應(yīng)用于航空領(lǐng)域的金屬高性能增材制造技術(shù)

林　鑫，黃衛(wèi)東

(西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

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應(yīng)用于航空領(lǐng)域的金屬高性能增材制造技術(shù)

林鑫，黃衛(wèi)東

(西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

摘要：金屬高性能增材制造技術(shù)主要包含以激光立體成形技術(shù)為代表的同步送粉(送絲)高能束(激光、電子束、電弧等)熔覆技術(shù)和以選區(qū)激光熔化技術(shù)為代表的粉末床成形技術(shù)兩個(gè)技術(shù)方向，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金屬構(gòu)件的無(wú)模具、快速、自由實(shí)體近凈成形，同時(shí)確保成形構(gòu)件的力學(xué)性能優(yōu)于鑄件，接近、甚至與鍛件相當(dāng)。這使得金屬高性能增材制造技術(shù)成為了航空高性能復(fù)雜構(gòu)件制造的重要技術(shù)途徑，也為提升先進(jìn)飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效能，實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)先的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了重要條件。評(píng)述了金屬增材制造技術(shù)的技術(shù)特征及其典型成形件的力學(xué)性能，并對(duì)目前國(guó)內(nèi)外金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了較為全面的分析，探討了金屬增材制造在航空領(lǐng)域應(yīng)用所存在的問題，并指出了目前航空領(lǐng)域應(yīng)用金屬增材制造所具有的主要效益。

關(guān)鍵詞：增材制造；航空；金屬；高性能

1前言

先進(jìn)飛機(jī)的設(shè)計(jì)、材料與制造技術(shù)對(duì)于國(guó)防工業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵性的作用，先進(jìn)的航空制造技術(shù)是體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家科技水平、軍事實(shí)力和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志之一。

隨著航空科技的迅速發(fā)展，面對(duì)不斷提高的國(guó)防建設(shè)要求，新一代飛機(jī)必須滿足超高速、高空、長(zhǎng)航時(shí)、超遠(yuǎn)航程的需求。為了提高飛機(jī)的可靠性，先進(jìn)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越多地增加鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)鋁合金和超高強(qiáng)度鋼等高強(qiáng)度合金的用量，且結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，加工精度要求越來(lái)越高，對(duì)制造工藝提出了更高的要求。需要指出的是，通常高強(qiáng)度合金的熱加工和機(jī)械加工都很困難，飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)中復(fù)雜高強(qiáng)度合金構(gòu)件用量的增加，導(dǎo)致了高強(qiáng)度合金大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件和精密復(fù)雜構(gòu)件的制造尤其困難，成為先進(jìn)飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的瓶頸之一，同時(shí)也對(duì)現(xiàn)有制造技術(shù)能力提出了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。金屬高性能增材制造技術(shù)，由于能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的無(wú)模具、快速、全致密近凈成形，成為了應(yīng)對(duì)飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域技術(shù)挑戰(zhàn)的最佳新技術(shù)途徑。同時(shí)，金屬高性能增材制造技術(shù)所具有的自由實(shí)體成形特征，也為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的輕量化、緊湊性和多功能設(shè)計(jì)，提升飛機(jī)設(shè)計(jì)和研發(fā)效率創(chuàng)造了重要條件。

2金屬增材制造技術(shù)的技術(shù)特征

誕生于20世紀(jì)80年代末期的增材制造技術(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無(wú)限豐富的個(gè)性化需求。因此，增材制造技術(shù)應(yīng)該被稱之為信息化增材制造技術(shù)或數(shù)字化增材制造技術(shù)。

