目前可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有：包括選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering， SLS）技術、直接金屬粉末激光燒結(jié)（Direct  Metal  Laser Sintering，DMLS）、選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting， SLM）技術、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping， LENS）技術和電子束選區(qū)熔化（Electron Beam SelectiveMelting， EBSM）技術，其中選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting， SLM）技術為現(xiàn)今3D金屬打印機最主流的使用技術。

選區(qū)激光熔化（SLM）

SLM 的思想最初由德國Fraunhofer研究所于1995年提出，2002年該研究所對SLM 技術的研究取得巨大的成功。世界上第一臺SLM設備由英國MCP集團公司下轄的德國MCP－HEK 分公司于 2003 年底推出。為獲取全致密的激光成形件，同時也受益于2000年之后激光快速成形設備的長足進步（表現(xiàn)為先進高能光纖激光器的使用、鋪粉精度的提高等），粉體完全熔化的冶金機制被用于金屬構(gòu)件的激光快速成形。例如，德國著名的快速成形公司EOS公司，是世界上較早開展金屬粉末激光燒結(jié)的專業(yè)化公司，主要從事SLS金屬粉末、工藝及設備研發(fā)。而該公司新近研發(fā)的EOSINTM270／280型設備，雖繼續(xù)沿用“燒結(jié)”這一表述，但已裝配200W光纖激光器，并采用完全熔化的冶金機制成形金屬構(gòu)件，成形性能得以顯著提高。目前，作為SLS技術的延伸，SLM術正在德國、英國等歐洲國家蓬勃發(fā)展。即便繼續(xù)沿用“選區(qū)激光燒結(jié)”（SLS）這一表述，實際所采用的成形機制已轉(zhuǎn)變?yōu)榉垠w完全熔化機制。

選區(qū)激光熔化的原理

SLM技術是在SLS基礎上發(fā)展起來的，二者的基本原理類似。SLM技術需要使金屬粉末完全熔化，直接成型金屬件，因此需要高功率密度激光器激光束開始掃描前，水平鋪粉輥先把金屬粉末平鋪到加工室的基板上，然后激光束將按當前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上的粉末，加工出當前層的輪廓，然后可升降系統(tǒng)下降一個圖層厚度的距離，滾動鋪粉輥再在已加工好的當前層上鋪金屬粉末，設備調(diào)入下一圖層進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在抽真空或通有氣體保護的加工室中進行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應。SLM與DMLS的界限目前很模糊，區(qū)別不明顯， DMLS技術雖翻譯為金屬的燒結(jié)，實際成型過程中多數(shù)時候已將金屬粉末完全熔化。DMLS技術使用材料都為不同金屬組成的混合物，各成分在燒結(jié)（熔化）過程中相互補償，有利于保證制作精度。而SLM技術使用材料主要為單一組分的粉末，激光束快速熔化金屬粉末并獲得連續(xù)的掃描線。  

選區(qū)激光熔化技術的優(yōu)勢

在原理上，選區(qū)激光熔化與選區(qū)激光燒結(jié)相似，但因為采用了較高的激光能量密度和更細小的光斑直徑，成型件的力學性能、尺寸精度等均較好，只需簡單后處理即可投入使用，并且成型所用原材料無需特別配制。選區(qū)激光熔化技術的優(yōu)點可歸納如下：

1．直接制造金屬功能件件，無需中間工序；

2．良好的光束質(zhì)量，可獲得細微聚焦光斑，從而可以直接制造出較高尺寸精度和較好表面粗糙度的功能件；

3．金屬粉末完全熔化，所直接制造的金屬功能件具有冶金結(jié)合組織，致密度較高，具 有較好的力學性能，無需后處理；

4．粉末材料可為單一材料也可為多組元材料，原材料無需特別配制；

5．可直接制造出復雜幾何形狀的功能件；

6．特別適合于單件或小批量的功能件制造。選區(qū)激光燒結(jié)成型件的致密度、力學性能較差；電子束熔融成型和激光熔覆制造難以獲得較高尺寸精度的零件；相比之下，選區(qū)激光熔化成型技術可以獲得冶金結(jié)合、致密組織、高尺寸精度和良好力學性能的成型件，是近年來快速成型的主要研究熱點和發(fā)展趨勢。

