1、增材制造概述

增材制造俗稱三維打印，是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成形系統，利用激光束、電子束、電弧、熱熔噴嘴等方式對金屬粉末、金屬絲材、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積粘結，最終疊加成形，形成需要的形狀，制造出實體產品的技術[1-4]。這項技術1984年開始在實驗室研究，1986年制出樣機，距今只有40a的時間。

歷經40a日新月異的技術發展，增材制造已經從概念模型快速發展到覆蓋產品設計、研發、制造全部環節的先進制造技術。2012年，美國將增材制造技術列為11項有限發展的跨科學技術之一。歐洲的大學、企業和政府實體之間建立了眾多增材制造技術聯盟，澳大利亞、西班牙、南非、日本等國家相繼建立眾多實驗室,并出臺促進技術發展的政策。美國《時代周刊》將增材制造技術產業列為“美國十大增長最快的工業”，英國《經濟學人》認為增材制造將與其他數字化生產模式一起推動實現新的工業革命[5-6]。根據《Wohlers Report2025》顯示，2024年全球增材制造行業總收入達219億美元，較2023年增長9.1%，我國是全球增長最快的增材制造市場之一，2024年市場規模約為500億元人民幣。

2、增材制造模式特點及意義

增材制造融合計算機輔助設計、材料加工與成形技術，以數字化模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將特制材料逐層堆積固化，制造出實體產品。與傳統對原材料進行切削、組裝的加工模式不同，增材制造是通過材料累加原理，從無到有制造產品的新型技術工藝。增材制造的基本原理是分層制造，即降維制造，在三維空間中進行二維加工、三維堆疊，最終加工形成三維立體零件。由于具有降維和堆疊的特性，增材制造的加工柔性極高。正是由于這種技術特點，增材制造受到全球的廣泛關注，給傳統的制造業來帶一系列深刻變革[7]。

第一是生產模式的變革。增材制造作為一種不需要工具的數字化制造技術,將改變某些產品的生產模式,從傳統制造業的批量化、規模化、標準化制造,實現向定制化、個性化、分布式制造的轉變。

第二是設計理念的變革。增材制造技術不受傳統加工方式約束，可以實現復雜結構制造，還可以通過多種材料局部區域的組分調節,實現單一零件不同部位不同的力學性能，以滿足多元化的需求。由于不涉及熔煉、造型、澆鑄、鍛造、機加工等工序,產品的研發周期可縮短30%左右。

第三是商業模式的變革。數字技術的發展促使增材制造與互聯網結合，使消費者能直接參與產品生命周期,刺激新的產品設計模式、銷售商業模式和供應鏈管理模式產生。

第四是個性化產品制造需求的變革。由于增材制造具有自由設計和不需要工具的優點，會使商業化個性制造成為可能。

第五是綠色經濟發展模式的變革。增材制造相對于利用切削機床對毛坯進行加工的減材制造,節約了原材料的使用，減小了自然資源和環境的壓力。

3、金屬增材制造典型工藝

增材制造技術經歷40a發展，已經形成了多種工藝。國際標準化組織和美國材料與試驗協會將增材制造分為立體光固化、材料噴射、粘結劑噴射、粉末床熔融、材料擠出、定向能量沉積、薄材疊層七大種類基本工藝[8]。增材制造的材料可以分為聚合物、復合材料、金屬、陶瓷。在裝備制造領域，金屬零部件占據絕對多數,所以金屬增材制造更具有實際意義。

金屬增材制造技術作為新興的制造技術，對未來制造業發展具有很大潛力。在《中國制造2025》中,金屬增材制造被列為重點發展技術9。金屬增材制造根據制備工藝是否直接制成最終產品被劃分為直接成形和間接成形兩大類。直接成形金屬增材制造通常以激光、電子束、電弧為熱輸入源，使原材料熔化，再凝固形成復雜形狀的工件，主要分為粉末床熔合和定向能量沉積兩種技術。粉末床熔合技術的代表工藝有激光選區燒結、激光選區熔化、電子束選區熔化、直接金屬激光燒結。定向能量沉積技術的代表工藝有電子束熔絲沉積、激光近凈成形、電弧增材制造。間接成形金屬增材制造通常采用噴射粘結劑固化或凝膠擠出固化得到生坯,再經燒結得到最終產品,主要包括粘結劑噴射增材制造、金屬噴射增材制造等。

