金屬高性能增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域中的研究

張 艷

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710089）

增材制造技術(shù)主要是以三維模型數(shù)據(jù)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(shù)學(xué)模型中獲取三維物理模型的制造技術(shù)總稱，集中了機(jī)械工程、分層制造技術(shù)、電子束技術(shù)、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等等，能夠自動(dòng)化快速把設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)換成為具備既定功能的原版，或者直接制造構(gòu)件，以此實(shí)現(xiàn)高效低成本制定零件運(yùn)行，并校正新型設(shè)計(jì)思想。因此，將其應(yīng)用于航空領(lǐng)域具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

1 金屬高性能增材制造技術(shù)特征

金屬高性能增材制造技術(shù)是制造技術(shù)原理的重大突破，形成了最具信息化時(shí)代特性的制造技術(shù)，也就是基于信息技術(shù)，通過(guò)柔性化產(chǎn)品制造方式，進(jìn)一步滿足豐富的、個(gè)性化需求。金屬高性能增材制造技術(shù)主要包括基于激光立體成型技術(shù)（LSF）的同步送粉高能束熔覆技術(shù)與基于激光溶化技術(shù)（SLM）的粉末床成型技術(shù)。LSF 技術(shù)具有同步材料輸送特征，因此能夠高效制造力學(xué)性能與鍛件一樣復(fù)雜的高性能構(gòu)件，而且成型尺寸不會(huì)受到局限，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)相同結(jié)構(gòu)件多種材料的隨意復(fù)合與梯度結(jié)構(gòu)制造，以便于實(shí)現(xiàn)新型合金設(shè)計(jì)，并成型修復(fù)有所損傷的構(gòu)件。LSF 技術(shù)還能夠與傳統(tǒng)加工技術(shù)、等材或者減材加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，充分將其他技術(shù)優(yōu)勢(shì)作用發(fā)揮出來(lái)，構(gòu)成金屬結(jié)構(gòu)件的高性能、高效率、低成本成型與修復(fù)技術(shù)。

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(shí)現(xiàn)增材制造，即電子束自由成型制造技術(shù)電子束熔化成型技術(shù)、電弧增材制造技術(shù)。其中電子束熔化成型技術(shù)采用的是粉末床熔化成型方式，其他兩大技術(shù)都是以絲材送進(jìn)為基礎(chǔ)的增材成型技術(shù)，這就說(shuō)明利用此技術(shù)能夠明顯提高沉積率，但是成型的精確度與復(fù)雜程度會(huì)大大降低。而因?yàn)楫a(chǎn)生電弧的焊接方式比較多，所以電弧增材制造技術(shù)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(xué)性能

LSF 典型合金室溫力學(xué)性能具體如表1 所示。Ti-6Al-4V 與Inconel718 是現(xiàn)階段應(yīng)用最普遍的合金，而且比較成熟，在拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率等方面都可以滿足鍛件制造要求。LSF 結(jié)構(gòu)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(duì)較低，這主要是由于結(jié)構(gòu)件的獨(dú)特組織結(jié)構(gòu)，即晶粒過(guò)大，但是內(nèi)部組織過(guò)小。

表1 LSF典型合金室溫力學(xué)性能

1.2 SLM典型合金室溫力學(xué)性能

SLM 典型合金室溫力學(xué)性能具體如表2 所示。其中，Ti-6Al-4V 與Inconel718 的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率都可以滿足鍛件制造要求。但是因?yàn)镾LM 成型結(jié)構(gòu)件無(wú)法將孔洞全面消除，導(dǎo)致成型結(jié)構(gòu)件的延伸率相對(duì)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(xué)性能

1.3 SLM AlSi10Mg合金室溫力學(xué)性能

SLM AlSi10Mg 合金室溫力學(xué)性能具體如表3 所示。SLM 成型AlSi10Mg 合金的力學(xué)性能明顯較高，這主要是因?yàn)镾LM 成型時(shí)，AlSi10Mg 的沉積組織比較細(xì)化，而且在成型中，激光多層反復(fù)沉積的再熱處理，促使合金在成型時(shí)還經(jīng)歷了時(shí)效處理。