選區(qū)激光熔化技術的發(fā)展問題

激光選區(qū)成形件中，F(xiàn)e基合金（主要是鋼）SLM成形研究較多，但SLM成形工藝尚需優(yōu)化、成形性能尚需進一步提高；對SLM成形性能（特別是占基礎地位的致密度），目前SLM成形的鋼構(gòu)件通常難以實現(xiàn)全致密。解決鋼材料SLM成形的致密化問題，是快速成形研究的關鍵性瓶頸問題。鋼材料激光成形的難度，主要取決于鋼中主要元素的化學特性。基體元素Fe及合金元素Cr對氧都具有很強的親和性，在常規(guī)粉末處理和激光成形條件下很難徹底避免氧化現(xiàn)象。因此，在SLM過程中，鋼熔體表面氧化物等污染層的存在，將顯著降低潤濕性，引起激光熔化特有的冶金缺陷球化效應及凝固微裂紋，從而顯著降低激光成形致密度及相應的機械性能。另一方面，鋼中C含量是決定激光成形性能的又一個關鍵因素。通常，過高的C含量將對激光成形性產(chǎn)生不利，隨C含量升高，熔體表面C元素層的厚度亦會增加。這與氧化層的不利影響類似，也會降低潤濕性，導致熔體鋪展性降低，并引起球化效應。此外，在晶界上形成的復雜碳化物會增大鋼材料激光成形件的脆性。因此，通常對鋼材料SLM成形，需提高激光能量密度及SLM成形溫度，可促進碳化物的溶解，也可使合金元素均勻化。

通過粉體材料及SLM工藝優(yōu)化，包括：

1，嚴格控制原始粉體材料及激光成形系統(tǒng)中的氧含量以改善潤濕性；

2，合理調(diào)控輸入激光能量密度以獲取適宜的液相粘度及其流變特性，可有效抑制球化效應及微裂紋形成，進而獲取近全致密結(jié)構(gòu)。

對于以Al合金為代表的輕合金零件激光快速成形，先前絕大多數(shù)研究報道是基于SLS半固態(tài)燒結(jié)成形機制，但因嚴重的球化效應及孔隙缺陷，故研究進展不大；而SLM技術可望為高性能復雜結(jié)構(gòu)Al合金零件近凈成形與快速制造提供嶄新的技術途徑。Al基合金零件SLM成形具有高難度，是由材料自身特殊物理特性本質(zhì)所決定的。一方面，，通常低功率CO2激光難以使Al合金粉體發(fā)生有效熔化，而要求使用能量密度更高的光纖或Nd：YAG激光，這無疑對激光器性能提出了更苛刻的要求。另一方面，Al合金材料熱導率高，SLM成形過程中激光能量輸入極易沿基板或在粉床中傳遞消耗，導致激光熔池溫度降低，熔體粘度增加且流動性降低，故其難以有效潤濕基體材料，導致SLM成形球化效應及內(nèi)部孔隙、裂紋等缺陷。其三，從成形工藝角度，Al合金材料密度較低，粉體流動性差。

需指出的是，基于SLM／SLRM成形機制，雖能在一定程度上改善激光成形件的致密度和表面光潔度，但因成形過程中粉末發(fā)生完全熔化／凝固，故在固液轉(zhuǎn)變過程中將出現(xiàn)明顯的收縮變形，致使成形件中積聚較大的熱應力，并將在冷卻過程中得以釋放，使得成形件發(fā)生變形、甚至開裂。由于激光選區(qū)熔化成形技術成形粉末需求量大，需要在整個成形平面鋪設金屬粉末，因而不適宜成形貴重的金屬；整個成形平臺較大，惰性氣體保護效果較差，因而也不適宜成形易氧化的金屬粉末。