3.1激光選區燒結

激光選區燒結利用各類粉末狀材料成形，主要通過壓輥、激光器、工作臺三個結構組件相互搭配實現。通過壓輥將材料粉末鋪灑在已成形原型或零件的上表面,用平整輥壓平,由計算機控制激光束在鋪設的新層上掃描出成形件在該層的截面。材料粉末在高強度激光照射下燒結在一起，得到成形件的新截面層，并與下面已成形的部分連接。當一層截面燒結完成后，壓輥鋪上一層新的材料粉末，壓實后再有選擇地燒結下層截面。反復操作同一步驟，最終得到燒結原型或零件。激光選區燒結原理如圖1所示。激光選區燒結工藝的特點是材料適應面廣，不需要加支撐，因為沒有燒結的粉末起到支撐的作用[10]。為了改善激光選區燒結成形件的性能，可采用熱等靜壓等進行后處理。

3.2激光選區熔化

激光選區熔化是基于粉末原料的增材制造工藝。將零件三維模型沿一定方向離散為一系列有序的微米量級薄層,由振鏡掃描系統引導激光熱源,選擇性逐層掃描工作臺上的金屬粉末。受到激光輻照作用的粉末迅速熔化形成熔池，并隨激光掃描的軌跡快速冷卻凝固，逐層疊加，從而直接構建工件整體。激光選區熔化原理如圖2所示。激光選區熔化具有逐行、逐層掃描的特點，形成的產品在組織上一般具有各向異性。利用激光選區熔化技術可以制造出傳統方法無法加工的任意形狀復雜結構，如輕質點陣夾芯結構、空間曲面多孔結構、復雜型腔流道結構等。激光選區熔化技術是在激光選區燒結技術基礎上發展起來的，兩者的基本原理類似。激光選區熔化技術需要使金屬粉末完全熔化，直接成形金屬件，因此需要高功率密度激光器，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生反應。

3.3電子束選區熔化

電子束選區熔化類似激光選區熔化,是一種采用高能高速電子束選擇性轟擊金屬粉末,從而使粉末材料熔化成形的快速制造技術。電子束選區熔化工藝過程如下:先在鋪粉平面上鋪展一層粉末,電子束在計算機的控制和偏轉線圈驅動下，按預先規劃的路徑掃描，有選擇熔化預先鋪放的金屬粉末。完成一個層面的掃描之后，工作艙下降一層高度，鋪粉器重新鋪放一層粉末。如此反復進行，層層堆積，直到制造出需要的金屬零件。整個加工過程均處于0.01Pa以下的真空環境中,能有效避免空氣中有害雜質的影響[11]。電子束選區熔化原理如圖3所示。

3.4直接金屬激光燒結

直接金屬激光燒結一般使用高能量激光束,由三維模型數據控制局部熔化金屬基體,同時燒結固化粉末金屬材料，自動層層堆疊，以生成致密的幾何形狀實體零件。作為激光選區燒結技術的一個分支，直接金屬激光燒結原理基本相同。直接金屬激光燒結屬于金屬粉體成形，分為同軸送粉和輥筒送粉兩類。同軸送粉適合制造分層厚度在1mm以上的大型金屬件。輥筒送粉的產品精細度高，適合制造小型部件。直接金屬激光燒結實際成形過程中，多數時候金屬粉末已完全熔化。直接金屬激光燒結與激光選區熔化的界限目前很模糊，區別不明顯。直接金屬激光燒結使用材料都為熔點不同的多組元金屬粉末,各成分在燒結和熔化過程中相互補償，有利于保證制作精度。激光選區熔化則采用單組分金屬材料,通過高功率密度激光快速熔化金屬粉末，并通過連續熔道的方式來保證精度。目前,國際上主要利用直接金屬激光燒結技術制造高受力構件及傳統工藝無法加工的復雜構件、不規則構件,能達到同牌號金屬最高強度的90%~95%,具有精度高、成形限制極少的特點，被廣泛應用于高端精密零部件制造等領域。

