制造。

SLM技術在航空發動機的復雜零件制造方面獲得廣泛應用。美國GE公司率先將SLM技術應用于高壓壓氣機的溫度傳感器外殼生產，產品獲得美國聯邦航空管理局（FAA）批準，配裝了超過400臺GE90-40B航空發動機。GE公司LEAP系列航空發動機的燃油噴嘴同樣采用SLM技術進行生產（2020年具備44 000 個/年的生產能力）。美國普惠公司采用SLM技術生產管道鏡套筒，配裝了PW1100G-JM航空發動機。英國羅羅公司采用SLM制造了遄達XWB-97航空發動機的鈦合金前軸承組件（包含48個翼型導葉）。

2012年起，LAM技術獲得了航天飛行器制造方面的應用。NASA采用LAM技術制造RS-25火箭發動機的彎曲接頭，在零件、焊縫、機械加工工序的數量方面相比傳統方法下降了約60%；若氫氧火箭發動機采用整體化設計和制造方法，零件總數將下降80%。法國泰雷茲集團采用SLM技術制造了Koreasat5A、Koreasat7通信衛星的測控天線支撐零件（鋁合金），降低質量約22%，節省經費約30%。

LAM技術的推廣應用，加速了航空航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衛星平臺的遙測/遙控天線鋁合金安裝支架，采用LAM進行整體制造后降低質量約35%、提高結構剛度約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發動機整體部件LAM制造。此外，增減材復合加工技術開始走向應用。維珍軌道公司（Virgin Orbit）使用增減材混合機床進行火箭發動機燃燒室零件制造與精加工，2019年完成了24次發動機測試運行。

回顧國際上金屬LAM技術的發展過程，以產業發展牽引技術研究和設備開發，通過產業鏈整合提高市場競爭力是重要的經驗。應用企業關注自身產品的制造質量和生產成本，作為技術發展的主體和***大受益者，由其來整合材料、工藝、設備、驗證、標準研究和人員培訓，可以更加高效地推動LAM產業的發展。例如，美國GE公司LAM產業應用居于************地位，主要歸因于產業鏈整合策略，收購了制造質量控制公司和增材制造設備公司以加強LAM產業鏈條的完整性；產品制造利用了遍布全球的300多臺工業級制造設備。國外企業注重LAM產品制造方面的人員培訓，如GE公司設有增材制造培訓中心，配置專門設備，每年可培訓數百名工程師。

四、國內金屬激光增材制造發展現狀與差距分析

公司是一家集精密機械零部件加工，北京不銹鋼零件加工,北京鈦合金加工各類工裝夾具、治具、非標設備設計制造以及沖壓模具、注塑模具、橡膠模具加工的專業廠家，是中國模具協會會員企業。

國內圍繞LDMD組織、缺陷、應力變形控制等完成了較多的研究工作。北京航空航天大學發展了鈦合金大型結構件LDMD內部缺陷和質量控制等關鍵技術。西北工業大學完成了飛機超大尺寸鈦合金緣條的LDMD制造，成形精度和變形控制達到較高水平。沈陽航空航天大學提出分區掃描成形方法，有效控制了LDMD過程零件變形和開裂。有研工程技術研究院有限公司突破了葉盤和進氣道的TC11、TA15/Ti2AlNb異種材料界面質量控制及復雜外形一體化控制難題，產品通過試驗考核。

國內針對SLM技術方向重點開展了形狀尺寸、表面粗糙度******控制等研究。西安鉑力特激光成形技術有限公司采用SLM方法加工的流道類零件***小孔徑約為0.3 mm，薄壁零件的***小壁厚約為0.2 mm；零件整體尺寸精度達到±0.2 mm，粗糙度Ra不大于3.2 μm。南京航空航天大學以SLM精密制造為主線，通過全流程控制來提升零件綜合性能。西安交通大學將LAM應用于空心渦輪葉片、航天推進器、汽車零件等的制造。

