1、增材制造概述
增材制造俗称三维打印，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成形系统，利用激光束、电子束、电弧、热熔喷嘴等方式对金属粉末、金属丝材、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成形，形成需要的形状，制造出实体产品的技术[1-4]。这项技术1984年开始在实验室研究，1986年制出样机，距今只有40a的时间。
历经40a日新月异的技术发展，增材制造已经从概念模型快速发展到覆盖产品设计、研发、制造全部环节的先进制造技术。2012年，美国将增材制造技术列为11项有限发展的跨科学技术之一。欧洲的大学、企业和政府实体之间建立了众多增材制造技术联盟，澳大利亚、西班牙、南非、日本等国家相继建立众多实验室,并出台促进技术发展的政策。美国《时代周刊》将增材制造技术产业列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》认为增材制造将与其他数字化生产模式一起推动实现新的工业革命[5-6]。根据《Wohlers Report2025》显示，2024年全球增材制造行业总收入达219亿美元，较2023年增长9.1%，我国是全球增长最快的增材制造市场之一，2024年市场规模约为500亿元人民币。
2、增材制造模式特点及意义
增材制造融合计算机辅助设计、材料加工与成形技术，以数字化模型文件为基础，通过软件与数控系统将特制材料逐层堆积固化，制造出实体产品。与传统对原材料进行切削、组装的加工模式不同，增材制造是通过材料累加原理，从无到有制造产品的新型技术工艺。增材制造的基本原理是分层制造，即降维制造，在三维空间中进行二维加工、三维堆叠，最终加工形成三维立体零件。由于具有降维和堆叠的特性，增材制造的加工柔性极高。正是由于这种技术特点，增材制造受到全球的广泛关注，给传统的制造业来带一系列深刻变革[7]。
第一是生产模式的变革。增材制造作为一种不需要工具的数字化制造技术,将改变某些产品的生产模式,从传统制造业的批量化、规模化、标准化制造,实现向定制化、个性化、分布式制造的转变。
第二是设计理念的变革。增材制造技术不受传统加工方式约束，可以实现复杂结构制造，还可以通过多种材料局部区域的组分调节,实现单一零件不同部位不同的力学性能，以满足多元化的需求。由于不涉及熔炼、造型、浇铸、锻造、机加工等工序,产品的研发周期可缩短30%左右。
第三是商业模式的变革。数字技术的发展促使增材制造与互联网结合，使消费者能直接参与产品生命周期,刺激新的产品设计模式、销售商业模式和供应链管理模式产生。
第四是个性化产品制造需求的变革。由于增材制造具有自由设计和不需要工具的优点，会使商业化个性制造成为可能。
第五是绿色经济发展模式的变革。增材制造相对于利用切削机床对毛坯进行加工的减材制造,节约了原材料的使用，减小了自然资源和环境的压力。
3、金属增材制造典型工艺
增材制造技术经历40a发展，已经形成了多种工艺。国际标准化组织和美国材料与试验协会将增材制造分为立体光固化、材料喷射、粘结剂喷射、粉末床熔融、材料挤出、定向能量沉积、薄材叠层七大种类基本工艺[8]。增材制造的材料可以分为聚合物、复合材料、金属、陶瓷。在装备制造领域，金属零部件占据绝对多数,所以金属增材制造更具有实际意义。
金属增材制造技术作为新兴的制造技术，对未来制造业发展具有很大潜力。在《中国制造2025》中,金属增材制造被列为重点发展技术9。金属增材制造根据制备工艺是否直接制成最终产品被划分为直接成形和间接成形两大类。直接成形金属增材制造通常以激光、电子束、电弧为热输入源，使原材料熔化，再凝固形成复杂形状的工件，主要分为粉末床熔合和定向能量沉积两种技术。粉末床熔合技术的代表工艺有激光选区烧结、激光选区熔化、电子束选区熔化、直接金属激光烧结。定向能量沉积技术的代表工艺有电子束熔丝沉积、激光近净成形、电弧增材制造。间接成形金属增材制造通常采用喷射粘结剂固化或凝胶挤出固化得到生坯,再经烧结得到最终产品,主要包括粘结剂喷射增材制造、金属喷射增材制造等。
3.1激光选区烧结
