激光立體成形技術(shù)（Laser Solid Forming，LSF）的基本原理是：首先在計算機中生成零件的三維CAD模型，然后將該模型按一定的厚度分層“切片”，即將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成一系列的二維輪廓信息，再采用激光熔覆的方法按照輪廓軌跡逐層堆積材料，最終形成三維實體零件或需進行少量加工的毛坯。
LSF技術(shù)其成形思路與快速原型（Rapid Prototype, RP）技術(shù)完全一致，即采用全新的增材制造原理實現(xiàn)零件的成形。因此，它具有一些與RP技術(shù)相同的特點，如柔性好（無需專用工具和夾具）、高度集成、加工速度快等。此外，該技術(shù)還具有RP技術(shù)所不具備的一些優(yōu)點：
》顯著提高材料的力學和耐腐蝕性能。利用激光束與材料相互作用時的快速熔化和凝固過程，可以獲得細小、均勻、致密的組織，消除成分偏析的不利影響，從而提高材料的力學和耐腐蝕性能。表1是幾種材料的LSF件力學性能數(shù)據(jù)，從中可以看出，LSF件的力學性能已達到鍛件標準。
》制造速度快、節(jié)省材料、降低成本。LSF技術(shù)直接使用金屬材料制作零件或近形件，后續(xù)的機械加工量很小，極大地節(jié)省了材料，同時省去了模具制造的周期和費用，從而大幅度縮短了零件的加工周期。盡管大功率激光加工本身的成本較高，但在航空航天領(lǐng)域高性能零件的制造中其綜合成本仍然能夠有較大幅度的降低。表2是LSF技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造和鍛造技術(shù)的綜合比較，從中可以看出，該技術(shù)應用于航空用盤形零件時，其在材料利用率、研制周期、總成本等方面均優(yōu)于鑄造和鍛造技術(shù)。
表1 LSF件拉伸性能結(jié)果
材 料 | Ti-6Al-4V | 316L不銹鋼 | Inconel 625 | |||
成形工藝 | 鍛造 | LSF | 鍛造 | LSF | 鍛造 | LSF |
σb / (MPa) | 900 ~ 950 | 930 ~ 1040 | 586 | 792 | 834 | 930 |
σ0.2 / (MPa) | 830 ~ 860 | 870 ~ 950 | 241 | 448 | 400 | 634 |
δ / (%) | 13 ~ 17 | 13 ~ 16 | 50 | 66 | 37 | 38 |
ψ / (%) | 37 ~ 45 | 40 ~ 45 | — | — | — | — |
表2 LSF技術(shù)與鍛造和鑄造技術(shù)的綜合比較
成形工藝 | LSF | 鍛造 | 鑄造 |
材料利用率 | 2/3 | < 1/10 | 1/5 |
設(shè)計修改時間 | 1 ~ 2天 | 6個月 | 3個月 |
》 可在零件不同部位形成不同的成分和組織，合理控制零件的性能。從成形原理上講，LSF技術(shù)是逐點堆積材料，因而可以很方便地在零件的不同部位獲得不同的成分，特別是采用自動送粉熔覆的方式進行成形時，通過精確控制送粉器粉末輸送流量，原則上可以在零件的任意部位獲得所需要的成分，從而實現(xiàn)零件材質(zhì)和性能的最佳搭配。這一點是傳統(tǒng)的鑄造和鍛造等成形技術(shù)無法實現(xiàn)的。
》 可以很方便地加工一些高熔點、難加工的材料。由于激光束的能量密度很高，同時激光束與材料之間屬于非接觸加工，采用LSF技術(shù)成形制備那些熔點高、加工性能差的材料，如鎢、鈦、鈮、鉬和高溫合金等，其難度與普通材料相同，因此該技術(shù)相比傳統(tǒng)制備成形技術(shù)在這方面具有非常突出的優(yōu)越性。
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