中國航發北京航空材料研究院完成了LAM技術綜合研究：LDMD制造的鎳基雙合金渦輪整體葉盤通過超轉試驗考核，增材修復的伊爾-76飛機起落架獲得批量應用；研制了LAM超聲掃查與評價系統，建立了檢測標準與對比試塊，評價和無損檢測技術成果應用于飛機滑輪架、框架等裝機零件的批量檢測。

在SLM粉末方面，國內產品基本滿足成形工藝要求。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潔凈化制備技術，性能達到進口產品水平。西安歐中材料科技有限公司研制的鈦合金和高溫合金粉末產品獲得工程應用。

國內的LDMD和SLM設備研發能力相對較強，獲得一定份額的市場應用。西安鉑力特激光成形技術有限公司自主開發了SLM系列裝備、激光高性能修復系列裝備。南京中科煜宸激光技術有限公司研制了自動變焦同軸送粉噴頭、長程送粉器、高效惰性氣體循環凈化箱體等核心器件，形成了金屬LDMD系列化裝備。此外，北京易加三維科技有限公司、北京星航機電裝備有限公司在工業級和小型金屬SLM設備小批量生產，上海航天設備制造總廠有限公司在標準型和大幅面SLM設備和機器人型LDMD設備研制等方面均取得了良好進展。

LDMD主要應用于承力結構制造。北京航空航天大學制造的主承力框、主起落架等部件獲得了航空航天飛行器、燃氣渦輪發動機等裝備應用。航空工業沈陽飛機設計研究所通過工程化應用驗證來促進LDMD技術成熟度提升，實現了8種金屬材料、10類結構件的飛行器應用。航空工業******飛機設計研究院實現了大型飛機外主襟翼滑輪架、尾翼方向舵支臂LDMD零件的裝機應用。北京機電工程研究所實現了大尺寸薄壁骨架艙段結構的LDMD制造及應用。

SLM主要應用于復雜形狀零件制造。在航空領域，中國航空制造技術研究院實現了SLM產品裝機應用；航空工業成都飛機設計研究所在飛機上使用了SLM輔助動力艙格柵結構進/排氣門；航空工業直升機設計研究所在通風格柵結構、淋雨密封結構、進氣道多腔體結構等方面實現了SLM零件裝機應用。在航天領域，上海航天設備制造總廠有限公司的貯箱間斷支架、空間散熱器、導引裝置等SLM產品獲得裝機應用；北京星航機電裝備有限公司的艙段類結構件、操縱面等SLM產品通過地面試驗及飛行試驗驗證；北京機電工程研究所實現了小型復雜零件的SLM制造，操縱面、支架等產品的技術成熟度達到5級；鑫精合激光科技發展（北京）有限公司應用SLM制造了大尺寸薄壁鈦合金點陣夾層結構件（集熱窗框），滿足了深空探測飛行器的嚴格技術要求。

此外，西安鉑力特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余件零件；華中科技大學通過增減材復合加工方式制造了具有隨形冷卻水道的梯度材料模具，獲得了較多的行業應用。

國內LAM專用材料的設計理論和方法體系尚顯薄弱，專用材料設計工作少而分散。材料基因組技術縮短研發周期并降低研發成本，在國外相關材料設計方面取得了成功應用。國內在材料基因組技術的研究以及用于提高LAM專用材料性能等方面的基礎較為薄弱。

在粉末制備方面，國內真空氬氣霧化制粉技術相對成熟，制備的不銹鋼、鎳基合金類粉末性能基本滿足成形工藝要求。但在鈦合金、鋁合金超細粉末制備方面存在不小差距，主要問題是粉末球形度差、細粉收得率低，不能滿足 SLM 成形要求，使得實際應用仍依賴進口。

我國與美國、德國等LAM技術強國的差距主要在于工藝裝備。國內應用的SLM設備較多依賴德國進口，而大尺寸工程應用的SLM設備主要依靠進口。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、加工精度亟待提升，有關粉末流態、熔池狀態等過程監控與成形的國產控制軟件不夠完善。

