金屬材料增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景分析

陳濟(jì)輪，董 鵬，張 昆，何京文，梁曉康

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

增材制造技術(shù)是制造技術(shù)原理的一次革命性突破，它形成了最能代表信息化時(shí)代特征的制造技術(shù)，即以信息技術(shù)為支撐，以柔性化的產(chǎn)品制造方式最大限度地滿足個(gè)性化需求。增材制造技術(shù)的基本原理是：先將零件三維圖形離散劃分成一系列薄片（切片過程)，再利用2D制造工藝依次制作這些薄片，并逐層疊加（生長)獲得最終的3D零件，所以增材制造技術(shù)又被形象地稱為"3D打印"[1]。

根據(jù)熱源不同，金屬材料的增材制造技術(shù)可分為高能束增材制造技術(shù)、電弧增材制造技術(shù)及其他增材制造技術(shù)。其中，基于激光束、電子束為熱源的高能束熔化金屬材料的增材制造技術(shù)在航空航天型號(hào)研制及生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用性最好，一直以來受到了國內(nèi)外航空航天、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的高度關(guān)注。

目前，金屬材料增材制造技術(shù)已得到歐美等發(fā)達(dá)國家政府、大企業(yè)及研究結(jié)構(gòu)的高度重視。作為美國制造業(yè)振興計(jì)劃"We can't wait"項(xiàng)目的一部分，美國政府于2012年8月高調(diào)宣布成立國家增材制造創(chuàng)新研究所（National Additive Manufacturing Innovation Institute，NAMII)，強(qiáng)化美國制造業(yè)。 空客、波音、洛克希德-馬丁、歐洲防務(wù)公司EADS、GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)、Sandia國家實(shí)驗(yàn)室、Los Alomos國家實(shí)驗(yàn)室、羅-羅等大型航空航天制造企業(yè)和國家研究機(jī)構(gòu)都對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用開展了大量的研究工作。美國軍方對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展也給予了相當(dāng)?shù)年P(guān)注，在其直接支持下，美國率先將這一先進(jìn)技術(shù)實(shí)用化，應(yīng)用目標(biāo)包括戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、超音速飛行器的薄壁結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)彈控制艙外殼座、導(dǎo)彈姿控系統(tǒng)燃燒室及鈦合金支架、框、梁等承力構(gòu)件的快速制造。國內(nèi)部分高校及研究機(jī)構(gòu)也正在從事增材制造技術(shù)方面的應(yīng)用研究工作，并取得了較好的成效，尤其是在航空工業(yè)領(lǐng)域，激光增材制造技術(shù)解決了新型號(hào)研制中的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了成功的工程應(yīng)用。

1 增材制造技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 激光增材制造技術(shù)

激光增材制造技術(shù)是利用激光束按CAD圖形數(shù)據(jù)將金屬（或合金)粉末/絲材快速熔化，逐層"堆積"成各種形狀復(fù)雜、致密度接近100%的金屬零件的工藝過程，具有加工效率高、無需工裝、模具直接成形難加工金屬材料構(gòu)件的特點(diǎn)。根據(jù)粉末放置方式及激光與粉末相互作用的不同，可分為基于同軸送粉的激光直接制造 （Direct Laser Fabrication，DLF)、基于粉床鋪粉的激光選區(qū)熔化制造（Selective Laser Melting，SLM)和基于旁軸送粉粉末的激光熔覆（Laser Cladding，LC)等。

1.1.1 激光直接制造技術(shù)（DLF)

激光直接制造技術(shù)是借助CAD模型，利用成形控制軟件將模型按一定間距切割成一系列平行薄片，根據(jù)薄片輪廓設(shè)計(jì)出合理的激光掃描軌跡，并轉(zhuǎn)換為CNC工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)指令。激光束在指令控制下掃描基板，并將送粉器同步輸送的金屬粉末材料送入激光熔池，沉積出與切片厚度一致的一層薄片。完成后重復(fù)上述過程，沉積下一層薄片。如此逐層堆積，直至形成具有所需形狀的三維實(shí)體金屬零件。為了防止氧化，上述過程一般應(yīng)在可控的惰性氣體（Ar)氣氛的保護(hù)箱中進(jìn)行。DLF的基本工作原理見圖 1[2-3]。

