激光增材制造在航空航天領域中的應用

賈玉梅

近幾年來，增材制造在全球范圍內(nèi)迅速走熱，發(fā)展增材制造產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為世界主要國家搶抓新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革機遇，搶占先進制造業(yè)發(fā)展制高點的競爭焦點之一。增材制造在航空航天領域的應用層面持續(xù)擴大，應用深度持續(xù)增加，美國Wohlers協(xié)會對增材制造在各行業(yè)應用情況持續(xù)分析中發(fā)現(xiàn)：在過去幾年里，航空零件制造是增長最快的應用領域，預計2019年產(chǎn)能規(guī)模將達到60億美元。該行業(yè)的應用具有小批量多樣化的特點，對于輕量化、一體化、拓撲優(yōu)化、提高材料利用率等具有很高的要求，而增材制造恰好能夠最大程度地實現(xiàn)這些特殊需求，具有極高的附加值。當下增材制造技術在運—20、C—919等國產(chǎn)大飛機、殲—15、殲—31等新型戰(zhàn)斗機一系列機載設備重要核心零部件的應用備受關注。

1 增材制造技術概述

增材制造（A d d i t i v e Manufacturing，AM）技術，以數(shù)字模型文件為基礎，融合了計算機輔助設計、材料加工與成形、機械制造、智能控制等多學科的綜合性技術，通過軟件和數(shù)控系統(tǒng)將專用材料逐層堆積制造出實體物品的技術。增材制造按照材料不同分為金屬增材制造與非金屬增材制造；按照熱源不同可分為激光增材制造、超聲波增材制造、電子束增材制造、等離子增材制造、電弧增材制造等；按照成形方式不同分為：選取熔化金屬增材制造按照進料方式不同可分為送粉/絲增材制造和鋪粉增材制造2種。目前增材制造沒有完全統(tǒng)一的劃分規(guī)定。

激光增材制造是目前航空航天領域產(chǎn)業(yè)化應用的主要技術。高性能大型關鍵金屬構(gòu)件增材制造（3D打印）技術，以激光高能束為熱源，合金粉末或絲材為原料，通過高功率高能束原位冶金熔化/快速凝固逐層堆積，直接從零件數(shù)字模型一步完成全致密、高性能大型復雜金屬結(jié)構(gòu)件的直接近凈成形制造，如圖1所示。這一技術被譽為是一種“革命性”的低成本、短周期、高性能、綠色、數(shù)字化、材料/制造/結(jié)構(gòu)一體化智能制造技術，代表著重大裝備大型關鍵構(gòu)件“高性能材料技術”和“先進制造技術”的發(fā)展方向。在工業(yè)及國防重大裝備制造中具有巨大發(fā)展?jié)摿蛷V闊發(fā)展前景，可實現(xiàn)金屬零件的直接制造與修復。在世界范圍內(nèi)受到政府、工業(yè)界和學術界的高度關注。通過激光熔化沉積方式直接制造出的高性能大型金屬構(gòu)件實物，如圖2所示。

2 多國增材制造技術相關政策舉措

隨著增材制造技術在多領域應用工作的開展，多國紛紛制定增材制造技術相關的國家戰(zhàn)略和規(guī)劃，推動增材制造技術在航空航天領域的應用和發(fā)展，詳見表1。

3 激光增材制造技術特點及其對航空航天領域的變革性影響

3.1 金屬增材制造技術優(yōu)勢

金屬增材制造技術，為航空航天等高端重大裝備中鈦合金、高溫合金、超高強度鋼等高性能大型難加工金屬構(gòu)件的制造提供一條快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技術新途徑，與鍛壓+機械加工、鍛造+焊接等傳統(tǒng)大型金屬構(gòu)件制造技術相比，高性能金屬增材制造技術具有以下獨特優(yōu)點：