金屬高性能增材制造技術(shù)主要包含以激光立體成形技術(shù)(Laser Solid Forming, LSF)[1]為代表的同步送粉(送絲)高能束(激光、電子束、電弧等)熔覆技術(shù)，和以選區(qū)激光熔化技術(shù)(Selective Laser Melting, SLM)[2]為代表的粉末床成形技術(shù)兩個(gè)技術(shù)方向。對(duì)于以同步材料送進(jìn)為主要技術(shù)特征的激光立體成形技術(shù)(LSF)，LSF技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能與鍛件相當(dāng)?shù)膹?fù)雜高性能構(gòu)件的高效率制造(可達(dá)kg/h)，并且成形尺寸基本不受限制(取決于設(shè)備運(yùn)動(dòng)幅面)，同時(shí)LSF技術(shù)所具有的同步材料送進(jìn)特征，還可以實(shí)現(xiàn)同一構(gòu)件上多材料的任意復(fù)合和梯度結(jié)構(gòu)制造，方便地進(jìn)行新型合金設(shè)計(jì)，并可用于損傷構(gòu)件的高性能成形修復(fù)。SLM技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能優(yōu)于鑄件的高復(fù)雜性構(gòu)件的直接制造，但是通常成形尺寸較小，只能進(jìn)行單種材料的直接成形，目前成熟的商用化裝備的成形尺寸一般小于300 mm。另外，SLM技術(shù)的沉積效率要比LSF技術(shù)低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，但成形件的復(fù)雜性基本不受限制。需要指出的是，以同步材料送進(jìn)為主要技術(shù)特征的LSF技術(shù)還可方便地同傳統(tǒng)的加工技術(shù)，如鍛造、鑄造、機(jī)械加工或電化學(xué)加工等等材或減材加工技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮各種增材與等材及減材加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，形成金屬結(jié)構(gòu)件的整體高性能、高效率、低成本成形和修復(fù)新技術(shù)。

金屬增材制造除了采用激光作為載能束外，也可以采用電子束和電弧等載能束進(jìn)行增材制造，如電子束自由成形制造技術(shù)(Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3)[3]、電子束熔化成形技術(shù)(Electron Beam Melting，EBM)[4]以及電弧增材制造(Wire + Arc Additive Manufacture , WAAM)[5]。除了EBM采用與SLM相似的粉末床熔化成形方法外，EBF3和WAAM都是基于絲材送進(jìn)的增材成形技術(shù)。這意味著，相比LSF技術(shù)，采用EBF3和WAAM制造時(shí)，沉積效率可以得到顯著提高，但是成形精度和成形復(fù)雜性將會(huì)有所下降。其中，由于產(chǎn)生電弧的焊接方法眾多，因此WAAM所涉及的方法眾多，同時(shí)，制造成本相比其他增材制造方法顯著降低。

表1分別給出了LSF制造典型鈦合金、鎳基高溫合金及鋼的室溫拉伸力學(xué)性能。其中Ti-6Al-4V(TC4)鈦合金和Inconel718鎳基高溫合金，作為目前應(yīng)用最為廣泛的合金，目前的研究相比其他合金更為成熟，無(wú)論是拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度還是延伸率，普遍滿足鍛件標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，LSF構(gòu)件的高周疲勞性能與退火態(tài)鍛件的性能基本相當(dāng)，但是中低周疲勞性能稍低，這應(yīng)與LSF構(gòu)件所具有的獨(dú)特組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)：晶粒粗大但晶內(nèi)組織細(xì)小。

表1　LSF典型合金的室溫力學(xué)性能[6]

表2給出了SLM成形的Ti-6Al-4V鈦合金和Inconel718鎳基高溫合金的室溫拉伸力學(xué)性能。與LSF構(gòu)件相似，SLM成形的Ti-6Al-4V鈦合金和Inconel718鎳基高溫合金的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率同樣滿足鍛件標(biāo)準(zhǔn)。需要指出的是，由于SLM成形件難以完全消除孔洞，使得SLM成形件的延伸率要比LSF構(gòu)件稍低，這也將導(dǎo)致SLM成形件的疲勞性能要明顯低于LSF構(gòu)件及鍛件。

表2　SLM典型合金的室溫力學(xué)性能[7-8]

需要指出的是，目前激光增材制造對(duì)于鋁、鎂等一類低熔點(diǎn)高活性合金的成熟度還較低，較為成功的案例主要集中于AlSi10Mg合金的SLM成形。AlSi10Mg合金相當(dāng)于我國(guó)的ZL104合金。表3給出了SLM成形AlSi10Mg合金的力學(xué)性能。可以看到，SLM成形AlSi10Mg合金的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于鑄造ZL104合金T6態(tài)的力學(xué)性能。這一方面來(lái)源于SLM成形過程中AlSi10Mg合金的沉積組織相比鑄態(tài)合金會(huì)顯著細(xì)化，同時(shí)SLM成形過程中激光多層往復(fù)沉積的再熱處理也使得合金在成形的同時(shí)還經(jīng)受了充分的時(shí)效處理。