表3 SLM AlSi10Mg合金室溫力學(xué)性能

1.4 增材制造Ti-6Al-4V合金室溫力學(xué)性能

增材制造Ti-6Al-4V合金室溫力學(xué)性能具體如表4所示。利用此方式成型的結(jié)構(gòu)件室溫靜載力學(xué)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(xué)性能

總之，現(xiàn)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(tǒng)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(shì)必會(huì)與傳統(tǒng)鍛件之間存在明顯差異，從而導(dǎo)致合金設(shè)計(jì)與熱處理制度難以將金屬高性能增材制造構(gòu)件的力學(xué)性能充分發(fā)揮出來(lái)，所以，發(fā)展金屬高性能增材制造的專用合金已經(jīng)成為必然趨勢(shì)[4-5]。

2 金屬高性能增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 大型整體結(jié)構(gòu)件與承力結(jié)構(gòu)件加工

為了保證結(jié)構(gòu)件的整體效率，縮減結(jié)構(gòu)件的重量，進(jìn)一步精簡(jiǎn)制造工藝，國(guó)內(nèi)外航空領(lǐng)域都開(kāi)始積極引進(jìn)大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)件，但是其設(shè)計(jì)直接加大了制造難度。現(xiàn)階段，我國(guó)某飛行器的主承力構(gòu)架依舊依賴于水壓機(jī)壓制成型，再進(jìn)行切削和打磨，這樣不僅制作周期較長(zhǎng)，而且還會(huì)浪費(fèi)各種材料，幾乎很大一部分鈦合金在加工時(shí)會(huì)演變成邊角料，而其在組裝構(gòu)件的時(shí)候，還會(huì)消耗其他連接材料，從而導(dǎo)致成型結(jié)構(gòu)件明顯比增材制造的結(jié)構(gòu)件重量超出大約1/3，所以，采用高性能增材制造技術(shù)勢(shì)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(lǐng)域帶來(lái)良好的綜合效益。

2.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并顯著縮減結(jié)構(gòu)重量

對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，大大縮減結(jié)構(gòu)的重量，節(jié)約相關(guān)原材料，有效減少加工成本。將結(jié)構(gòu)件重量縮減，是航空飛行器最關(guān)鍵的技術(shù)性要求。而金屬高性能增材制造技術(shù)能夠在獲取傳統(tǒng)制造技術(shù)極限性能或者更高層次性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低金屬結(jié)構(gòu)件重量，且能夠相應(yīng)節(jié)省一定成本[6]。

2.3 形狀復(fù)雜且具備薄壁特性的功能結(jié)構(gòu)件加工

進(jìn)行形狀復(fù)雜并且具備薄壁特性的功能結(jié)構(gòu)件加工，打破傳統(tǒng)加工技術(shù)的設(shè)計(jì)局限，將制造改變?cè)O(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成可能性，金屬高性能增材制造技術(shù)勢(shì)必會(huì)針對(duì)CAD模型提出新型設(shè)計(jì)要求，從而引發(fā)設(shè)計(jì)變革。新型航空飛行器一般需要制造一些復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)，以此有助于實(shí)現(xiàn)溫度合理控制，力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并防止出現(xiàn)危險(xiǎn)的共振效應(yīng)與相同零部件各個(gè)位置所承受的應(yīng)力狀態(tài)大不相同。金屬高性能增材制造不會(huì)受到零部件形狀的限制，而且還能夠獲取最佳應(yīng)力分布結(jié)構(gòu)，以最科學(xué)、最合理的復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)溫度最優(yōu)控制，以各種材料融合，滿足相同零部件各個(gè)位置的功能性需要。

2.4 基于激光組合制造技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工

以激光組合制造技術(shù)優(yōu)化傳統(tǒng)制造技術(shù)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)復(fù)合性加工。首先，激光增材制造技術(shù)能夠切實(shí)實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料的高性能融合，并在鑄造、機(jī)械加工的結(jié)構(gòu)件上隨意添加精細(xì)化結(jié)構(gòu)，并且促使其具備與整體制造相持衡的力學(xué)性能。其次，激光增材制造技術(shù)能夠制造毛坯，并使用減材制造方式做進(jìn)一步的后處理。所以，該技術(shù)切實(shí)結(jié)合增材制造技術(shù)的成型復(fù)雜精細(xì)化結(jié)構(gòu)、直接成型優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)制造技術(shù)的高效、高精、低成本優(yōu)勢(shì)，構(gòu)成最優(yōu)化、最有效的制造方式。