①激光等高能束原位冶金/快速凝固“高性能金屬材料制備”與“大型、復雜構(gòu)件成形制造”一體化，制造流程短。

②零件組織結(jié)構(gòu)成分一致性高、晶粒細小、致密度高，綜合力學性能優(yōu)勢明顯，零件可反復“無熱損傷修復”。

③無需大型鍛鑄工業(yè)裝備及其相關配套基礎設施，無需鍛坯制備和鍛造模具制造，后續(xù)機械加工余量小、材料利用率高、周期短、成本低。

④具有高度的柔性和對構(gòu)件結(jié)構(gòu)設計變化的“超常快速”響應能力，同時也使結(jié)構(gòu)設計不再受制造技術的制約。

⑤激光、等離子等高能束的能量密度高，可實現(xiàn)對鎢、鉬、鈮、鉭、鈦、鋯等多種難熔、高性能、高活性、難加工的金屬材料的激光冶金快速凝固制備，亦可實現(xiàn)復雜零件的“近凈成形”直接制造。

⑥可根據(jù)產(chǎn)品構(gòu)件的服役性能等要求和工作條件，靈活調(diào)控激光等高能束作用下材料的化學成分和顯微組織，從而達到高性能金屬材料構(gòu)件的多材料、高性能梯度組織/梯度材料零件直接“近凈成形”制造。

⑦增材制造技術對結(jié)構(gòu)尺寸不敏感，利用“設計—制造”融合、快速研制新模式，解放設計者的思想束縛，可制造一些過去無法實現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)。

3.2 激光增材制造技術在航空航天領域應用的突出優(yōu)勢

高速、長續(xù)航能力、安全高效低成本運行等苛刻服役條件對飛行器結(jié)構(gòu)設計、材料和制造提出了更高要求。輕量化、整體化、長壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)功能一體化以及低成本運行成為結(jié)構(gòu)設計、材料應用和制造技術共同面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，這取決于結(jié)構(gòu)設計、結(jié)構(gòu)材料和現(xiàn)代制造技術的進步與融合創(chuàng)新。作為工業(yè)界皇冠上的璀璨明珠，航空航天制造領域集成了一個國家所有的高精尖技術，而金屬增材制造技術作為一項全新的制造技術，在軍事領域以及航空航天領域的應用潛力巨大，具體航空應用如圖3所示。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

①可實現(xiàn)重大裝備結(jié)構(gòu)設計的變革，采用“設計—制造”融合、快速研制新模式，從而制造出一些過去無法實現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)：如最合理的應力分布結(jié)構(gòu)和復雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)最理想的溫度控制、振動頻率調(diào)控等，提高設備可靠性。

另外，通過最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設計將在保證性能的前提下顯著減輕金屬結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，突破傳統(tǒng)技術極限，實現(xiàn)航空航天器輕量化的重要的技術需求，并顯著提高原材料利用率和使用量，大大降低重要戰(zhàn)略金屬材料的需求量。

②可實現(xiàn)大/超大型構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、復雜/超復雜構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、多品種小批量個性化產(chǎn)品的低成本快速制造，擺脫了極其耗時的工業(yè)模具制造環(huán)節(jié)，大大縮短新產(chǎn)品研制周期，降低研制成本，大大加快“設計—驗證”迭代循環(huán)，提高生產(chǎn)效率。

③可實現(xiàn)高性能非平衡材料、高活性難熔難加工材料、性能梯度材料、高性能多尺度復合材料、新材料/超材料、創(chuàng)造超常結(jié)構(gòu)材料的制備與復雜結(jié)構(gòu)制造，制造同一零件不同部位的不同技術需求的結(jié)構(gòu)等。

④可實現(xiàn)異質(zhì)材料的高性能結(jié)合，在傳統(tǒng)鑄鍛或機械加工零件上任意“生長”性能可靠的新結(jié)構(gòu)，給設計者和制造商提供了高效低成本的制造策略選擇。

3.3 激光增材制造存在的問題

除殘余應力、能量利用率低、低熔點金屬材料受熱變形、精度與效率矛盾等問題外，大型關鍵主承力構(gòu)件工程化應用的實現(xiàn)是增材制造在航空航天領域應用所面臨的最大挑戰(zhàn)，由于內(nèi)應力問題和內(nèi)部質(zhì)量難控多變等因素，控制增材制造成形零件的變形開裂是一個永恒問題。因此，裝備的大小并不代表可實現(xiàn)的零件尺寸，需要大量的研究和工藝積累。