選區(qū)激光熔化技術的研究展望  

（1）實現(xiàn)激光快速成形專用金屬粉體材料系列化與專業(yè)化。重視粉體材料對改善激光快速成形性能的物質(zhì)基礎作用，深入定量研究適于選區(qū)激光熔化成形工藝的粉體化學成分、物性指標、制備技術及表征方法，實現(xiàn)激光快速成形專用金屬及合金粉體材料的專業(yè)化和系列化。

（2）深入定量研究金屬及合金粉體激光成形冶金本質(zhì)及其機理。緊扣金屬及合金粉體激光快速成形關鍵科學問題，包括激光束—金屬粉體交互作用機理、激光熔池非平衡傳熱傳質(zhì)機制、超高溫度梯度下金屬熔體快速凝固及內(nèi)部冶金缺陷和顯微組織調(diào)控、金屬粉體激光熔化成形全過程及各類型內(nèi)應力演變等冶金、物理、化學及熱力耦合問題，為改善金屬及合金粉體激光快速成形組織和性能提供科學理論基礎。

（3）高性能復雜結(jié)構(gòu)金屬及合金零件激光控形控性凈形制造。以激光快速成形專用高流動性金屬粉體設計制備為物質(zhì)基礎，以激光非平衡熔池冶金熱力學和動力學行為、激光成形顯微組織調(diào)控機制、激光成形件內(nèi)應力演化規(guī)律多尺度預測為理論基礎，通過粉體設計制備—零件結(jié)構(gòu)設計—SLM成形工藝—組織及性能評價的一體化研究，面向航空航天、生物醫(yī)藥、模具制造等領域應用需求，實現(xiàn)高性能復雜結(jié)構(gòu)金屬及合金關鍵零件激光控形控性直接精密凈成形制造。對于金屬零件選區(qū)激光熔化快速成形的材料、工藝及理論的研究，尚有很多方面未獲得本質(zhì)突破。對于該領域諸多新材料、新工藝、新現(xiàn)象及新理論的深入研究與發(fā)掘，是實現(xiàn)激光快速成形技術走向工程應用的基礎。

目前可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有：包括選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering， SLS）技術、直接金屬粉末激光燒結(jié)（Direct  Metal  Laser Sintering，DMLS）、選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting， SLM）技術、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping， LENS）技術和電子束選區(qū)熔化（Electron Beam SelectiveMelting， EBSM）技術，其中選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting， SLM）技術為現(xiàn)今3D金屬打印機最主流的使用技術。

選區(qū)激光熔化（SLM）

SLM 的思想最初由德國Fraunhofer研究所于1995年提出，2002年該研究所對SLM 技術的研究取得巨大的成功。世界上第一臺SLM設備由英國MCP集團公司下轄的德國MCP－HEK 分公司于 2003 年底推出。為獲取全致密的激光成形件，同時也受益于2000年之后激光快速成形設備的長足進步（表現(xiàn)為先進高能光纖激光器的使用、鋪粉精度的提高等），粉體完全熔化的冶金機制被用于金屬構(gòu)件的激光快速成形。例如，德國著名的快速成形公司EOS公司，是世界上較早開展金屬粉末激光燒結(jié)的專業(yè)化公司，主要從事SLS金屬粉末、工藝及設備研發(fā)。而該公司新近研發(fā)的EOSINTM270／280型設備，雖繼續(xù)沿用“燒結(jié)”這一表述，但已裝配200W光纖激光器，并采用完全熔化的冶金機制成形金屬構(gòu)件，成形性能得以顯著提高。目前，作為SLS技術的延伸，SLM術正在德國、英國等歐洲國家蓬勃發(fā)展。即便繼續(xù)沿用“選區(qū)激光燒結(jié)”（SLS）這一表述，實際所采用的成形機制已轉(zhuǎn)變?yōu)榉垠w完全熔化機制。