激光选区烧结利用各类粉末状材料成形，主要通过压辊、激光器、工作台三个结构组件相互搭配实现。通过压辊将材料粉末铺洒在已成形原型或零件的上表面,用平整辊压平,由计算机控制激光束在铺设的新层上扫描出成形件在该层的截面。材料粉末在高强度激光照射下烧结在一起，得到成形件的新截面层，并与下面已成形的部分连接。当一层截面烧结完成后，压辊铺上一层新的材料粉末，压实后再有选择地烧结下层截面。反复操作同一步骤，最终得到烧结原型或零件。激光选区烧结原理如图1所示。激光选区烧结工艺的特点是材料适应面广，不需要加支撑，因为没有烧结的粉末起到支撑的作用[10]。为了改善激光选区烧结成形件的性能，可采用热等静压等进行后处理。
3.2激光选区熔化
激光选区熔化是基于粉末原料的增材制造工艺。将零件三维模型沿一定方向离散为一系列有序的微米量级薄层,由振镜扫描系统引导激光热源,选择性逐层扫描工作台上的金属粉末。受到激光辐照作用的粉末迅速熔化形成熔池，并随激光扫描的轨迹快速冷却凝固，逐层叠加，从而直接构建工件整体。激光选区熔化原理如图2所示。激光选区熔化具有逐行、逐层扫描的特点，形成的产品在组织上一般具有各向异性。利用激光选区熔化技术可以制造出传统方法无法加工的任意形状复杂结构，如轻质点阵夹芯结构、空间曲面多孔结构、复杂型腔流道结构等。激光选区熔化技术是在激光选区烧结技术基础上发展起来的，两者的基本原理类似。激光选区熔化技术需要使金属粉末完全熔化，直接成形金属件，因此需要高功率密度激光器，整个加工过程在抽真空或通有气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。
3.3电子束选区熔化
电子束选区熔化类似激光选区熔化,是一种采用高能高速电子束选择性轰击金属粉末,从而使粉末材料熔化成形的快速制造技术。电子束选区熔化工艺过程如下:先在铺粉平面上铺展一层粉末,电子束在计算机的控制和偏转线圈驱动下，按预先规划的路径扫描，有选择熔化预先铺放的金属粉末。完成一个层面的扫描之后，工作舱下降一层高度，铺粉器重新铺放一层粉末。如此反复进行，层层堆积，直到制造出需要的金属零件。整个加工过程均处于0.01Pa以下的真空环境中,能有效避免空气中有害杂质的影响[11]。电子束选区熔化原理如图3所示。
3.4直接金属激光烧结
直接金属激光烧结一般使用高能量激光束,由三维模型数据控制局部熔化金属基体,同时烧结固化粉末金属材料，自动层层堆叠，以生成致密的几何形状实体零件。作为激光选区烧结技术的一个分支，直接金属激光烧结原理基本相同。直接金属激光烧结属于金属粉体成形，分为同轴送粉和辊筒送粉两类。同轴送粉适合制造分层厚度在1mm以上的大型金属件。辊筒送粉的产品精细度高，适合制造小型部件。直接金属激光烧结实际成形过程中，多数时候金属粉末已完全熔化。直接金属激光烧结与激光选区熔化的界限目前很模糊，区别不明显。直接金属激光烧结使用材料都为熔点不同的多组元金属粉末,各成分在烧结和熔化过程中相互补偿，有利于保证制作精度。激光选区熔化则采用单组分金属材料,通过高功率密度激光快速熔化金属粉末，并通过连续熔道的方式来保证精度。目前,国际上主要利用直接金属激光烧结技术制造高受力构件及传统工艺无法加工的复杂构件、不规则构件,能达到同牌号金属最高强度的90%~95%,具有精度高、成形限制极少的特点，被广泛应用于高端精密零部件制造等领域。
3.5电子束熔丝沉积
电子束熔丝沉积技术又称为电子束自由成形制造技术,在真空环境中采用高能量密度的电子束轰击金属表面形成熔池，金属丝材通过送丝装置送入熔池并熔化,同时熔池按照预先规划的路径运动,金属材料逐层凝固堆积，形成致密的冶金结合，直至制造出金属零件或毛坯。电子束熔丝沉积原理如图4所示。
3.6激光近净成形
近净成形技术是零件成形后，仅需少量加工或不再加工，就可作为机械构件的成形技术。激光近净成形是在快速原型技术和激光熔覆技术的基础上发展起来的一种先进制造技术，基于离散和堆积原理，通过对零件的三维计算机辅助设计模型进行分层处理,获得各层截面的二维轮廓信息，并生成加工路径。在惰性气体保护环境中，以高能量密度的激光作为热源，按照预定的加工路径,将同步送进的粉末或丝材逐层熔化堆积,从而实现金属零件的直接制造与修复[11]。激光近净成形原理如图5所示。因为激光近净成形技术是由许多大学和机构分别独立进行研究的，因此这一技术的名称繁多，也称激光直接沉积、直接金属沉积、直接激光成形、激光快速成形等。美国材料与试验协会标准中将此技术统一规范为金属直接沉积制造技术的一部分。
3.7电弧增材制造