3.5電子束熔絲沉積

電子束熔絲沉積技術又稱為電子束自由成形制造技術,在真空環境中采用高能量密度的電子束轟擊金屬表面形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置送入熔池并熔化,同時熔池按照預先規劃的路徑運動,金屬材料逐層凝固堆積，形成致密的冶金結合，直至制造出金屬零件或毛坯。電子束熔絲沉積原理如圖4所示。

3.6激光近凈成形

近凈成形技術是零件成形后，僅需少量加工或不再加工，就可作為機械構件的成形技術。激光近凈成形是在快速原型技術和激光熔覆技術的基礎上發展起來的一種先進制造技術，基于離散和堆積原理，通過對零件的三維計算機輔助設計模型進行分層處理,獲得各層截面的二維輪廓信息，并生成加工路徑。在惰性氣體保護環境中，以高能量密度的激光作為熱源，按照預定的加工路徑,將同步送進的粉末或絲材逐層熔化堆積,從而實現金屬零件的直接制造與修復[11]。激光近凈成形原理如圖5所示。因為激光近凈成形技術是由許多大學和機構分別獨立進行研究的，因此這一技術的名稱繁多，也稱激光直接沉積、直接金屬沉積、直接激光成形、激光快速成形等。美國材料與試驗協會標準中將此技術統一規范為金屬直接沉積制造技術的一部分。

3.7電弧增材制造

電弧增材制造技術是基于電弧的廣義增材制造技術[12-16]利用逐層熔覆原理,采用熔化極惰性氣體保護焊接、鎢極惰性氣體保護焊接、等離子焊接的電弧為熱源，以線材為原料，通過熔化金屬絲材，在程序的控制下,根據三維數字模型由線、面、體逐漸成形出金屬零件。電弧增材制造是一種先進數字化制造技術,具有高效生產、節約成本、安全可靠的特點  [17?18]。電弧增材制造原理如圖6所示。相比激光選區熔化技術和電子束選區熔化技術,電弧增材制造技術在大尺寸結構件方面有很大優勢，尤其是一體化成形復雜結構件，簡化傳統制造的準備過程，顯著縮短研發周期，降低研發成本,在航空航天、船舶制造、汽車制造、石油化工領域有很大的應用前景。但是電弧增材制造加工出的零件幾何形狀精度和表面質量不高,一般需要經過表面加工后才能使用[19-21]。

3.8粘結劑噴射增材制造

粘結劑噴射增材制造是最典型的間接成形金屬增材制造工藝,原理如圖7所示。采用與直接成形金屬增材制造相似的粉床鋪粉，將粘結劑噴頭在粉床上選擇性噴涂，固化指定區域，然后層層疊加。對生坯加熱進行燒結、脫脂，從而實現冶金結合，提高強度  [22]。

4、應用現狀

在油氣裝備領域,金屬增材制造技術已有許多成功應用案例。哈里伯頓公司利用金屬增材制造技術制造了封隔器的密封膠筒防突裝置。貝克休斯公司使用金屬增材制造技術制造了用于封隔器的多層花瓣式支承環，并已規模化應用于系列超高壓封隔器產品。貝克休斯公司還采用增材制造技術制造井下流體分析工具中的濾芯，這一濾芯將兩個部件整合為一個，過濾效率得到提高。斯倫貝謝公司利用電子束熔融技術制造用于聚晶金剛石鉆頭的甲片，抗沖蝕性能提高400%。