選區(qū)激光熔化的原理

SLM技術是在SLS基礎上發(fā)展起來的，二者的基本原理類似。SLM技術需要使金屬粉末完全熔化，直接成型金屬件，因此需要高功率密度激光器激光束開始掃描前，水平鋪粉輥先把金屬粉末平鋪到加工室的基板上，然后激光束將按當前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上的粉末，加工出當前層的輪廓，然后可升降系統(tǒng)下降一個圖層厚度的距離，滾動鋪粉輥再在已加工好的當前層上鋪金屬粉末，設備調(diào)入下一圖層進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在抽真空或通有氣體保護的加工室中進行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應。SLM與DMLS的界限目前很模糊，區(qū)別不明顯， DMLS技術雖翻譯為金屬的燒結(jié)，實際成型過程中多數(shù)時候已將金屬粉末完全熔化。DMLS技術使用材料都為不同金屬組成的混合物，各成分在燒結(jié)（熔化）過程中相互補償，有利于保證制作精度。而SLM技術使用材料主要為單一組分的粉末，激光束快速熔化金屬粉末并獲得連續(xù)的掃描線。  

選區(qū)激光熔化技術的優(yōu)勢

在原理上，選區(qū)激光熔化與選區(qū)激光燒結(jié)相似，但因為采用了較高的激光能量密度和更細小的光斑直徑，成型件的力學性能、尺寸精度等均較好，只需簡單后處理即可投入使用，并且成型所用原材料無需特別配制。選區(qū)激光熔化技術的優(yōu)點可歸納如下：

1．直接制造金屬功能件件，無需中間工序；

2．良好的光束質(zhì)量，可獲得細微聚焦光斑，從而可以直接制造出較高尺寸精度和較好表面粗糙度的功能件；

3．金屬粉末完全熔化，所直接制造的金屬功能件具有冶金結(jié)合組織，致密度較高，具 有較好的力學性能，無需后處理；

4．粉末材料可為單一材料也可為多組元材料，原材料無需特別配制；

5．可直接制造出復雜幾何形狀的功能件；

6．特別適合于單件或小批量的功能件制造。選區(qū)激光燒結(jié)成型件的致密度、力學性能較差；電子束熔融成型和激光熔覆制造難以獲得較高尺寸精度的零件；相比之下，選區(qū)激光熔化成型技術可以獲得冶金結(jié)合、致密組織、高尺寸精度和良好力學性能的成型件，是近年來快速成型的主要研究熱點和發(fā)展趨勢。

選區(qū)激光熔化技術的發(fā)展問題

激光選區(qū)成形件中，F(xiàn)e基合金（主要是鋼）SLM成形研究較多，但SLM成形工藝尚需優(yōu)化、成形性能尚需進一步提高；對SLM成形性能（特別是占基礎地位的致密度），目前SLM成形的鋼構(gòu)件通常難以實現(xiàn)全致密。解決鋼材料SLM成形的致密化問題，是快速成形研究的關鍵性瓶頸問題。鋼材料激光成形的難度，主要取決于鋼中主要元素的化學特性。基體元素Fe及合金元素Cr對氧都具有很強的親和性，在常規(guī)粉末處理和激光成形條件下很難徹底避免氧化現(xiàn)象。因此，在SLM過程中，鋼熔體表面氧化物等污染層的存在，將顯著降低潤濕性，引起激光熔化特有的冶金缺陷球化效應及凝固微裂紋，從而顯著降低激光成形致密度及相應的機械性能。另一方面，鋼中C含量是決定激光成形性能的又一個關鍵因素。通常，過高的C含量將對激光成形性產(chǎn)生不利，隨C含量升高，熔體表面C元素層的厚度亦會增加。這與氧化層的不利影響類似，也會降低潤濕性，導致熔體鋪展性降低，并引起球化效應。此外，在晶界上形成的復雜碳化物會增大鋼材料激光成形件的脆性。因此，通常對鋼材料SLM成形，需提高激光能量密度及SLM成形溫度，可促進碳化物的溶解，也可使合金元素均勻化。