DLF技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1)借助CAD/CAM快速實(shí)現(xiàn)三維任意形狀型面結(jié)構(gòu)件的整體近凈成形。

（2)能實(shí)現(xiàn)鈦合金、高溫合金等難加工材料及金屬間化合物、稀有金屬材料等整體零件的快速成形。

（3)生產(chǎn)效率高，能大大縮短難加工材料復(fù)雜型面大型結(jié)構(gòu)件的制造周期，適合新型號(hào)、新產(chǎn)品研制的快速響應(yīng)要求。

（4)可實(shí)現(xiàn)較大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的快速制造，制造精度一般在1～2mm左右。

（5)通過增材送粉器等裝置可實(shí)現(xiàn)梯度材料、金屬基復(fù)合材料的制備，實(shí)現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)的一體化制造。

DLF技術(shù)長期以來一直是激光加工技術(shù)的研究熱點(diǎn)。美國的科研機(jī)構(gòu)在DLF制造技術(shù)與裝備方面較成功。他們不僅成功研制出各種類型的DLF設(shè)備，而且開發(fā)了各種金屬零部件特別是鈦合金、鎳基高溫合金等航空、航天領(lǐng)域廣為應(yīng)用的制造工藝，并對(duì)所制造零部件的組織結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能包括疲勞特性等進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究。結(jié)果表明，DLF技術(shù)不僅能制造大尺寸金屬零部件，且零部件的性能可靠，完全能用于航空、航天領(lǐng)域的零部件制造。圖2是美國某公司利用研制的DLF設(shè)備制造出的金屬零部件。

1.1.2 激光選區(qū)熔化制造技術(shù)（SLM)

激光選區(qū)熔化制造技術(shù)是采用CAD三維設(shè)計(jì)軟件完成零件設(shè)計(jì)，再通過專用快速成形軟件對(duì)模型進(jìn)行切片處理;激光束在計(jì)算機(jī)指令控制下將工作臺(tái)基板表面預(yù)先鋪好的粉末層實(shí)現(xiàn)逐層熔化，沉積出與切片厚度一致的金屬薄層;隨后，工作缸內(nèi)的工作臺(tái)下降一個(gè)切片薄層的厚度，重復(fù)進(jìn)行鋪粉、激光掃描加工處理及工作臺(tái)的下降等工藝流程，直到加工出與模型相一致的致密金屬零件（圖3)。SLM技術(shù)在零件設(shè)計(jì)和圖形切片方面與DLF技術(shù)相同，但在粉末輸送方式上存在差別[4-5]。

SLM技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1)不需鑄?；蝈懩?，采用相應(yīng)的合金粉末就能完成所設(shè)計(jì)金屬零部件的快速制造，零部件的致密度可達(dá)100%。

（2)不存在傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝中復(fù)雜構(gòu)件的加工死角等難題，適合任意復(fù)雜形狀的金屬零部件制造。

（3)材料組織細(xì)小，力學(xué)性能好，制造精度高，精度可達(dá)±20μm。

（4)金屬構(gòu)件最小壁厚可達(dá)120μm，易實(shí)現(xiàn)變壁厚、變截面形狀、帶內(nèi)部流道等復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)件的成形制造。

SLM技術(shù)最初由德國某研究所提出，并在2002年取得實(shí)質(zhì)性的突破。目前，國際上研究SLM技術(shù)的國家主要集中在德國、英國、日本、美國等，世界上的第一臺(tái)商用SLM設(shè)備于2003年由英國MCP集團(tuán)位于德國的分公司MCP-HEK推出。圖4是一組德國某公司采用SLM技術(shù)制造出的典型零件。

1.1.3 激光熔覆技術(shù)（LC)