表3　SLM AlSi10Mg合金的室溫力學(xué)性能[9]

表4給出了采用EBF3、EBM和WAAM所成形的Ti-6Al-4V合金的室溫力學(xué)性能。可以看到，采用這些方法所成形的試件的室溫靜載力學(xué)性能同樣與鍛件相當(dāng)，不過相比LSF和SLM所成形的Ti-6Al-4V合金性能有所降低。

表4　增材制造Ti-6Al-4V合金的室溫力學(xué)性能[5,10-11]

需要指出的是，目前金屬增材制造所采用的合金大多是傳統(tǒng)的鑄造合金或鍛造合金，所采用的熱處理制度大多數(shù)是沿用傳統(tǒng)鑄件和鍛件的熱處理制度。而金屬增材制造的工藝特性決定了其組織和合金化特征必然與傳統(tǒng)的鑄件和鍛件具有較大差別，使得這些合金的設(shè)計(jì)及熱處理制度通常無(wú)法充分發(fā)揮金屬增材制造構(gòu)件的力學(xué)性能，因此發(fā)展金屬增材制造專用合金勢(shì)在必行。

3金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

金屬零件的直接增材制造的技術(shù)構(gòu)思，是由美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心(United Technologies Research Center , UTRC)在1979年首先提出的[12]，其應(yīng)用對(duì)象就是針對(duì)航空制造領(lǐng)域，并且是航空核心部件——航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤。自20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)Boeing飛機(jī)公司、Lockheed Martin公司、GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司、Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Los Alomos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、歐洲航空防務(wù)與航天公司(EADS)公司、英國(guó)羅爾斯-羅伊斯(Rolls-Royce)公司、法國(guó)賽峰(SAFRAN)公司、意大利AVIO公司、加拿大國(guó)家研究院、澳大利亞國(guó)家科學(xué)研究中心等大型公司和國(guó)家研究機(jī)構(gòu)都已開始對(duì)金屬增材制造技術(shù)及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究工作。參與這項(xiàng)研究的世界著名大學(xué)更是數(shù)不勝數(shù)。

1994年以來(lái)，國(guó)際三大航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司之一的英國(guó)Rolls-Royce公司開始通過英國(guó)Cranfield大學(xué)探索航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的WAAM技術(shù)[13]。不過直到2000年，美國(guó)Boeing公司才首先宣布采用LSF技術(shù)制造的3個(gè)鈦合金零件在F-22和F/A-l8E/F飛機(jī)上獲得應(yīng)用。美國(guó)SAE協(xié)會(huì)于2001年制定了Ti-6Al-4V合金LSF成形的美國(guó)航空材料標(biāo)準(zhǔn)AMS4999(該標(biāo)準(zhǔn)在2011年進(jìn)行了修訂AMS499A)[14],這個(gè)事件在全球掀起了金屬零件直接增材制造的第一次熱潮。值得注意的是，在增材制造技術(shù)發(fā)展的早期，美國(guó)軍方就已對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展給予了相當(dāng)?shù)年P(guān)注，在其直接支持下，美國(guó)于2000年率先將這一先進(jìn)技術(shù)實(shí)用化。應(yīng)用目標(biāo)包括先進(jìn)飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)件如鈦合金支架、吊耳、框、梁等，航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件如鎳基高溫合金單晶葉片等[1]。

除了LSF技術(shù)，EBF3技術(shù)在航空制造的應(yīng)用前景也在逐漸顯現(xiàn)。2001年以來(lái)，美國(guó)Sciaky 公司聯(lián)合Lockheed Martin和Boeing 公司開展了大型航空鈦合金零件的EBF3制造研究[15]。近期，美國(guó)Sciaky 公司采用EBF3技術(shù)以及與鍛件結(jié)合的組合制造技術(shù)已經(jīng)為L(zhǎng)ockheed Martin 公司制造了F-35 聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)的垂尾、襟翼副梁和F-14噴氣戰(zhàn)斗機(jī)的翼盒等，采用這項(xiàng)技術(shù)后，預(yù)期零件成本可降低30%～60%。據(jù)報(bào)道，裝有EBF3成形鈦合金零件的F-35 飛機(jī)已于2013 年初試飛。