电弧增材制造技术是基于电弧的广义增材制造技术[12-16]利用逐层熔覆原理,采用熔化极惰性气体保护焊接、钨极惰性气体保护焊接、等离子焊接的电弧为热源，以线材为原料，通过熔化金属丝材，在程序的控制下,根据三维数字模型由线、面、体逐渐成形出金属零件。电弧增材制造是一种先进数字化制造技术,具有高效生产、节约成本、安全可靠的特点 [17−18]。电弧增材制造原理如图6所示。相比激光选区熔化技术和电子束选区熔化技术,电弧增材制造技术在大尺寸结构件方面有很大优势，尤其是一体化成形复杂结构件，简化传统制造的准备过程，显著缩短研发周期，降低研发成本,在航空航天、船舶制造、汽车制造、石油化工领域有很大的应用前景。但是电弧增材制造加工出的零件几何形状精度和表面质量不高,一般需要经过表面加工后才能使用[19-21]。
3.8粘结剂喷射增材制造
粘结剂喷射增材制造是最典型的间接成形金属增材制造工艺,原理如图7所示。采用与直接成形金属增材制造相似的粉床铺粉，将粘结剂喷头在粉床上选择性喷涂，固化指定区域，然后层层叠加。对生坯加热进行烧结、脱脂，从而实现冶金结合，提高强度 [22]。
4、应用现状
在油气装备领域,金属增材制造技术已有许多成功应用案例。哈里伯顿公司利用金属增材制造技术制造了封隔器的密封胶筒防突装置。贝克休斯公司使用金属增材制造技术制造了用于封隔器的多层花瓣式支承环，并已规模化应用于系列超高压封隔器产品。贝克休斯公司还采用增材制造技术制造井下流体分析工具中的滤芯，这一滤芯将两个部件整合为一个，过滤效率得到提高。斯伦贝谢公司利用电子束熔融技术制造用于聚晶金刚石钻头的甲片，抗冲蚀性能提高400%。
宝鸡石油机械公司采用激光选区熔化技术制造井下工具中的流道零件，可加快产品研发进度[23]。利用电弧增材制造技术试制出CDZY7-100吊卡，顺利通过2160kN产品静载荷试验。北京隆盛泰科石油管科技有限公司利用电弧增材制造技术,开发适用于-60℃和-45℃低温环境的油气管道工程用产品,产品质量符合相关标准要求24-26。西安石油大学开展钻井泵液压缸增材再制造工艺及力学性能、温度场、残余应力研究,已经取得阶段性成果[27-28]。哈尔滨工程大学对JU2000E船型的桩腿蜂窝弦管进行激光熔丝增材制造尝试,获得蜂窝结构增材制造路径规划方案[29]。中油集团工程材料研究院开发电弧增材试验研究平台,成功制造出变直径、变壁厚复杂连接鹅颈管等产品。这一平台集成多种电弧热源，采用机器人和数控机床两种运动系统，结合视觉控制系统，动态调整工艺参数，利用激光扫描快速修复缺陷部位，软件内置可二次开发工艺库等，使产品成形精度、均匀度等大幅提高，并可进行碳钢、合金钢、铝合金、不锈钢、镍基合金等多种材料的增材制造,打印产品质量最大达20t,成形尺寸最大为2mx2mx1.8m,生产效率最高达8kg/h。这一平台为金属增材制造科研项目的开展和增材产品的制造推广打下了坚实基础。利用这一平台，连续作业超过300h,成功试制出全球首例675型钻井大钩钩体,顺利通过全部检测。此产品高约1.5m,质量约为2.2t,材料屈服强度达到600MPa以上,所有截面部位无裂纹及未熔合等缺陷，为国内大型复杂石油装备构件高质量快速制造增添了新工艺，标志着我国石油金属材料增材制造技术研发已取得实质性进展。
5、存在的问题
虽然金属增材制造技术在油气装备领域已经有应用,但总的来说应用还很少,主要集中在小型井下工具的产品研发，尚未达到广泛应用的程度，还处于技术成长期。究其原因,金属增材制造技术还是一门新兴的科学技术，仍有很多技术瓶颈未能突破。高成本、传统设计理念、标准成熟度、制件力学性能、成形精度、批量生产效率、专业人员缺乏等制约着金属增材制造技术的进一步应用和发展。在油气装备领域,金属增材制造技术推广应用主要存在七方面问题。
(1)金属增材制造价格太高。增材制造产品零件的价格由增材制造材料成本和增材加工费用构成。在油气装备制造行业中，钢铁材料的使用占有绝对比重。由于钢铁金属增材制造材料价格相对较低，凸显增材加工费用占比较大。目前，增材制造零件价格是传统铸锻毛坯制造价格的几倍到几十倍。在油气装备制造行业,零件尺寸和质量比较大,整体增材制造零件成本高，并推高产品价格，不易被行业认可和接受。而在航空和航天产业，广泛使用钛合金等轻质高强金属，钛合金等材料自身价格较高，掩盖了增材制造成本，所以增材制造在航空和航天产业认可接受度较高，使用相对较广 [30−35]。
