瑞士研究机构开发激光工艺，解决增材制造裂缝难题

此前，瑞士洛桑联邦理工学院开发出了一种工艺技术，可显著减少选区激光熔化（SLM）期间金属部件发生开裂的问题。研究人员称，这项技术为生产具有耐高温、抗损坏、抗腐蚀能力的金属部件解决了关键技术难题。

在选区激光熔化期间，强大的激光能量将金属粉末熔化融合在一起，并逐层构建出3D组件。然而，一些金属和合金无法承受选区激光熔化过程中的高温变化，其结果是结构件发生开裂。

■图片来源：瑞士洛桑联邦理工学院

洛桑联邦理工学院热机械冶金实验室的研究人员描述了他们的解决方法，即如何在3D打印过程中快速“修复”裂缝，该方法是在增材制造过程中每隔几层就进行一次激光处理。这种被称为“激光冲击强化”（laser shock peening）的处理方法，是通过周期性将高强度激光脉冲引导到正在构建的部件上来工作的。它充当高能光子“锤子”，通过材料发送冲击波。

该工艺方法需要使用两台激光器，第一台负责熔化金属粉末并加热已经熔化的材料，第二台则在目标位置部件中产生应力以“修复”裂缝。研究团队负责人Roland Logé表示，激光冲击强化过去通常只用于表面处理，但在我们的案例中它成为了一种可以实现批量处理的工艺，因为它在材料内部以3D方式运行。

研究人员发现，“激光冲击强化”能够消除镍基合金中高达95%的裂纹。之后，他们还计划将该方法用于其他对裂纹敏感的合金材料。Roland Logé同时提到，这种混合3D打印方法的应用远不止消除裂缝，其他潜力还有待开发。

激光冲击强化技术

激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。

激光冲击强化技术最初开发于1970年代初的美国贝尔实验室。1972年美国巴特尔学院的Fairand B.P.等人首次用高功率脉冲激光诱导的冲击波来改变7075铝合金的显微结构组织以提高其机械性能，从此揭开了用激光冲击强化应用研究的序幕。

1978年秋，该实验室的Ford S.C等人与美国空军实验室联合进行激光冲击改善紧固件疲劳寿命的研究，结果表明激光冲击强化可大幅度提高紧固件的疲劳寿命。当时由于缺少可靠的、高脉冲频率的大功率激光器而未能实用化。

■激光冲击强化工作原理

1980年代后期，欧洲、日本、以色列等国家和地区纷纷开展了激光冲击强化技术研究。但到目前为止，国际上还只有美国将激光冲击强化实际应用。进入21世纪，激光冲击强化技术应用取得了长足进展。美国空军为提高激光冲击强化生产效率做出了很大的努力，设置了四个重要的制造技术计划，取得了许多重要进展，解决了提高激光冲击强化生产效率和可移动式生产等工业应用问题。

2002年以来，美国已将激光冲击强化大规模用于航空部件的制造和修理中，例如美国MIC公司将激光冲击强化技术用于军民用喷气发动机叶片以改善其疲劳寿命，不但提高了飞机发动机的安全可靠性，而且每月可节约飞机保养费几百万美元、节约零件更换费几百万美元。预计仅仅战斗机发动机叶片的处理，就能节约成本超过10亿美元。

美国对激光冲击强化有一个发展过程，如在初步应用的基础上，针对激光冲击强化技术存在的问题，美国空军组织了LSPT、P&W、GEAE和UTC等公司进行了多个制造技术计划。提出了快速涂层的RapidCoater技术，研制了先进的控制和监控技术以提高其工作可靠性和可重复性，成本至少降低了50%-70%，增加产量6-9倍。

国内外的研究均表明，激光冲击强化对各种铝合金、镍基合金、不锈钢、钛合金、铸铁以及粉末冶金等均有良好的强化效果，除了在航空工业具有极好的应用前景外，在汽车制造、医疗卫生、海洋运输和核工业等都有潜在的应用价值。

来源：Ringier