金屬高性能增材制造技術在航空領域中的研究

張 艷

（西安航空職業技術學院，陜西西安710089）

增材制造技術主要是以三維模型數據為載體，融合材料，制成物體，其一般都是逐漸累積[1]，是以添加材料的方式從三維數學模型中獲取三維物理模型的制造技術總稱，集中了機械工程、分層制造技術、電子束技術、激光技術、數控技術等等，能夠自動化快速把設計思想轉換成為具備既定功能的原版，或者直接制造構件，以此實現高效低成本制定零件運行，并校正新型設計思想。因此，將其應用于航空領域具有十分重要的現實意義[2]。

1 金屬高性能增材制造技術特征

金屬高性能增材制造技術是制造技術原理的重大突破，形成了最具信息化時代特性的制造技術，也就是基于信息技術，通過柔性化產品制造方式，進一步滿足豐富的、個性化需求。金屬高性能增材制造技術主要包括基于激光立體成型技術（LSF）的同步送粉高能束熔覆技術與基于激光溶化技術（SLM）的粉末床成型技術。LSF 技術具有同步材料輸送特征，因此能夠高效制造力學性能與鍛件一樣復雜的高性能構件，而且成型尺寸不會受到局限，同時還能夠實現相同結構件多種材料的隨意復合與梯度結構制造，以便于實現新型合金設計，并成型修復有所損傷的構件。LSF 技術還能夠與傳統加工技術、等材或者減材加工技術實現有機結合，充分將其他技術優勢作用發揮出來，構成金屬結構件的高性能、高效率、低成本成型與修復技術。

金屬高性能增材制造不僅可以以激光為載能束，還可以利用電子束與電弧等載能束，實現增材制造，即電子束自由成型制造技術電子束熔化成型技術、電弧增材制造技術。其中電子束熔化成型技術采用的是粉末床熔化成型方式，其他兩大技術都是以絲材送進為基礎的增材成型技術，這就說明利用此技術能夠明顯提高沉積率，但是成型的精確度與復雜程度會大大降低。而因為產生電弧的焊接方式比較多，所以電弧增材制造技術所涉獵方式十分多元化，而且制造成本也比較低[3]。

1.1 LSF典型合金室溫力學性能

LSF 典型合金室溫力學性能具體如表1 所示。Ti-6Al-4V 與Inconel718 是現階段應用最普遍的合金，而且比較成熟，在拉伸強度、屈服強度、延伸率等方面都可以滿足鍛件制造要求。LSF 結構件的高周疲勞性與退火鈦鍛件性能基本持平，而中低周疲勞性能相對較低，這主要是由于結構件的獨特組織結構，即晶粒過大，但是內部組織過小。

表1 LSF典型合金室溫力學性能

1.2 SLM典型合金室溫力學性能

SLM 典型合金室溫力學性能具體如表2 所示。其中，Ti-6Al-4V 與Inconel718 的拉伸強度、屈服強度、延伸率都可以滿足鍛件制造要求。但是因為SLM 成型結構件無法將孔洞全面消除，導致成型結構件的延伸率相對較低，從而也就使得其疲勞性能明顯較低。

表2 SLM典型合金室溫力學性能

1.3 SLM AlSi10Mg合金室溫力學性能

SLM AlSi10Mg 合金室溫力學性能具體如表3 所示。SLM 成型AlSi10Mg 合金的力學性能明顯較高，這主要是因為SLM 成型時，AlSi10Mg 的沉積組織比較細化，而且在成型中，激光多層反復沉積的再熱處理，促使合金在成型時還經歷了時效處理。

表3 SLM AlSi10Mg合金室溫力學性能

1.4 增材制造Ti-6Al-4V合金室溫力學性能

增材制造Ti-6Al-4V合金室溫力學性能具體如表4所示。利用此方式成型的結構件室溫靜載力學性能與鍛件制造基本持衡，但是與LSF與SLM相比較，其性能有明顯下降。

表4 增材制造Ti-6Al-4V合金室溫力學性能

總之，現階段金屬高性能增材制造所利用的合金和熱處理制度都是傳統的，而金屬高性能增材制造的工藝特性直接決定了組織與合金化特性勢必會與傳統鍛件之間存在明顯差異，從而導致合金設計與熱處理制度難以將金屬高性能增材制造構件的力學性能充分發揮出來，所以，發展金屬高性能增材制造的專用合金已經成為必然趨勢[4-5]。

2 金屬高性能增材制造技術在航空領域中的應用

2.1 大型整體結構件與承力結構件加工

為了保證結構件的整體效率，縮減結構件的重量，進一步精簡制造工藝，國內外航空領域都開始積極引進大型整體鈦合金結構件，但是其設計直接加大了制造難度。現階段，我國某飛行器的主承力構架依舊依賴于水壓機壓制成型，再進行切削和打磨，這樣不僅制作周期較長，而且還會浪費各種材料，幾乎很大一部分鈦合金在加工時會演變成邊角料，而其在組裝構件的時候，還會消耗其他連接材料，從而導致成型結構件明顯比增材制造的結構件重量超出大約1/3，所以，采用高性能增材制造技術勢在必行，其既能夠有效縮短加工周期，又能夠大大降低加工成本，從而為航空領域帶來良好的綜合效益。

