高能束流加工技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展

鞏水利

引言

高能束流加工技術(shù)是21世紀最重要的先進制造技術(shù)之一，具有非接觸、能量精確可控、材料適應(yīng)性廣、柔性強、質(zhì)量優(yōu)、資源節(jié)約、環(huán)境友好等綜合優(yōu)勢，既可用于大批量高效自動化生產(chǎn)，又適用于多品種、小批量加工，甚至個性化產(chǎn)品的訂制，因此成為傳統(tǒng)制造業(yè)改造升級不可或缺的重要技術(shù)。高能束流加工技術(shù)在工業(yè)中所占的比重已成為衡量一個國家工業(yè)制造水平高低的重要指標之一，是研制生產(chǎn)高、精、尖武器裝備的關(guān)鍵技術(shù)，對保障國家安全具有重要意義。經(jīng)過多年的發(fā)展，高能束流加工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為焊接、切割、制孔、快速成形、刻蝕、微納加工、表面改性、噴涂及氣相沉積等多種門類，在航空、航天、船舶、兵器、核能、交通、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

本文以為高能束流加工技術(shù)在航空領(lǐng)域發(fā)展為背景，重點介紹了高能束焊接、高能束快速成形和高能束表面工程技術(shù)當前的技術(shù)現(xiàn)狀及重點應(yīng)用，同時，針對新型飛機及發(fā)動機技術(shù)新需求，闡述高能束在航空制造中的發(fā)展趨勢。

高能束流焊接技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

高能束焊接在提高材料利用率、減輕鈦合金結(jié)構(gòu)重量、降低成本方面獨具優(yōu)勢，這使得以高能束流為熱源的先進焊接技術(shù)——電子束焊接、激光焊接、激光復合熱源焊接技術(shù)成為航空整體結(jié)構(gòu)連接制造的發(fā)展趨勢，應(yīng)用范圍也逐漸擴大。國際先進航空制造公司空客、波音、洛克希德·馬丁、Eclipse 等在軍民機制造中，都相繼采用電子束焊接、激光焊接技術(shù)作為飛機結(jié)構(gòu)的連接方法。

電子束焊接是制造飛機主、次承力結(jié)構(gòu)件和機翼骨架的必選技術(shù)，也是衡量飛機制造水平的一把標尺，如美國F-14戰(zhàn)機鈦合金中央翼盒、F-22戰(zhàn)機后機身鈦合金梁、機翼梁、A380的發(fā)動機鈦合金托架均為電子束焊接。此外，電子束焊接也是航空發(fā)動機制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，如：發(fā)動機機匣、壓氣機整體葉盤、渦輪、燃燒室等部件的焊接。而激光焊接則是實現(xiàn)大尺寸、薄壁機身結(jié)構(gòu)件焊接的優(yōu)選方案，具有焊接效率高、變形小、接頭質(zhì)量高等優(yōu)點。如空中客車公司在A380機身壁板上的首次成功應(yīng)用激光焊接技術(shù)，與鉚接結(jié)構(gòu)相比，其減重約18%，降低成本約21.4%～24.3%。另外，激光焊接在發(fā)動機部件焊接與修復上也有重要應(yīng)用，激光焊接修復技術(shù)利于近凈成形，減少裂紋產(chǎn)生，已應(yīng)用的有航空發(fā)動機渦輪葉片、導向葉片和氣路封嚴系統(tǒng)的零部件，如：歐盟第六框架研究項目AROSATEC就開展了壓氣機定子與葉柵、高壓和低壓葉片出口與蓋板連接，以及渦輪機匣的激光焊接技術(shù)研究。美國通用電氣公司成功地完成了噴氣發(fā)動機的導流板和導向葉片的激光焊接組裝，有效地解決了鎳基合金小型零件激光焊接變形與裂紋等問題。美國霍尼韋爾公司修復的葉片已累計飛行2千萬個飛行小時。美國伍德集團公司利用激光粉末合金熔焊技術(shù)可以修理過去認為不可修的單晶和DS合金零部件。

隨著高能束焊接技術(shù)發(fā)展，新束源研發(fā)方面不斷進步，在航空結(jié)構(gòu)制造上發(fā)揮的作用也越來越大，如在電子束焊接方面，注重大功率、高可靠性的電子束槍的研制，目前國外電子束焊接設(shè)備功率一般大于60kW，最高可達到200kW，加速電壓在150kV以上，同時利用先進的高壓逆變電源技術(shù)提高了高壓性能、設(shè)備穩(wěn)定性，降低了噪聲；在激光焊接方面，目前，CO2激光和YAG（注）激光這兩類激光器的功率增大已達到極限，難以實現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)中厚板焊接。以盤式激光和光纖激光為代表的高亮度大功率激光技術(shù)，尤其是光纖激光，束流品質(zhì)高，其功率也已超過50kW，且還有提高潛力，可實現(xiàn)薄板高效焊接，20mm以上厚板的高質(zhì)量焊接，和現(xiàn)場移動焊接，因此，光纖激光焊接大有替代CO2激光和YAG激光之勢。

