圖1、GKN 公司發布的用于火箭的激光送絲制品

采用機器人為操作系統的激光送絲增材制造系統進行了沉積316Si的實驗。對得到的樣品的組織和性能進行了分析。沉積樣品分兩種：薄壁強試樣和塊體試樣。制備的樣品掃描間隙的時間也分為兩種，短的和長的掃描間隙。研究發現，由于不同的掃描間隙造成的熱歷史時間不同而對得到的樣品的組織和性能造成非常大的影響。薄壁墻試樣掃描間隙時間短，得到粗大的柱狀晶、較低的拉伸強度以較低的硬度。與之相反，塊體試樣的掃描間隙時間長，得到的柱狀晶較細小、拉伸強度較高、硬度也較高。同時對熔池進行了在線監測。還建立了熔池和冷卻速率之間的經驗公式，用于通過控制熔池尺寸來實現對凝固組織的控制。而且，為了研究其各向異性行為，對垂直和平行于試樣沉積方向的拉伸強度進行了測試。結果表明，垂直于制造方向的拉伸強度和延伸率，對薄壁試樣和塊體試樣來說，均較低，這表明層間或熔池間由于未熔氣孔存在而存在弱結合。

圖2、機器人激光送絲系統及其制備的樣件

增材制造在健康、汽車、模具、乃至航空航天有著較多的應用。增材制造之所以應用的發展非常快，是因為該技術可以制造出復雜形狀、減少制造周期、不需要額外的機加工和支撐等。該技術已經成為制造小批量高附加值部件最經濟且有效的制造手段。增材制造種類繁多，但主要分兩大類，直接能量沉積（DED）和粉末床（PBF）。其中DED是一種通過連續喂送金屬粉末或絲材到指定位置，同時激光束或電子束等能量對其進行熔化。熱源相對于基材以預設的軌跡來運動。從而形成預設的制品。

激光直接沉積（LDMD）是DED的一種，有著多種稱呼，如3D激光熔覆、SLM、LMD、DMD、DLD等。并且該技術在諸多領域得到了應用。LDMD的優點較多，如打印功能梯度材料（FGM）、修復高附加值材料、在部件表面施加涂層用于提高耐磨、耐腐蝕等性能。同時還可以打印打的泊松比、負的泊松比；甚至是負的熱膨脹系數的材料。

圖3、機器人激光送絲系統制備的薄壁墻和塊體樣品

激光送絲直接沉積是采用送粉增材沉積的一種方式，最近頗受重視。激光送絲具有絲材成本低（絲材比粉末便宜）、沉積效率高（對鈦合金來說可以達到40 lb/h）、材料利用率高、對環境清潔無污染。國際上著名的公司如GKN和橡樹嶺國家實驗已經發布了采用激光送絲系統制備了大型的結構件用于航空航天（見圖1）。這一結構件采用其他增材制造技術是很難制造出來的。除了以上激光送絲的優點外，實驗還證明激光送絲在工藝上難以控制。主要參數有激光功率、送絲速度、激光掃描速度、搭接率和抬高量等必須精確控制以獲得穩定和可可重復的工藝以避免常見的缺陷生成。實驗還表明由于在加工過程中熱傳導模式會從3D到2D傳熱以及傳熱的復雜性（熔池動力學）。因此，非常有必要采用在線監測系統來保證加工的穩定性和可重復性。同時在加工過程中送絲速率、激光功率、熱導率等，這些參數的微小變化都需要采用在線監測技術以確保制品性能的均一性。Herali等人嘗試在激光送絲時配以反饋系統已保證熔池的高度和寬度不變，從而確保最大程度的穩定性。Yaoyu等人采用激光頭上安裝同軸相機監控熔池，輔以PID控制器成功的實現了調節激光功率來保證熔池的穩定性。

圖4、薄壁墻樣品的在線監測及其組織

現有的文獻大都以增材制造的產品同傳統工藝進行對比，其性能幾乎相當。然而增材制造產品的組織和性能頗受關注，這是因為該工藝存在復雜的熱歷史過程。Hederick在綜述中指出，研究熱歷史和組織演變的關系至關重要。許多研究工作多集中在認知熱循環對顯微組織和性能的研究上。在LMD工藝中熱歷史過程包括快速加熱和快速冷卻過程以及一定的溫度梯度。這對顯微組織的影響非常重要，進而會影響到最終的機械性能。Yadollahi等人報道了工藝參數會影響熔池的動力學。進而影響熱歷史。工藝參數會影響到缺陷的生成。同時研究了層層之間的間隙對機械性能和顯微組織的影響。結果顯示較長的時間間隙導致高的冷卻速率，從而顯微組織較細小。SU等人研究了結構類型（常用的有兩種：薄壁墻和塊體）的組織變化。薄壁墻結構存在柱狀晶且平行于制造方向，而塊體試樣的組織則呈現多個方向。但目前對激光送絲來說，公開報道還比較少。

圖5、塊體樣品的在線監測及其組織

圖6、試樣的氣孔檢測

本文主要報道了采用機器人系統進行激光送絲的工藝研究，同時在送絲過程中采用了在線監測技術制造了薄壁墻和塊體試樣，并對試樣的組織和性能進行了研究。

圖7、電子束AM制造的部件