2.5 航空領(lǐng)域功能性零件的快速修復(fù)

在飛機(jī)日常修復(fù)中，經(jīng)常會(huì)需要進(jìn)行零件更換，耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。但是通過(guò)增材制造技術(shù)把受損的零件看作是基體增長(zhǎng)材料，既能夠?qū)崿F(xiàn)在線修復(fù)，又能夠保證修復(fù)零件性能依舊可以滿足或者超出鍛件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7]。

3 金屬高性能增材制造技術(shù)的未來(lái)趨勢(shì)

3.1 熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)是用來(lái)修復(fù)金屬鑄件不足的，其具備修復(fù)功能強(qiáng)大、結(jié)合強(qiáng)度較高、微觀缺陷較少等優(yōu)勢(shì)。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(lǐng)域，不同型號(hào)的鑄件，利用此技術(shù)都可以及時(shí)高效修復(fù)缺陷，從而大大節(jié)約成本與時(shí)間。

3.2 直接制造技術(shù)

激光直接制造技術(shù)可以快速制造出極具復(fù)雜性的大型結(jié)構(gòu)件，以此加快新型研發(fā)速度，實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)、工藝、制造。而加工難度較大的材料，利用激光直接制造技術(shù)都可以獲得良好應(yīng)用效果。利用激光直接制造技術(shù)可以有效提高生產(chǎn)效率，并縮減加工余量，大大提高原材料有效利用率，所以發(fā)展前景良好。

3.3 選區(qū)熔化制造技術(shù)

激光選區(qū)熔化制造技術(shù)的精確度非常高，可以達(dá)到0.05 mm。所以，針對(duì)復(fù)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(hào)輕質(zhì)耐熱結(jié)構(gòu)件與航天器發(fā)動(dòng)機(jī)制造，適用性更高。而且激光選區(qū)溶化制造技術(shù)的有效應(yīng)用，可以切實(shí)彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)不足，防止發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)內(nèi)部故障，從而保證飛行器正常運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。

3.4 電弧送絲增材制造技術(shù)

在航空領(lǐng)域飛行器制造過(guò)程中，需要生產(chǎn)并制造各種航天裝備型號(hào)的框架類結(jié)構(gòu)配件，而傳統(tǒng)制造技術(shù)根本無(wú)法滿足這些需求[8]。所以，在實(shí)踐應(yīng)用中，充分發(fā)揮電弧送絲增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)作用，能夠切實(shí)解決這些相關(guān)問(wèn)題。而且利用電弧送絲增材制造技術(shù)進(jìn)行飛行器材框架類型的結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)與制造，既能夠保證構(gòu)件整體質(zhì)量與性能，又能夠大大縮短制造時(shí)間，降低成本，提高整體生產(chǎn)效率[9-10]。

4 結(jié) 論

綜上所述，金屬高性能增材制造技術(shù)不僅可以精準(zhǔn)成型，還能夠高性能成型，是一種一體化制造技術(shù)，在航空領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用與發(fā)展前景。但是，金屬增材制造技術(shù)相對(duì)還不夠成熟。尤其是金屬增材制造專用合金開(kāi)發(fā)比較落后，金屬增材制造構(gòu)建無(wú)損檢測(cè)方式不健全，金屬增材制造技術(shù)缺少系統(tǒng)化、規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)，這些問(wèn)題的存在直接阻礙著金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的有效應(yīng)用。因此，針對(duì)金屬高性能增材制造技術(shù)，依舊需要進(jìn)一步完善相關(guān)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。然而隨著金屬高性能增材制造技術(shù)的快速發(fā)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(shù)發(fā)展帶來(lái)了良好的綜合效益，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了新型飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究開(kāi)發(fā)，有效緩解了結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省了大量金屬材料，制造了許多難以實(shí)現(xiàn)的航空功能結(jié)構(gòu)，明顯提高了航空構(gòu)件整體效能，通過(guò)組織制造技術(shù)，優(yōu)化提高了傳統(tǒng)航空制造技術(shù)，同時(shí)以其高性能修復(fù)技術(shù)，有效保障了航空結(jié)構(gòu)件的全壽命期質(zhì)量與成本。