解析高性能金属零件激光增材制造技术研究进展(5)
3 CuW功能梯度复合材料的LCD工艺研究
用传统熔渗法或混粉烧结法生产的铜钨电触头，在使用过程中存在的一个主要问题是疲劳裂纹及掉渣现象（见图9），即抗电弧侵蚀能力较差。从铜和钨两种材料的物理性质而言，虽然铜的熔点仅为1083℃，沸点为2595℃，但铜对激光具有高反射高导热的特点；而钨的熔点则高达3422℃，沸点为5655℃。铜钨两者的热物理特性相差太大，钨的密度和沸点是铜的两倍多，钨的熔点是铜的3倍多，在钨还未熔化时，铜已经汽化了，需要足够高的功率密度才能进行铜和钨的LCD试验。因此，采用感应辅助LCD技术，可成形CuW功能梯度材料零件（见图10），成形零件具有良好的综合力学性能。
本试验重点研究CuW复合材料感应辅助LCD的成形工艺，解决Cu的高导热、对激光的高反射率问题，研究CuW材料LCD的润湿机制、缺陷形成机制，使成形的CuW复合材料满足使用的力学性能和电学性能要求。 试验结果显示，在感应加热温度为400℃的条件下，试样的成形质量最好。随后在400℃预热铜基板上 成形W的 质量分数分 别为50%、 60%、70%和 80%的CuW 复合材料（见图11），以及在CuW复合材料成 形工艺参数的基础上，成形了CuW 功能梯度材料，并分析 了CuW梯度复合材料的显微组织和W颗粒分布的均匀性。扫描电镜照片显示在W的含量为70%和80%时，W颗粒分布比较均匀，但所有成形试样中都存在极少量微气孔，进一步试验表明，激光表面重熔工艺可以有效减少成形试样中的气孔。
4 送粉气纯度对激光熔覆
Fe314修复40Cr组织与性能的影响与惰性气体相比，氮气可以通过氮气发生器从空气中制取，更适用于野外、工矿、能源动力等多变复杂环境下失效零件的快速应急修复，使设备快速恢复正常使用，可以节约资源、降低经济损失，具有重要的工程应用价值。选用99.999%N2、99.5%N2、98%N2 3种不同纯度的氮气送粉，在无保护的大气环境中进行激光熔覆Fe314修复40Cr试验，探讨送粉气的纯度对修复零件组织与性能的影响，为熔覆修复系统选择合适纯度氮气发生器确定科学依据。
试验结果表明：在一定范围内，随着氮气纯度的降低，熔覆层组织残留的夹渣物略有增加，但对修复后的力学性能影响很小，采用纯度98%~99.5%的氮气发生器完全满足修复性能要求。3种不同纯度氮气送粉气条件下Fe314修复40Cr试样 的抗拉强度均不低于1001MPa，延伸率不低于10%，硬度约HV0.2430，均超过基体的力学性能。图12为采用Fe314激光熔覆修复40Cr中碳钢齿轮零件的案例，熔覆层与基体为冶金结合，结合面处力学性能大于40Cr本体，可以实现野外及工况环境下齿类件零件的快速应急修复。
高性能金属零件LAM技术作为 一种兼顾精确成形和高性能成性需求的一体化制造技术，已经在航空航天、生物医学、汽车高铁、产品开发等领域显示了广阔和不可替代的应用前景。但是，相比于传统铸锻焊等热加工技术和机械加工等冷加工技术，LAM技术的发展历史毕竟才30年，还存在制造成本高、效率低、精度较差、工艺装备研发尚不完善等问题，尚未进入大规模工业应用，其技术成熟度相比传统技术还有很大差距。特别是LAM专用合金开发的滞后、LAM构件无损检测方法的不完善以及相关LAM技术系统化、标准化的不足，在很大程度上制约了LAM技术在工业领域的应用。
除此之外，LAM合金的力学性能和成形几何精度控制也远未达到理想状态，这一方面来自于对这些合金在LAM和后续热处理过程中的控形和控性机理的研究和认识不够系统深入，另一方面来自于对LAM过程的控制不够精细。这也意味着，对于LAM技术，仍有大量的基础和应用研究工作有待进一步完善。增材制造以其制造原理的突出优势成为具有巨大发展潜力的先进制造技术，随着增材制造设备质量的大幅度提高，应用材料种类的扩展和制造效率与精度的提高，LAM技术必将给制造技术带来革命性的发展。
作者：张安峰 （教授，博士生导师，主要从事激光增材制造（3D打印）技术及其装备，高性能金属零件增材制造技术及其再制造修复工程等方面的研究。 *基金项目：国家重点专项“高性能金属结构件激光增材制造控形控性研究”高性能金属零件激光增材制造 技术研究进展国家自然科学基金项目；陕西省科技统筹创新工程计划项目）
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