寶雞石油機械公司采用激光選區熔化技術制造井下工具中的流道零件，可加快產品研發進度[23]。利用電弧增材制造技術試制出CDZY7-100吊卡，順利通過2160kN產品靜載荷試驗。北京隆盛泰科石油管科技有限公司利用電弧增材制造技術,開發適用于-60℃和-45℃低溫環境的油氣管道工程用產品,產品質量符合相關標準要求24-26。西安石油大學開展鉆井泵液壓缸增材再制造工藝及力學性能、溫度場、殘余應力研究,已經取得階段性成果[27-28]。哈爾濱工程大學對JU2000E船型的樁腿蜂窩弦管進行激光熔絲增材制造嘗試,獲得蜂窩結構增材制造路徑規劃方案[29]。中油集團工程材料研究院開發電弧增材試驗研究平臺,成功制造出變直徑、變壁厚復雜連接鵝頸管等產品。這一平臺集成多種電弧熱源，采用機器人和數控機床兩種運動系統，結合視覺控制系統，動態調整工藝參數，利用激光掃描快速修復缺陷部位，軟件內置可二次開發工藝庫等，使產品成形精度、均勻度等大幅提高，并可進行碳鋼、合金鋼、鋁合金、不銹鋼、鎳基合金等多種材料的增材制造,打印產品質量最大達20t,成形尺寸最大為2mx2mx1.8m,生產效率最高達8kg/h。這一平臺為金屬增材制造科研項目的開展和增材產品的制造推廣打下了堅實基礎。利用這一平臺，連續作業超過300h,成功試制出全球首例675型鉆井大鉤鉤體,順利通過全部檢測。此產品高約1.5m,質量約為2.2t,材料屈服強度達到600MPa以上,所有截面部位無裂紋及未熔合等缺陷，為國內大型復雜石油裝備構件高質量快速制造增添了新工藝，標志著我國石油金屬材料增材制造技術研發已取得實質性進展。

5、存在的問題

雖然金屬增材制造技術在油氣裝備領域已經有應用,但總的來說應用還很少,主要集中在小型井下工具的產品研發，尚未達到廣泛應用的程度，還處于技術成長期。究其原因,金屬增材制造技術還是一門新興的科學技術，仍有很多技術瓶頸未能突破。高成本、傳統設計理念、標準成熟度、制件力學性能、成形精度、批量生產效率、專業人員缺乏等制約著金屬增材制造技術的進一步應用和發展。在油氣裝備領域,金屬增材制造技術推廣應用主要存在七方面問題。

(1)金屬增材制造價格太高。增材制造產品零件的價格由增材制造材料成本和增材加工費用構成。在油氣裝備制造行業中，鋼鐵材料的使用占有絕對比重。由于鋼鐵金屬增材制造材料價格相對較低，凸顯增材加工費用占比較大。目前，增材制造零件價格是傳統鑄鍛毛坯制造價格的幾倍到幾十倍。在油氣裝備制造行業,零件尺寸和質量比較大,整體增材制造零件成本高，并推高產品價格，不易被行業認可和接受。而在航空和航天產業，廣泛使用鈦合金等輕質高強金屬，鈦合金等材料自身價格較高，掩蓋了增材制造成本，所以增材制造在航空和航天產業認可接受度較高，使用相對較廣  [30?35]。

(2)傳統的零件設計理念仍占據主導地位。在航空和航天產業，為降低飛行成本和發射費用，對飛機和航天器自重有嚴格的控制要求，零件結構趨向復雜化，推動了增材制造技術的應用。相比之下，油氣裝備行業對產品減重并不刻意追求，傳統的零件設計理念仍占據主導地位，零件形狀和截面結構簡單，傳統鑄鍛毛坯生產和機械減材加工仍是主導生產模式，對零件增材制造需求的迫切性不足，導致實際應用還很少。

(3)金屬增材制造零件質量評價標準還不成熟。增材制造技術實現過程不同于傳統的制造技術,制備的零件性能也與傳統的鍛件、鑄件有明顯差異，不能完全用傳統的技術評價方法對增材制造技術進行評定。隨著增材制造技術在工業中推廣應用，迫切需要標準化來確保產品質量的一致性和可靠性。相比于焊接，增材制造零件質量及性能驗證、制造工藝確認、質量控制過程程序更加煩瑣，諸多標準在目前情況下仍然處于探索完善階段，還不能有效指導企業產品設計和生產實踐。