增材制造“逐點掃描/逐層堆積”的往復循環(huán)特點以及原材料和復雜結(jié)構(gòu)件的特殊性導致其產(chǎn)生了迥異于傳統(tǒng)制造零件的各類特殊工藝缺陷，如微米級氣孔、裂紋、結(jié)構(gòu)件的組織特性等給檢測和控制帶來巨大的挑戰(zhàn)，構(gòu)件一般通過理化分析、力學性能等宏觀因素考察，缺乏微觀驗證，質(zhì)量監(jiān)控手段缺乏已成為制約該技術發(fā)展和推廣應用的重要瓶頸。

對于大型復雜曲面輕質(zhì)多孔點陣結(jié)構(gòu)，目前常用的軟件如CATIA、Au toCAD、UG、ProE、Solidworks 等設計時由于計算量過大，無法實現(xiàn)快速結(jié)構(gòu)設計，目前的計算機硬件無法勝任復雜非周期性三維點陣結(jié)構(gòu)的復雜性，亟待開發(fā)輕量化三維模型設計方法和用于三維點陣結(jié)構(gòu)的有限元分析方法和技術。

隨著新的增材制造工藝技術發(fā)展，結(jié)構(gòu)設計突破了材料和加工工藝限制，大型、整體式結(jié)構(gòu)、復雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)等制造變得容易，而這些新結(jié)構(gòu)形式的力學模型和承載能力研究缺失相應的設計準則、設計規(guī)范等。

作為一種新技術，目前在材料、工藝、規(guī)范、全尺寸零件力學性能、疲勞等試驗驗證方面還存在相當?shù)那啡焙筒罹啵蔀樽璧K其在航空航天領域應用的主要障礙。

4 激光增材制造在航空航天領域的最新應用

激光增材制造技術的廣適性及其卓越的優(yōu)勢引起國際上各強國的高度重視，該技術在航空航天領域和高端裝備領域的應用開發(fā)被各國列為發(fā)展重點，美國無論在技術成熟度上還是實現(xiàn)應用的時間點上，都當之無愧世界第1。世界上第1家利用激光增材制造技術實現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)件裝機應用的美國AeroMet公司通過該技術已制造產(chǎn)品有：F—22戰(zhàn)斗機接頭（圖4）、F—18戰(zhàn)斗機連接吊環(huán)和起落架連接桿等。激光增材制造F—22戰(zhàn)斗機接頭和起落架連接桿疲勞壽命均超出設計要求，性能大大提高。

美國Sandia國家實驗室提出的激光凈成形（Laser Engineered Net Shaping）技術，以激光熔覆沉積成形為基礎對不銹鋼、鈦合金、高溫合金等材料開展系列研究，其成型件強度和塑性均顯著高于鍛件，目前該技術已被用于渦輪發(fā)動機零部件的修復。

美國NASA研究中心在NASA空間技術任務部的顛覆性開發(fā)計劃資助下利用激光增材制造技術成形了一個具有復雜冷卻通道的銅合金材料的火箭零件，開拓了增材制造技術在航天領域的應用。

通用電氣（GE）公司專注于增材制造以降低其飛機發(fā)動機制造成本，該公司從3D打印第一個LEAP發(fā)動機燃油噴嘴到生產(chǎn)出符合Leap渦扇發(fā)動機尺寸的燃燒器襯套，GE已經(jīng)打印了23 500個零件，到2019年底的時候，年產(chǎn)量接近40 000個零件。

美國空軍利用增材制造技術打印了噴氣式戰(zhàn)斗機、各種飛機部件等，猶他州希爾空軍基地開始為F—35戰(zhàn)斗機開發(fā)3D打印專用替換零件并在F—22 Paptor上安裝了第一個3D打印專用替換零件，從而取代飛機駕駛艙組件中的鋁制部件。