通過粉體材料及SLM工藝優(yōu)化，包括：

1，嚴格控制原始粉體材料及激光成形系統(tǒng)中的氧含量以改善潤濕性；

2，合理調(diào)控輸入激光能量密度以獲取適宜的液相粘度及其流變特性，可有效抑制球化效應及微裂紋形成，進而獲取近全致密結(jié)構(gòu)。

對于以Al合金為代表的輕合金零件激光快速成形，先前絕大多數(shù)研究報道是基于SLS半固態(tài)燒結(jié)成形機制，但因嚴重的球化效應及孔隙缺陷，故研究進展不大；而SLM技術可望為高性能復雜結(jié)構(gòu)Al合金零件近凈成形與快速制造提供嶄新的技術途徑。Al基合金零件SLM成形具有高難度，是由材料自身特殊物理特性本質(zhì)所決定的。一方面，，通常低功率CO2激光難以使Al合金粉體發(fā)生有效熔化，而要求使用能量密度更高的光纖或Nd：YAG激光，這無疑對激光器性能提出了更苛刻的要求。另一方面，Al合金材料熱導率高，SLM成形過程中激光能量輸入極易沿基板或在粉床中傳遞消耗，導致激光熔池溫度降低，熔體粘度增加且流動性降低，故其難以有效潤濕基體材料，導致SLM成形球化效應及內(nèi)部孔隙、裂紋等缺陷。其三，從成形工藝角度，Al合金材料密度較低，粉體流動性差。

需指出的是，基于SLM／SLRM成形機制，雖能在一定程度上改善激光成形件的致密度和表面光潔度，但因成形過程中粉末發(fā)生完全熔化／凝固，故在固液轉(zhuǎn)變過程中將出現(xiàn)明顯的收縮變形，致使成形件中積聚較大的熱應力，并將在冷卻過程中得以釋放，使得成形件發(fā)生變形、甚至開裂。由于激光選區(qū)熔化成形技術成形粉末需求量大，需要在整個成形平面鋪設金屬粉末，因而不適宜成形貴重的金屬；整個成形平臺較大，惰性氣體保護效果較差，因而也不適宜成形易氧化的金屬粉末。

選區(qū)激光熔化技術的研究展望  

（1）實現(xiàn)激光快速成形專用金屬粉體材料系列化與專業(yè)化。重視粉體材料對改善激光快速成形性能的物質(zhì)基礎作用，深入定量研究適于選區(qū)激光熔化成形工藝的粉體化學成分、物性指標、制備技術及表征方法，實現(xiàn)激光快速成形專用金屬及合金粉體材料的專業(yè)化和系列化。

（2）深入定量研究金屬及合金粉體激光成形冶金本質(zhì)及其機理。緊扣金屬及合金粉體激光快速成形關鍵科學問題，包括激光束—金屬粉體交互作用機理、激光熔池非平衡傳熱傳質(zhì)機制、超高溫度梯度下金屬熔體快速凝固及內(nèi)部冶金缺陷和顯微組織調(diào)控、金屬粉體激光熔化成形全過程及各類型內(nèi)應力演變等冶金、物理、化學及熱力耦合問題，為改善金屬及合金粉體激光快速成形組織和性能提供科學理論基礎。

（3）高性能復雜結(jié)構(gòu)金屬及合金零件激光控形控性凈形制造。以激光快速成形專用高流動性金屬粉體設計制備為物質(zhì)基礎，以激光非平衡熔池冶金熱力學和動力學行為、激光成形顯微組織調(diào)控機制、激光成形件內(nèi)應力演化規(guī)律多尺度預測為理論基礎，通過粉體設計制備—零件結(jié)構(gòu)設計—SLM成形工藝—組織及性能評價的一體化研究，面向航空航天、生物醫(yī)藥、模具制造等領域應用需求，實現(xiàn)高性能復雜結(jié)構(gòu)金屬及合金關鍵零件激光控形控性直接精密凈成形制造。對于金屬零件選區(qū)激光熔化快速成形的材料、工藝及理論的研究，尚有很多方面未獲得本質(zhì)突破。對于該領域諸多新材料、新工藝、新現(xiàn)象及新理論的深入研究與發(fā)掘，是實現(xiàn)激光快速成形技術走向工程應用的基礎。