(4)金屬增材制造的零件在個別性能上還不能滿足要求。油氣裝備制造行業對零件力學性能和疲勞可靠性要求較高。現階段，在金屬性能方面，增材制造已達到或超過鑄件性能,但僅有個別性能達到鍛件要求。增材制造技術是一種短流程的制造技術,在制造過程中沒有經過熱鍛加工，組織存在各向異性缺陷，性能不高、不均勻難以避免，難以達到強韌性的鍛件性能，同時制件難免會存在疏松、氣孔、未熔合等缺陷。由于層間、沉積截面的裂紋擴展或殘余孔隙，增材制造成形的零件疲勞性能比傳統制造的零件差。增材制造通常會使零件的外表面留有分層或小的過渡面，這些臺階效應可能是應力集中點、裂紋起始點，會縮短疲勞壽命。盡管零件外表面的臺階紋可以通過機械加工或拋光去除,但內表面的臺階紋不容易去除。對于一些金屬材料,增材制造能實現比鍛造更好的機械性能,但通常抗疲勞和抗沖擊強度等不如傳統制造。正因為如此，全球金屬增材制造行業長期處于模型制造和展示預生產階段。

(5)金屬增材制造的零件表面質量有待提高。增材制造工藝采用逐層堆積成形，由于零件幾何形狀的離散化，層與層之間的分層明顯，零件外表面不光滑，存在微小臺階，表面粗糙度和精度有待通過工藝優化進一步提高。

(6)金屬增材制造生產效率低，不適合批量生產。增材制造工藝采用逐點堆積成形，效率不高，主要優勢是制造各種復雜和定制化的零件。在制造時間和成本沒有明顯改進前，增材制造可能不適合大批量生產簡單形狀的零件。通常，零件如果能夠使用傳統制造工藝經濟地制造,那么不宜使用增材制造工藝生產。相反,適合用增材制造生產的零件,通常具有復雜或定制化的幾何形狀、小批量、特殊的特征組合，不宜使用傳統制造工藝。

(7)從事增材制造技術研究的專業人才匱乏,還不能形成支撐增材制造技術研究和發展的專業人才隊伍。由于增材制造與傳統金屬成形工藝的差異，需要有專業的設計和工藝人員。設計者應轉變傳統設計思維,充分利用增材制造技術特點和優勢,在零件結構上突破傳統設計，使零件性價比更高。增材制造零件的性能與工藝參數緊密相關,驗證性能并建立強大可靠的生產工藝，對增材制造而言至關重要，這都需要專業的工藝人員。

6、應用展望

國家高度重視增材制造產業發展,通過一系列政策規劃不斷推動與規范增材制造產業的高質量發展。2023年，國家各有關部門持續發力，從戰略規劃、技術裝備創新升級、應用拓展、標準規范、環保與可持續發展、人才培養等多方面，通過一系列政策措施為增材制造產業發展提供更加有力的保障。積極發展以增材制造為代表的先進制造業技術,帶動傳統制造業實現轉型升級,推動我國由制造大國向制造強國轉變,對于鞏固我國全球制造業第一大國的地位有重大戰略意義。增材制造技術是先進的綠色工藝技術,將與其他數字化生產模式一起推動實現新的制造業革命。目前,增材制造技術在油氣裝備制造領域的應用尚處于起步階段，實質性應用還不多。隨著增材制造用材料形式及品種不斷增多,材料價格和增材制造成本逐步降低,裝備質量控制和監測技術日益成熟，工藝體系不斷完善，增材制造技術在油氣裝備制造行業的應用必將迎來突破性增長，有光明的應用前景。

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作者簡介:

劉宏亮(1967一),男,高級工程師,主要研究方向為石油鉆采機械工藝。

（注，原文標題：金屬增材制造在油氣裝備領域的應用現狀與展望）