激光熔覆技術(shù)是采用激光束在選定工件表面上熔覆一層原金屬基體材料或特殊功能材料，以保持或改善已制零件的性能。該技術(shù)主要用于價(jià)格昂貴或生產(chǎn)周期很長的零件或磨損件缺陷的修復(fù)，能達(dá)到或改善零件原基體材料的性能，具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。其工作原理見圖5。

激光熔覆技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：①可實(shí)現(xiàn)特殊梯度功能材料的設(shè)計(jì)與直接制造;②覆層稀釋率低，且能精確控制，覆層的成分與性能主要取決于熔覆材料的成分;③激光熔覆層組織致密，微觀缺陷少，結(jié)合強(qiáng)度高，性能更優(yōu)。

激光熔覆技術(shù)在國外航空領(lǐng)域的易損件、易耗件、疲勞件的快速修復(fù)方面發(fā)揮了重要的作用，尤其是在實(shí)際戰(zhàn)爭中起到了非常重要的作用，被稱之為"戰(zhàn)地醫(yī)院"。英國研究機(jī)構(gòu)用激光熔覆技術(shù)修復(fù)了Trent 500航空發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈，并成功制造出樣件（圖 6)。

1.2 電子束增材制造技術(shù)

圖6 利用LC技術(shù)修復(fù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈

電子束增材制造技術(shù) （Electron Beam Melting，EBM)是根據(jù)三維CAD模型，采取鋪粉或送絲逐層熔化的增量制造方式。制造過程中，在真空（一般為0.01 Pa)環(huán)境下完全熔化，電子束在偏轉(zhuǎn)線圈的控制下,對(duì)需熔化的區(qū)域進(jìn)行高速掃描熔化（最大掃描速度可達(dá)8000 m/s);隨后，基板下降一個(gè)層厚，重復(fù)下層的加工;如此往復(fù)，金屬零件一層層地被加工完成（圖 7)。

圖7 電子束選區(qū)熔化示意圖

真空電子束熔化快速制造技術(shù)（EBM)有以下特點(diǎn)：

（1)借助CAD/CAM快速實(shí)現(xiàn)三維任意形狀型面結(jié)構(gòu)件的整體制造。

（2)能實(shí)現(xiàn)鈦合金、高溫合金等難加工材料及金屬間化合物、高熔點(diǎn)金屬等整體零件的快速制造。

（3)實(shí)現(xiàn)中小型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件的快速制造，制造精度一般在0.2mm左右。

（4)電子束熔化快速制造后的零件表面不存在氧化現(xiàn)象。

1.3 電弧增材制造技術(shù)

電弧送絲增材制造技術(shù) （Wire+Arc Additive Manufacture，WAAM)是采用傳統(tǒng)電弧工藝實(shí)現(xiàn)高性能金屬材料絲材直接成形的新型增材制造技術(shù)之一，具有沉積效率高、成本低等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)高性能高溫合金、鈦合金、鋁合金和高強(qiáng)鋼等大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的快速制造。圖8是電弧增材制造示意圖。

圖8 電弧增材制造示意圖

英國克蘭菲爾德大學(xué)焊接工程研究中心利用電弧送絲堆焊原理為英國飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司勞斯萊斯開發(fā)出形狀金屬沉積技術(shù)（Shaped Metal Deposition，SMD)，同時(shí)對(duì)鈦合金、高溫合金和鋁合金的電弧沉積性能進(jìn)行了研究與評(píng)估。隨后，將其用于飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件的快速制造?？罩锌蛙嚒嫲偷?、英國宇航系統(tǒng)及洛克希德·馬丁英國公司、歐洲導(dǎo)彈生產(chǎn)商MBDA和法國航天企業(yè)Astrium等，均利用電弧送絲增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鈦合金及高強(qiáng)鋼材料的大型結(jié)構(gòu)件的直接制造，大大縮短了大型結(jié)構(gòu)件的研制周期。圖9是采用電弧增材制造技術(shù)制造的典型零件。