美國relativity Space公司在佛羅里達州卡內(nèi)維拉爾角空軍基地與美國空軍共建運營一火箭發(fā)射臺，其中一個正在加工中的中型軌道火箭95%是3D打印件。

5 國內(nèi)激光增材制造在航空航天領域應用的研究

國內(nèi)的增材制造相關研究起步較晚，早期基本屬于跟隨美國學習，直到1995年美國解密其研發(fā)計劃才開始投入研究。迄今國內(nèi)開展激光增材制造技術研究的單位逐漸增多，真正實現(xiàn)在航空航天領域應用的主要有北京航空航天大學大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實驗室、北京煜鼎增材制造研究院有限公司、西安交通大學等少數(shù)幾家單位。

北京航空航天大學（以下簡稱“北航”）王華明院士團隊自1998年以來一直致力于激光增材制造成套工藝裝備及工程化應用關鍵技術的開發(fā)與應用，采用激光增材制造技術制造出一系列航空用鈦合金大尺寸金屬構(gòu)件，首次在國際上全面突破飛機鈦合金等大型整體主承力構(gòu)件激光增材制造工藝、裝備、材料及應用關鍵技術“瓶頸難題”，自主建立了“工藝—裝備—質(zhì)量—標準”整套技術體系。圖5所示為北航團隊利用增材制造技術所生產(chǎn)的迄今為止世界上最大整體鈦合金構(gòu)件。

北航王華明團隊自2005年起，在飛機大型主承力結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積制造工藝、成套裝備、過程控制、長期工藝穩(wěn)定性及構(gòu)件質(zhì)量保障等系列核心關鍵技術上取得了一系列突破性進展，數(shù)百種規(guī)格大型整體鈦合金、超高強度鋼構(gòu)件已在飛機、火箭、衛(wèi)星等十余型裝備研制和批量生產(chǎn)中工程應用，是我國處于該領域唯一的國際領先水平。

6 結(jié)語

增材制造技術涵蓋了機械加工、材料冶金學、智能控制等多學科，經(jīng)過近30年的發(fā)展，已突破了傳統(tǒng)金屬材料的瓶頸學制約，是高性能大型、大尺寸金屬構(gòu)件制造的一個基本手段和方向。目前雖然增材制造技術已成功在航空航天、制導武器等型號研制生產(chǎn)中工程化應用并逐步推廣，但高性能金屬增材制造技術相較于傳統(tǒng)鑄鍛焊等制造技術發(fā)展時間相對很短，技術成熟度有待進一步提高，所制造的結(jié)構(gòu)零件數(shù)量相對有限。航空航天工業(yè)制造工藝的特殊性以及對安全性、可靠性的嚴苛要求，對激光增材制造都提出了更高的要求，需要開展系統(tǒng)深入的基礎研究和工程化研究工作，加速培養(yǎng)專業(yè)人才，制定全產(chǎn)業(yè)鏈增材制造行業(yè)標準和技術體系，從制造成本、制造周期、結(jié)構(gòu)性能提升、成本降低等方面綜合考慮各方面因素，進行增材制造結(jié)構(gòu)適用性分析，推動激光增材制造技術在航空航天領域的研發(fā)與應用，更好地為航空航天裝備的高效輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設計、高性能低成本制造、快速研制快速維修等提供先進技術支撐。

參考文獻

[1] 田宗軍，顧冬冬，沈理達，等.激光增材制造技術在航空航天領域的應用與發(fā)展[J].航空制造技術，2015（11）：38-42.

[2] 李滌塵，田小永，王永信，等.增材制造技術的發(fā)展[C]//第14屆全國特種加工學術會議論文集.2011.

[3] 王忻凱，王乾俸.增材制造及其航空航天領域的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中小企業(yè)管理與科技，2015（35）：230-231.

[4] 宋建麗，鄧綺林，葛志軍，等.鎳基合金激光快速成形裂紋控制技術[J].上海交通大學學報，2006（3）：548-552.