目前，美國(guó)Boeing公司針對(duì)增材制造在航空制造方面的應(yīng)用已走在世界前列。Boeing公司已在X-45、X-50無(wú)人機(jī)、F-18、F-22戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目中應(yīng)用了聚合物增材制造和金屬增材制造技術(shù)。Boeing目前已制定了一套為增材制造項(xiàng)目量身定做的技術(shù)成熟度等級(jí)指南。而Lockheed Martin 公司也宣稱，已在F-35II型戰(zhàn)斗機(jī)上應(yīng)用了900多個(gè)增材制造的零件[16]。不過，需要指出的是，目前Boeing和Lockheed Martin公司在飛機(jī)上裝機(jī)應(yīng)用的增材制造零件主要還是非結(jié)構(gòu)件。

在歐洲，Air Bus公司也于2006年啟動(dòng)了集成機(jī)翼計(jì)劃，并開展了起落架金屬增材制造技術(shù)研發(fā)工作。Air Bus公司對(duì)于增材制造技術(shù)最感興趣的地方還在于這項(xiàng)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的引領(lǐng)。Air Bus公司通過對(duì)飛機(jī)短艙鉸鏈進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，使最終制造的零件減重60%，并解決了原有設(shè)計(jì)所存在的使用過程中高應(yīng)力集中問題。2014年3月，Air Bus公司基于西北工業(yè)大學(xué)在大型鈦合金構(gòu)件LSF制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，與西北工業(yè)大學(xué)簽訂了基于大型鈦合金構(gòu)件激光立體成形合作框架協(xié)議，開始系統(tǒng)論證采用LSF技術(shù)制造個(gè)別飛機(jī)零部件，甚至更大的機(jī)體結(jié)構(gòu)件，以及將激光立體成形技術(shù)作為飛機(jī)備件解決方案的可行性[17]。除了Air Bus公司，英國(guó)宇航系統(tǒng)公司(BAE)目前還在與英國(guó)Cranfield大學(xué)合作，開展飛機(jī)大型翼身結(jié)構(gòu)的WAAM制造[18]。

我國(guó)開展航空制造領(lǐng)域增材制造技術(shù)和應(yīng)用研究最具代表性的單位主要是西北工業(yè)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)。西北工業(yè)大學(xué)于1995年開始在國(guó)內(nèi)率先提出以獲得極高(相當(dāng)于鍛件)性能構(gòu)件為目標(biāo)的激光增材制造的技術(shù)構(gòu)思，并在迄今近20年的時(shí)間里持續(xù)進(jìn)行了LSF技術(shù)的系統(tǒng)化研究工作，形成了包括材料、工藝、裝備和應(yīng)用技術(shù)在內(nèi)的完整的技術(shù)體系，并在多個(gè)型號(hào)飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得了廣泛的裝機(jī)應(yīng)用。圖1展示了西北工業(yè)大學(xué)采用LSF技術(shù)制造的長(zhǎng)達(dá)～3 010 mm的C919 飛機(jī)鈦合金中央翼1#肋緣條。除了LSF技術(shù)，西北工業(yè)大學(xué)同時(shí)也開展了SLM研究工作，重點(diǎn)針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和航天飛行器小型精密零件的成形。北京航空航天大學(xué)則重點(diǎn)研究飛機(jī)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的LSF技術(shù)，為我國(guó)軍用飛機(jī)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的激光立體成形做了大量研發(fā)工作，并已經(jīng)在多個(gè)型號(hào)中獲得應(yīng)用(圖2)。除了激光增材制造技術(shù)，北京航空制造工程研究所也正在探索基于電子束的EBF3技術(shù)在我國(guó)軍機(jī)上應(yīng)用的可能性。