圖9 電弧增材制造航空零件

2 增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用需求

2.1 對(duì)激光直接制造技術(shù)的應(yīng)用需求分析

激光直接制造技術(shù)能實(shí)現(xiàn)較大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的快速制造，可提高新型號(hào)研制的快速響應(yīng)能力，有利于實(shí)現(xiàn)"設(shè)計(jì)-工藝-制造"的有效協(xié)同，因此，在鈦合金、高溫合金等難加工材料型面復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用上，有著良好的應(yīng)用背景需求。如控制艙、儀器艙、端框等，一般采用鑄造和鍛造等方法制作坯料，然后進(jìn)行后續(xù)的機(jī)械加工。由于大型結(jié)構(gòu)件鑄造留下的加工余量較大，原材料利用率很低。而激光直接制造技術(shù)能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造，同時(shí)選用的激光器功率較高，生產(chǎn)效率很高，特別適合于航天型號(hào)復(fù)雜型面大型結(jié)構(gòu)件的近凈制造，留下的后續(xù)加工余量很小，原材料利用率很高，可達(dá)90%以上，也能實(shí)現(xiàn)快速研制的要求。

2.2 對(duì)激光選區(qū)熔化制造技術(shù)的應(yīng)用需求分析

由于激光選區(qū)熔化制造技術(shù)具有制造精度高達(dá)0.05mm的優(yōu)點(diǎn)，使其適合于制造型面復(fù)雜的薄壁零件，因此在航天發(fā)動(dòng)機(jī)及裝備型號(hào)輕質(zhì)耐熱結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用上，具有良好的應(yīng)用背景需求。如航天發(fā)動(dòng)機(jī)的葉輪、渦輪殼體等，目前多采用精密鑄造方法，多數(shù)葉輪存在內(nèi)部裂紋，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)后，裂紋會(huì)擴(kuò)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性帶來很大的隱患。采用激光選區(qū)熔化制造技術(shù)能得到無內(nèi)部缺陷的產(chǎn)品，零件的材料性能達(dá)到鈦合金材料鍛件性能水平，滿足航天發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量要求。

2.3 對(duì)激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用需求分析

激光熔覆技術(shù)具有快速修復(fù)、熔覆層厚可精確控制、熔覆層性能主要取決于熔覆材料、微觀缺陷少、結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因此，在航天裝備型號(hào)多種鋁合金鑄件缺陷的高質(zhì)量、快速修復(fù)領(lǐng)域，應(yīng)用發(fā)展?jié)摿薮?。?dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)較大的缺陷后，一般只能作報(bào)廢處理，成本大大增加，且嚴(yán)重影響型號(hào)產(chǎn)品配套周期進(jìn)度。通過激光熔覆可很好地挽救大型、貴重的零件。

2.4 對(duì)電弧送絲增材制造技術(shù)的應(yīng)用需求分析

航天裝備型號(hào)中有較多的框架類結(jié)構(gòu)件，由于鑄造缺陷較多，且鑄造變形較大，難以滿足正常要求，可通過電弧送絲增材制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)制造。

3 結(jié)語

DLF、SLM、LC、EBM、WAAM 等增材制造技術(shù)在航天液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、多種裝備型號(hào)的研制中有著很好的應(yīng)用前景，對(duì)解決航天型號(hào)研制過程中關(guān)鍵零部件的科研生產(chǎn)瓶頸具有重要意義。

[1] 黃衛(wèi)東.激光立體成形 [M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2] Vilaro T，Colin C，Bartout JD，et al.Microstructural and mechanical approaches of the selective lasermelting process applied to a nickel-base superalloy[J].Materials Science and Engineering:A，2012，534：446-451.

[3] Li J，Wang H M.Microstructure and mechanical properties of rapid directionally solidified Ni-base superalloy Rene′41 by laser melting deposition manufacturing[J].Materials Science and Engineering:A，2010，527：4823-4829.

[4] Bartkowiaka K，Ullricha S，F(xiàn)rickb T，et al.New developments of laser processing aluminium alloys via additive manufacturing technique[J].Physics Procedia，2011，12A：393-401.

[5] Buchbinder D，Schleifenbaum H，Heidrich S，et al.High power selective lasermelting(HPSLM)of aluminum parts original research article[J].Physics Procedia，2011，12A：271-278.