2.2 優化結構設計并顯著縮減結構重量

對結構設計進行優化與改進，大大縮減結構的重量，節約相關原材料，有效減少加工成本。將結構件重量縮減，是航空飛行器最關鍵的技術性要求。而金屬高性能增材制造技術能夠在獲取傳統制造技術極限性能或者更高層次性能的基礎上，通過優化結構設計，降低金屬結構件重量，且能夠相應節省一定成本[6]。

2.3 形狀復雜且具備薄壁特性的功能結構件加工

進行形狀復雜并且具備薄壁特性的功能結構件加工，打破傳統加工技術的設計局限，將制造改變設計轉化成可能性，金屬高性能增材制造技術勢必會針對CAD模型提出新型設計要求，從而引發設計變革。新型航空飛行器一般需要制造一些復雜內流道結構，以此有助于實現溫度合理控制，力學結構優化，并防止出現危險的共振效應與相同零部件各個位置所承受的應力狀態大不相同。金屬高性能增材制造不會受到零部件形狀的限制，而且還能夠獲取最佳應力分布結構，以最科學、最合理的復雜內流道結構，實現溫度最優控制，以各種材料融合，滿足相同零部件各個位置的功能性需要。

2.4 基于激光組合制造技術改造實現復合加工

以激光組合制造技術優化傳統制造技術，并進一步實現復合性加工。首先，激光增材制造技術能夠切實實現異質材料的高性能融合，并在鑄造、機械加工的結構件上隨意添加精細化結構，并且促使其具備與整體制造相持衡的力學性能。其次，激光增材制造技術能夠制造毛坯，并使用減材制造方式做進一步的后處理。所以，該技術切實結合增材制造技術的成型復雜精細化結構、直接成型優勢與傳統制造技術的高效、高精、低成本優勢，構成最優化、最有效的制造方式。

2.5 航空領域功能性零件的快速修復

在飛機日常修復中，經常會需要進行零件更換，耗費很長時間。但是通過增材制造技術把受損的零件看作是基體增長材料，既能夠實現在線修復，又能夠保證修復零件性能依舊可以滿足或者超出鍛件相關標準[7]。

3 金屬高性能增材制造技術的未來趨勢

3.1 熔覆技術

激光熔覆技術是用來修復金屬鑄件不足的，其具備修復功能強大、結合強度較高、微觀缺陷較少等優勢。而且還可以精確控制熔覆層，而熔覆材料直接決定著熔覆層的性能。在航空領域，不同型號的鑄件，利用此技術都可以及時高效修復缺陷，從而大大節約成本與時間。

3.2 直接制造技術

激光直接制造技術可以快速制造出極具復雜性的大型結構件，以此加快新型研發速度，實現協同設計、工藝、制造。而加工難度較大的材料，利用激光直接制造技術都可以獲得良好應用效果。利用激光直接制造技術可以有效提高生產效率，并縮減加工余量，大大提高原材料有效利用率，所以發展前景良好。

3.3 選區熔化制造技術

激光選區熔化制造技術的精確度非常高，可以達到0.05 mm。所以，針對復雜的薄壁零件制造，可以充分獲得顯著效果。特別是裝備型號輕質耐熱結構件與航天器發動機制造，適用性更高。而且激光選區溶化制造技術的有效應用，可以切實彌補傳統技術不足，防止發動機出現內部故障，從而保證飛行器正常運行的安全性與穩定性。

3.4 電弧送絲增材制造技術

在航空領域飛行器制造過程中，需要生產并制造各種航天裝備型號的框架類結構配件，而傳統制造技術根本無法滿足這些需求[8]。所以，在實踐應用中，充分發揮電弧送絲增材制造技術的優勢作用，能夠切實解決這些相關問題。而且利用電弧送絲增材制造技術進行飛行器材框架類型的結構件生產與制造，既能夠保證構件整體質量與性能，又能夠大大縮短制造時間，降低成本，提高整體生產效率[9-10]。

4 結 論

綜上所述，金屬高性能增材制造技術不僅可以精準成型，還能夠高性能成型，是一種一體化制造技術，在航空領域具有廣泛的應用與發展前景。但是，金屬增材制造技術相對還不夠成熟。尤其是金屬增材制造專用合金開發比較落后，金屬增材制造構建無損檢測方式不健全，金屬增材制造技術缺少系統化、規范化標準，這些問題的存在直接阻礙著金屬增材制造技術在航空領域的有效應用。因此，針對金屬高性能增材制造技術，依舊需要進一步完善相關基礎與應用研究。然而隨著金屬高性能增材制造技術的快速發展，其所具備的高性能自由快速成型的特性，在很大程度上為航空技術發展帶來了良好的綜合效益，進一步實現了新型飛機和航空發動機的研究開發，有效緩解了結構重量，節省了大量金屬材料，制造了許多難以實現的航空功能結構，明顯提高了航空構件整體效能，通過組織制造技術，優化提高了傳統航空制造技術，同時以其高性能修復技術，有效保障了航空結構件的全壽命期質量與成本。