高能束流快速成形技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

高能束流快速制造技術(shù)是基于離散/堆積原理的增材成型技術(shù)，由零件的3D模型可直接制造出任意復雜形狀的金屬零件，能夠大大減少制造工序、縮短生產(chǎn)周期，節(jié)省材料、降低成本等特點。自上世紀90年代中期以來，該技術(shù)已發(fā)展為多種門類，如激光選區(qū)熔化（SLM）、電子束熔化制造（EBM）、激光近凈形制造（LENS）、金屬直接沉積（DMD）、形狀沉積制造（SDM）以及電子束自由成形(EBFFF)等。采用的熱源主要為激光、電子束和電弧等束源，該技術(shù)根據(jù)材料在沉積時的不同狀態(tài)可以分為：熔覆沉積技術(shù)，材料在沉積反應(yīng)時才送入沉積位置，由高能束在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動，熔化后沉積下來；選區(qū)沉積技術(shù)，材料在沉積反應(yīng)前已位于沉積位置上，再用高能束逐點逐行燒結(jié)或熔化。

熔覆沉積快速成形技術(shù)

同軸送粉激光快速成形技術(shù)，可制備疊層材料、功能復合材料、裁縫式地制成"變成分"的材料或零件和修復鈦合金葉片、整體葉盤等構(gòu)件，且其力學性能達到鍛件的水平。其相關(guān)成果已應(yīng)用在武裝直升機、波音787客機、F/A-18E/F及F-22戰(zhàn)機上，如：AeroMet公司利用Lasform技術(shù)制造了F-22戰(zhàn)機的TC4鈦合金接頭，滿足疲勞壽命2倍要求；F/A-18E/F的翼根吊環(huán)，滿足疲勞壽命4倍要求且靜力加載到225％仍未破壞。

金屬絲材高能束熔融沉積技術(shù)是在高能束送絲焊接基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其中熔化絲材的電子束自由成型快速制造技術(shù)，由于在真空環(huán)境工作，其冶金質(zhì)量高，特別是鈦合金等材料的快速制造，其發(fā)展速度非常快。1995年，美國麻省理工學院首次試制了In718合金渦輪盤。目前，已可以制造出形狀比較復雜的零件，最大沉積速率3500cm3/h，性能達到鍛件水平，另外，西雅基公司利用該項技術(shù)制造了F-22上的鈦合金AMAD支座、吊耳和萬向結(jié)以及直升飛機的螺旋槳支架等。

選區(qū)熔化沉積成形技術(shù)

激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS），由于光斑或熔池較小，無需附加支撐，因此該技術(shù)制造的零件精度較高且形狀較復雜。激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）是在SLS技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者的不同之處在于后者所采用的是一種金屬材料與另一種低熔點材料（可以是低熔點金屬或有機粘接材料）的混合物，在加工過程中，低熔點材料熔化或部分熔化，但熔點較高的金屬材料被已熔化的低熔點材料包覆粘結(jié)在一起，從而形成類似于粉末冶金燒結(jié)坯件的原型。但這種零件還需要經(jīng)過高溫重熔或滲金屬填補孔隙等后處理以后才能使用。

電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBM）與SLS/SLM技術(shù)相比，具有獨特的優(yōu)點：無反射、可加工激光不易加工的金、銀、銅、鋁等材料；成形環(huán)境為真空，特別有利于鈦等活潑金屬的成形，然而EBM技術(shù)成形精度較差，為后續(xù)表面光整帶來極大困難。

激光選區(qū)熔化凈成形技術(shù)無需模具，直接利用金屬粉末成形任意復雜零件，特別是點陣夾芯與復雜型腔結(jié)構(gòu)件，可解決中小型復雜金屬構(gòu)件的難加工、周期長、成本高等問題。國外的羅羅、GE、普惠、MTU、波音、EADS、空客等公司利用此技術(shù)開發(fā)了商業(yè)化的金屬零部件。由于此技術(shù)在點陣夾芯結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具備優(yōu)勢，可為我國航空武器裝備研制提供一種快速響應(yīng)和精確制造的快速驗證先進技術(shù)。

高能束流表面工程技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

我國新型武器零部件的性能、可靠性和使用壽命要求越來越苛刻，以航空發(fā)動機為例，未來軍用發(fā)動機空中停車率要達到0.01‰～0.06‰飛行小時，民用發(fā)動機達到0.002‰～0.02‰飛行小時，同時軍用發(fā)動機的壓氣機出口溫度將達到650℃，渦輪進口溫度將達到1650～1750℃，熱端壽命為5000次循環(huán)，為達到這些壽命、可靠性和抗疲勞等性能的技術(shù)要求, 迫切需要對零部件進行高能束表面加工處理，按照工件處理表面的厚度不同可以將其劃分為三類：表面改性、薄膜及涂層技術(shù)。

