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

高能束流加工技術(shù)是21世紀(jì)最重要的先進(jìn)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(qiáng)、質(zhì)量?jī)?yōu)、資源節(jié)約、環(huán)境友好等綜合優(yōu)勢(shì)，既可用于大批量高效自動(dòng)化生產(chǎn)，又適用于多品種、小批量加工，甚至個(gè)性化產(chǎn)品的訂制，因此成為傳統(tǒng)制造業(yè)改造升級(jí)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(gè)國(guó)家工業(yè)制造水平高低的重要指標(biāo)之一，是研制生產(chǎn)高、精、尖武器裝備的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)保障國(guó)家安全具有重要意義。經(jīng)過(guò)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、快速成型、刻蝕、微納加工、表面改性、噴涂及氣相沉積等多種門(mén)類(lèi)，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(diǎn)介紹了高能束焊接、高能束快速成型和高能束表面工程技術(shù)當(dāng)前的技術(shù)現(xiàn)狀及重點(diǎn)應(yīng)用，同時(shí)，針對(duì)新型飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)新需求，闡述高能束在航空制造中的發(fā)展趨勢(shì)。

高能束流焊接技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

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(dú)具優(yōu)勢(shì)，這使得以高能束流為熱源的先進(jìn)焊接技術(shù)——電子束焊接、激光焊接、激光復(fù)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(shì)，應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大。國(guó)際先進(jìn)航空制造公司空客、波音、洛克希德·馬丁、Eclipse 等在軍民機(jī)制造中，都相繼采用電子束焊接、激光焊接技術(shù)作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的連接方法。

電子束焊接是制造飛機(jī)主、次承力結(jié)構(gòu)件和機(jī)翼骨架的必選技術(shù)，也是衡量飛機(jī)制造水平的一把標(biāo)尺，如美國(guó)F-14戰(zhàn)機(jī)鈦合金中央翼盒、F-22戰(zhàn)機(jī)后機(jī)身鈦合金梁、機(jī)翼梁、A380的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，如：發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、壓氣機(jī)整體葉盤(pán)、渦輪、燃燒室等部件的焊接。而激光焊接則是實(shí)現(xiàn)大尺寸、薄壁機(jī)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(diǎn)。如空中客車(chē)公司在A380機(jī)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(dòng)機(jī)部件焊接與修復(fù)上也有重要應(yīng)用，激光焊接修復(fù)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(dòng)機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)向葉片和氣路封嚴(yán)系統(tǒng)的零部件，如：歐盟第六框架研究項(xiàng)目AROSATEC就開(kāi)展了壓氣機(jī)定子與葉柵、高壓和低壓葉片出口與蓋板連接，以及渦輪機(jī)匣的激光焊接技術(shù)研究。美國(guó)通用電氣公司成功地完成了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)流板和導(dǎo)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(wèn)題。美國(guó)霍尼韋爾公司修復(fù)的葉片已累計(jì)飛行2千萬(wàn)個(gè)飛行小時(shí)。美國(guó)伍德集團(tuán)公司利用激光粉末合金熔焊技術(shù)可以修理過(guò)去認(rèn)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(jìn)步，在航空結(jié)構(gòu)制造上發(fā)揮的作用也越來(lái)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(guó)外電子束焊接設(shè)備功率一般大于60kW，最高可達(dá)到200kW，加速電壓在150kV以上，同時(shí)利用先進(jìn)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(lèi)激光器的功率增大已達(dá)到極限，難以實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)中厚板焊接。以盤(pán)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(guò)50kW，且還有提高潛力，可實(shí)現(xiàn)薄板高效焊接，20mm以上厚板的高質(zhì)量焊接，和現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)焊接，因此，光纖激光焊接大有替代CO2激光和YAG激光之勢(shì)。

高能束流快速成形技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

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(fù)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(diǎn)。自上世紀(jì)90年代中期以來(lái)，該技術(shù)已發(fā)展為多種門(mén)類(lèi)，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(shí)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(shí)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(dòng)，熔化后沉積下來(lái)；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(diǎn)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(fù)合材料、裁縫式地制成"變成分"的材料或零件和修復(fù)鈦合金葉片、整體葉盤(pán)等構(gòu)件，且其力學(xué)性能達(dá)到鍛件的水平。其相關(guān)成果已應(yīng)用在武裝直升機(jī)、波音787客機(jī)、F/A-18E/F及F-22戰(zhàn)機(jī)上，如：AeroMet公司利用Lasform技術(shù)制造了F-22戰(zhàn)機(jī)的TC4鈦合金接頭，滿(mǎn)足疲勞壽命2倍要求；F/A-18E/F的翼根吊環(huán)，滿(mǎn)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(lái)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?？?。1995年，美國(guó)麻省理工學(xué)院首次試制了In718合金渦輪盤(pán)。目前，已可以制造出形狀比較復(fù)雜的零件，最大沉積速率3500cm3/h，性能達(dá)到鍛件水平，另外，西雅基公司利用該項(xiàng)技術(shù)制造了F-22上的鈦合金AMAD支座、吊耳和萬(wàn)向節(jié)以及直升機(jī)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(wú)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(fù)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(lái)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(diǎn)材料（可以是低熔點(diǎn)金屬或有機(jī)粘接材料）的混合物，在加工過(guò)程中，低熔點(diǎn)材料熔化或部分熔化，但熔點(diǎn)較高的金屬材料被已熔化的低熔點(diǎn)材料包覆黏結(jié)在一起，從而形成類(lèi)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(guò)高溫重熔或滲金屬填補(bǔ)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)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(lái)極大困難。