隨著渦輪發動機、飛機等重要裝備用材的使用性能不斷提高，材料工藝性出現了下降。國內對航空主干材料的LAM工藝研究不足，未能形成應力變形、開裂控制等有效方法，制件內部組織缺陷的問題尚未得到根治，制件力學性能均勻一致性、批次穩定性欠佳。而******航空發動機、高速飛行器所需的超高溫結構材料的LAM工藝研究更為欠缺。

LDMD飛機結構件一般留有加工余量，尺寸精度和表面粗糙度不一定是關鍵制約因素。然而渦輪發動機零件多為帶內部流道、空腔的復雜結構零件，相應SLM成形尺寸精度約為0.1 mm、表面粗糙度Ra約為6.3，尚與精密鑄件存在差距。相關產品還面臨著成形、內表面加工等技術研究不足的問題。

現階段我國LAM行業面臨的共性問題是缺少質量控制標準，使得在金屬LAM產品的設計、材料、工藝、檢測、組織性能、尺寸精度等方面缺乏驗收依據。作為零件應用基礎的無損檢測、力學性能、冶金圖譜等基本數據，由于缺乏整理而致使產品標準制定困難、產業化應用推廣保障不足。

五、我國金屬激光增材制造關鍵技術分析

開展具有自主知識產權核心器件研制，重點在于提高處理器、存儲器、工業控制器、高精度傳感器、數字/模擬轉換器等基礎器件質量性能，開展工藝裝備核心器件、關鍵部件的設計與制造；研發高光束質量激光器及光束整形系統，大功率激光掃描振鏡、動態聚焦鏡等精密光學器件，高精度噴嘴加工頭等核心部件。

突破數據設計、數據處理、工藝庫、工藝分析及工藝智能規劃、在線檢測與監測系統、成形過程自適應智能控制等方面的軟件技術，構建具有自主知識產權的LAM核心支撐軟件體系。

發展遠離平衡條件的專用材料高通量技術模型，開發適用于高通量計算的多尺度模擬算法。研究成分和組織結構微區可控的粉體材料制備技術，通過高通量實驗來建立材料基因數據庫。通過高通量計算、實驗、數據庫的協同，快速研發具有優異性能的LAM專用材料。

針對若干關鍵材料及典型零件，開展LAM控性、控形共性關鍵技術、零件工程化應用的研究。掌握零件生產制造過程中影響***終質量的因素和解決措施，形成工程可用的LAM技術體系，涉及原材料控制、工藝設備、成形工藝、熱處理、機械加工、表面處理、無損檢測和驗證試驗等。重視LAM零件的均勻一致性和批次穩定性，契合工程實際應用需求。

六、結語

為了在金屬LAM技術及其工程應用方面迎頭趕上，我國LAM的發展應遵循技術–產品–產業的客觀規律，夯實組織性能控制技術基礎，補齊核心設備在硬件/軟件研發與集成方面的短板，強化產品質量控制、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，發揮高等院校和科研院所的技術探索與攻關能力。由工業部門或應用單位牽頭開展產品LAM工藝開發和性能驗證，本著先易后難原則，由常規金屬逐步向金屬間化合物、鈮–硅超高溫合金等******材料方向拓展。

（2）有序推進工程化應用研究。先期在航空、航天領域選取代表性產品開展LAM質量控制、標準和驗證工作，盡快實現產品量產和工程應用；隨后逐步向結構復雜、工況苛刻、加工性差的高價值產品拓展，在核工業、兵器、汽車、電力裝備等******制造領域推廣應用。

（3）扎實開展LAM產品質量控制標準研究與制定。積累有關LAM的缺陷無損檢測、力學性能、冶金圖譜、疲勞壽命等基本數據，確定材料、工藝、無損檢測、組織與力學性能、尺寸精度、表面粗糙度等方面驗收依據，制定我國LAM產品技術標準。

（4）結合工業實際需求，在高等院校、職業技術學院增設LAM相關專業，為企業培養專業技術和技能人才。在優勢技術企業內設立LAM培訓中心，對我國諸多行業的設計人員、工藝人員和設備操作人員進行專項培訓，從而為LAM產業發展提供智力支持。

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