高能束表面改性加工技術(shù)，主要包括激光沖擊強化、離子注入、電子束毛化及表面完整性技術(shù)等，在激光沖擊強化方面，歐美等發(fā)達國家的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，已應(yīng)用于F101、F110 、F414 和F119等發(fā)動機葉片上，通用電氣公司自1997年直到目前累計強化葉片100000片以上，提高葉片高周疲勞壽命5～6倍，截至2008年底，波音公司和空客公司的寬弦風扇葉片強化數(shù)量超過35000片。在離子注入方面，美歐國家已實現(xiàn)一些軍工零部件上的應(yīng)用。如：莫斯科航空研究所用離子注入技術(shù)處理鈦合金壓氣機葉片，使葉片的疲勞強度提高5%～20%，耐熱氣腐蝕的性能提高2倍以上, 耐顆粒沖蝕的性能提高20%～50%，耐壓縮氣體沖蝕的性能提高3倍以上。

高能束表面薄膜加工技術(shù)，主要包括航空產(chǎn)品防護薄膜、光電功能薄膜、透明隱身薄膜等加工技術(shù)，其在航空航天產(chǎn)品中已得到廣泛應(yīng)用，作為耐磨耐蝕防護薄膜已應(yīng)用于航空發(fā)動機傳動系統(tǒng)、導彈及衛(wèi)星上，作為激光防護膜應(yīng)用于飛機及導彈制導裝置上，作為隱身薄膜已應(yīng)用于飛行器透明窗口上，作為光電功能膜已應(yīng)用于各種軍用武器傳感器、主要控制芯片上。如：美國古德里奇公司在直升機發(fā)動機傳動軸上沉積了一層摻碳化鎢類金剛石薄膜，使用壽命提高4倍以上, 普惠公司開發(fā)了多層梯度TiN薄膜，在JT9D壓氣機葉片上得到應(yīng)用。

高能束表面涂層加工技術(shù)，主要包括熱障涂層、封嚴涂層、隱身涂層、防護涂層。在熱障涂層方面，主要發(fā)展新元素摻雜和新型復合工藝制備隔熱溫度更高的長壽命熱障涂層，如：美國海軍實驗室的研究表明，在1400℃時，La2O3、Sc2O3、Y2O3共同穩(wěn)定的ZrO2相穩(wěn)定性比6～8%Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2好得多，可作為1200～1400℃隔熱涂層使用。德國研發(fā)了可以大幅度降低涂層熱導率的離子束輔助EBPVD沉積熱障涂層技術(shù)。在封嚴涂層方面，正在進行具有良好的結(jié)合力、抗熱震性能、可磨耗性和抗沖蝕能力可磨耗涂層開發(fā)，其中真空等離子體噴涂技術(shù)及熱壓燒結(jié)技術(shù)被廣泛采用。如：美國Sulzer Plasma Technik公司研制的可磨耗陶瓷基封嚴涂層最高使用溫度已達1300℃；目前歐美發(fā)達國家已經(jīng)做到可磨耗涂層與高壓渦輪基體間界面冶金結(jié)合，壽命在2000小時以上。在防護涂層方面，冷噴涂技術(shù)已在航空領(lǐng)域應(yīng)用已暫露頭角，其主要特點是噴射溫度低于被噴射材料的熔化和軟化溫度。美國多家公司利用該技術(shù)生產(chǎn)飛機用的新型韌性涂層，美歐已將該技術(shù)應(yīng)用與發(fā)動機鎂合金附件機匣防腐涂層制備上。在隱身涂層方面，雷達波及紅外隱身涂層已逐步使用在各類飛行器上，并逐步采用新工藝新技術(shù)向“薄、輕、寬”涂層和復合隱身涂層方向發(fā)展。

總結(jié)

隨著技術(shù)的更新與發(fā)展，高能束流加工已不再是一種單純意義上的加工制造技術(shù)，已發(fā)展成為高能束流能量場與品質(zhì)、材料冶金、結(jié)構(gòu)力學、自動化、計算機等多學科集成的工程制造技術(shù)，顯現(xiàn)出極高的技術(shù)附加值，高能束流加工技術(shù)的發(fā)展方向更趨于加工過程的自動化和智能化、虛擬制造、復合束源和集成化，并向著高品質(zhì)、高功率、高效率、多功能和結(jié)構(gòu)功能一體化方向發(fā)展，同時隨著其在航空領(lǐng)域及其它領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛和成熟，高能束流加工技術(shù)必將為我國航空事業(yè)和其它軍工領(lǐng)域的進步做出更大貢獻。

（作者單位：中航工業(yè)北京航空制造工程研究所）

注：YAG 激光器是以釔鋁石榴石晶體為基質(zhì)的一種固體激光器，是軍用裝備中應(yīng)用最廣泛的一種激光器, 主要用作激光雷達、激光測距、激光制導和激光對抗等方面。在工業(yè)中，YAG主要是用于材料加工，如切割、焊接、打孔等,不僅使加工質(zhì)量得到提高, 而且提高了工作效率。