金属增材制造过程的在线监测研究综述

来源期刊：材料导报2019年第17期

论文作者：产玉飞 陈长军 张敏

文章页码：2839 - 5713

关键词：金属增材制造;在线监测;熔池温度;熔池尺寸;元素成分;显微组织;

摘    要：金属增材制造(AM)技术融合制造技术、光学技术、数控技术、传感技术等多门科学技术,是一门多学科交叉的新型制造技术。与传统减材制造方法相比,此技术具有易加工结构复杂零件、加工材料广、制造周期短、环境污染小等优点。经过数十年的发展,该技术已被广泛应用于航空航天、快速原型制造、生物医疗、装饰品制造等诸多领域,并对原有的生产方式产生了重要的影响。但是由于缺乏对金属增材制造过程进行在线监测,阻碍了该技术在一些对零件质量要求很高的领域的进一步发展,如医疗和航空航天等高精尖领域,针对这个问题,金属增材制造过程在线监测研究应运而生。在金属增材制造过程中,零件的质量和尺寸精度受工艺参数(如激光功率、送粉率、扫描速度等)、外部因素(基板温度、冷却方式)及熔池的温度和尺寸等多种因素影响,因此这些影响因素成为在线监测研究的主要对象。且随着金属增材制造技术制造的功能梯度性零件在航空航天领域的应用,对零件的元素成分和显微组织实现在线监测是十分重要的。近10年来熔池的温度和尺寸监测一直是AM在线监测研究的焦点,并取得了丰硕的成果。近六年来,元素成分和显微组织的在线监测也得到初步发展。在线监测研究在充分发挥金属增材制造技术优势的同时,不仅提高了零件的质量和尺寸精度,还对促进功能梯度性零件的开发和制造具有重要意义,扩大了该技术的应用范围。关于熔池温度和尺寸的在线监测研究,目前已经能实现闭环控制,即根据测量得到的数据反馈进行相应的动作,从而改善零件的质量和尺寸精度。而元素成分和显微组织在线监测系统由于研究时间较短,只有显微组织能实现闭环控制,元素成分目前只能实现实时监测,尚未实现闭环控制。本文归纳了熔池温度、熔池尺寸、元素成分和显微组织这四种在线监测研究中所使用的监测工具及其工作原理,并分别对这四种在线监测系统进行了原理介绍和结果分析,分析了金属增材制造过程在线监测面临的问题并展望了其前景,以期为相关研究方向的初学者提供参考。