激光選區(qū)熔化凈成形技術(shù)無(wú)需模具，直接利用金屬粉末成形任意復(fù)雜零件，特別是點(diǎn)陣夾芯與復(fù)雜型腔結(jié)構(gòu)件，可解決中小型復(fù)雜金屬構(gòu)件的難加工、周期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題。國(guó)外的羅羅、GE、普惠、MTU、波音、EADS、空客等公司利用此技術(shù)開(kāi)發(fā)了商業(yè)化的金屬零部件。由于此技術(shù)在點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具備優(yōu)勢(shì)，可為我國(guó)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(yàn)證先進(jìn)技術(shù)。

高能束流表面工程技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)新型武器零部件的性能、可靠性和使用壽命要求越來(lái)越苛刻，以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，未來(lái)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車(chē)率要達(dá)到0.01‰～0.06‰飛行小時(shí)，民用發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到0.002‰～0.02‰飛行小時(shí)，同時(shí)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)出口溫度將達(dá)到650℃，渦輪進(jìn)口溫度將達(dá)到1650～1750℃，熱端壽命為5000次循環(huán)，為達(dá)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(duì)零部件進(jìn)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(lèi)：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(qiáng)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(qiáng)化方面，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)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(dòng)機(jī)葉片上，通用電氣公司自1997年直到目前累計(jì)強(qiáng)化葉片100000片以上，提高葉片高周疲勞壽命5～6倍，截至2008年年底，波音公司和空客公司的寬弦風(fēng)扇葉片強(qiáng)化數(shù)量超過(guò)35000片。在離子注入方面，美歐國(guó)家已實(shí)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(jī)葉片，使葉片的疲勞強(qiáng)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(hù)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(hù)薄膜已應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)彈及衛(wèi)星上，作為激光防護(hù)膜應(yīng)用于飛機(jī)及導(dǎo)彈制導(dǎo)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(guó)古德里奇公司在直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸上沉積了一層摻碳化鎢類(lèi)金剛石薄膜，使用壽命提高4倍以上， 普惠公司開(kāi)發(fā)了多層梯度TiN薄膜，在JT9D壓氣機(jī)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(yán)涂層、隱身涂層、防護(hù)涂層。在熱障涂層方面，主要發(fā)展新元素?fù)诫s和新型復(fù)合工藝制備隔熱溫度更高的長(zhǎng)壽命熱障涂層，如：美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的研究表明，在1400℃時(shí)，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(guó)研發(fā)了可以大幅度降低涂層熱導(dǎo)率的離子束輔助EBPVD沉積熱障涂層技術(shù)。在封嚴(yán)涂層方面，正在進(jìn)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(kāi)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(guó)Sulzer Plasma Technik公司研制的可磨耗陶瓷基封嚴(yán)涂層最高使用溫度已達(dá)1300℃；目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)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(shí)以上。在防護(hù)涂層方面，冷噴涂技術(shù)已在航空領(lǐng)域應(yīng)用已嶄露頭角，其主要特點(diǎn)是噴射溫度低于被噴射材料的熔化和軟化溫度。美國(guó)多家公司利用該技術(shù)生產(chǎn)飛機(jī)用的新型韌性涂層，美歐已將該技術(shù)應(yīng)用與發(fā)動(dòng)機(jī)鎂合金附件機(jī)匣防腐涂層制備上。在隱身涂層方面，雷達(dá)波及紅外隱身涂層已逐步使用在各類(lèi)飛行器上，并逐步采用新工藝新技術(shù)向“薄、輕、寬”涂層和復(fù)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(chǎng)與品質(zhì)、材料冶金、結(jié)構(gòu)力學(xué)、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等多學(xué)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(guò)程的自動(dòng)化和智能化、虛擬制造、復(fù)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(shí)隨著其在航空領(lǐng)域及其他領(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(guó)航空事業(yè)和其他軍工領(lǐng)域的進(jìn)步做出更大貢獻(xiàn)。