(2)传统的零件设计理念仍占据主导地位。在航空和航天产业，为降低飞行成本和发射费用，对飞机和航天器自重有严格的控制要求，零件结构趋向复杂化，推动了增材制造技术的应用。相比之下，油气装备行业对产品减重并不刻意追求，传统的零件设计理念仍占据主导地位，零件形状和截面结构简单，传统铸锻毛坯生产和机械减材加工仍是主导生产模式，对零件增材制造需求的迫切性不足，导致实际应用还很少。
(3)金属增材制造零件质量评价标准还不成熟。增材制造技术实现过程不同于传统的制造技术,制备的零件性能也与传统的锻件、铸件有明显差异，不能完全用传统的技术评价方法对增材制造技术进行评定。随着增材制造技术在工业中推广应用，迫切需要标准化来确保产品质量的一致性和可靠性。相比于焊接，增材制造零件质量及性能验证、制造工艺确认、质量控制过程程序更加烦琐，诸多标准在目前情况下仍然处于探索完善阶段，还不能有效指导企业产品设计和生产实践。
(4)金属增材制造的零件在个别性能上还不能满足要求。油气装备制造行业对零件力学性能和疲劳可靠性要求较高。现阶段，在金属性能方面，增材制造已达到或超过铸件性能,但仅有个别性能达到锻件要求。增材制造技术是一种短流程的制造技术,在制造过程中没有经过热锻加工，组织存在各向异性缺陷，性能不高、不均匀难以避免，难以达到强韧性的锻件性能，同时制件难免会存在疏松、气孔、未熔合等缺陷。由于层间、沉积截面的裂纹扩展或残余孔隙，增材制造成形的零件疲劳性能比传统制造的零件差。增材制造通常会使零件的外表面留有分层或小的过渡面，这些台阶效应可能是应力集中点、裂纹起始点，会缩短疲劳寿命。尽管零件外表面的台阶纹可以通过机械加工或抛光去除,但内表面的台阶纹不容易去除。对于一些金属材料,增材制造能实现比锻造更好的机械性能,但通常抗疲劳和抗冲击强度等不如传统制造。正因为如此，全球金属增材制造行业长期处于模型制造和展示预生产阶段。
(5)金属增材制造的零件表面质量有待提高。增材制造工艺采用逐层堆积成形，由于零件几何形状的离散化，层与层之间的分层明显，零件外表面不光滑，存在微小台阶，表面粗糙度和精度有待通过工艺优化进一步提高。
(6)金属增材制造生产效率低，不适合批量生产。增材制造工艺采用逐点堆积成形，效率不高，主要优势是制造各种复杂和定制化的零件。在制造时间和成本没有明显改进前，增材制造可能不适合大批量生产简单形状的零件。通常，零件如果能够使用传统制造工艺经济地制造,那么不宜使用增材制造工艺生产。相反,适合用增材制造生产的零件,通常具有复杂或定制化的几何形状、小批量、特殊的特征组合，不宜使用传统制造工艺。
(7)从事增材制造技术研究的专业人才匮乏,还不能形成支撑增材制造技术研究和发展的专业人才队伍。由于增材制造与传统金属成形工艺的差异，需要有专业的设计和工艺人员。设计者应转变传统设计思维,充分利用增材制造技术特点和优势,在零件结构上突破传统设计，使零件性价比更高。增材制造零件的性能与工艺参数紧密相关,验证性能并建立强大可靠的生产工艺，对增材制造而言至关重要，这都需要专业的工艺人员。
6、应用展望
国家高度重视增材制造产业发展,通过一系列政策规划不断推动与规范增材制造产业的高质量发展。2023年，国家各有关部门持续发力，从战略规划、技术装备创新升级、应用拓展、标准规范、环保与可持续发展、人才培养等多方面，通过一系列政策措施为增材制造产业发展提供更加有力的保障。积极发展以增材制造为代表的先进制造业技术,带动传统制造业实现转型升级,推动我国由制造大国向制造强国转变,对于巩固我国全球制造业第一大国的地位有重大战略意义。增材制造技术是先进的绿色工艺技术,将与其他数字化生产模式一起推动实现新的制造业革命。目前,增材制造技术在油气装备制造领域的应用尚处于起步阶段，实质性应用还不多。随着增材制造用材料形式及品种不断增多,材料价格和增材制造成本逐步降低,装备质量控制和监测技术日益成熟，工艺体系不断完善，增材制造技术在油气装备制造行业的应用必将迎来突破性增长，有光明的应用前景。
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作者简介:
刘宏亮(1967一),男,高级工程师,主要研究方向为石油钻采机械工艺。
（注，原文标题：金属增材制造在油气装备领域的应用现状与展望）
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