需要指出的是，在促進(jìn)直接增材制造在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用方面，美國(guó)GE公司已走在國(guó)際前列[19]。美國(guó)GE公司基于其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高端零件直接制造的需求，通過收購(gòu)美國(guó)Morris公司和意大利Avio公司，重點(diǎn)開展了航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的SLM和EBM制造研究和相關(guān)測(cè)試。2013年底，GE公司宣布，將采用SLM技術(shù)為其下一代的GE Leap發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)噴油嘴，每年的產(chǎn)量將達(dá)到40 000支。GE公司發(fā)現(xiàn)，采用SLM技術(shù)生產(chǎn)噴嘴，生產(chǎn)周期可縮短2/3，生產(chǎn)成本降低50%，同時(shí)可靠性得到了大大的提高。除此之外，GE公司也非常注重通過金屬增材制造技術(shù)充分發(fā)揮構(gòu)件的設(shè)計(jì)效能。GE公司通過GRABCAD協(xié)會(huì)舉辦了一次基于金屬直接增材制造技術(shù)鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)支架的再設(shè)計(jì)大賽，共有56個(gè)國(guó)家的近700種設(shè)計(jì)參賽，其中冠軍設(shè)計(jì)將支架的重量從原設(shè)計(jì)的2.033 kg減輕到了327 g，減重達(dá)84%。GE公司同時(shí)也在探索采用基于同步材料送進(jìn)技術(shù)的LSF技術(shù)生產(chǎn)高性能致密航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件。目前GE公司正在依托西北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行復(fù)合材料寬弦風(fēng)扇葉片鈦合金和高溫合金進(jìn)氣邊LSF工藝方案的優(yōu)化和驗(yàn)證。目前GE公司已擁有各類金屬直接增材制造裝備300多臺(tái)套，他們預(yù)計(jì)采用金屬直接增材制造的零件，未來(lái)將可使每臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)減重454 kg。

圖1　LSF制造的C919大型客機(jī)中央翼肋緣條Fig.1　C919 aircraft central wing rib by LSF

圖2　采用LSF制造的飛機(jī)加強(qiáng)框Fig.2　Aircraft frame by LSF

最近，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)正式批準(zhǔn)了GE公司采用SLM制造的一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器殼體(圖3)應(yīng)用于GE-9X系列商用發(fā)動(dòng)機(jī)。這必將為推進(jìn)金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用起到重要引領(lǐng)作用。

圖3　采用SLM技術(shù)制造的GE-9X系列發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器殼體Fig.3　The SLMed housing for the T25 sensor in GE-9X aero engine

除了直接制造航空零件外，采用增材制造技術(shù)對(duì)航空零件進(jìn)行快速修復(fù)，以及將增材制造與傳統(tǒng)的鑄、鍛和機(jī)械加工相結(jié)合形成組合制造技術(shù)以提高零件的成形精度和效率也是目前航空制造領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展亮點(diǎn)。

美國(guó)已將LSF技術(shù)用于飛機(jī)以及陸基和?；到y(tǒng)零部件的修復(fù)。國(guó)內(nèi)，西北工業(yè)大學(xué)基于LSF技術(shù)開展了系統(tǒng)的激光成形修復(fù)的研究與應(yīng)用工作，已經(jīng)針對(duì)航空零件的激光成形修復(fù)工藝及組織性能控制一體化技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并在多種型號(hào)飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和航天飛行器重要關(guān)鍵零件的修復(fù)中獲得廣泛應(yīng)用。在組合制造方面，國(guó)內(nèi)外都在探索將LSF或EBF3技術(shù)與傳統(tǒng)的鑄造、鍛造、機(jī)械加工和電加工相結(jié)合，以克服增材制造固有的精度/效率矛盾，實(shí)現(xiàn)航空復(fù)雜構(gòu)件的快速高精度制造。

4結(jié)語(yǔ)

金屬高性能增材制造技術(shù)作為一種兼顧精確成形和高性能成形需求的一體化制造技術(shù)，已經(jīng)在航空制造領(lǐng)域顯示了廣闊和重要的應(yīng)用前景。但是，相比于傳統(tǒng)鑄鍛等熱加工技術(shù)和機(jī)械加工等冷加工技術(shù)，金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展歷史畢竟僅有近30年，其技術(shù)成熟度相比傳統(tǒng)技術(shù)還有很大差距。特別是金屬增材制造專用合金開發(fā)的滯后、金屬增材制造構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)方法的不完善以及相關(guān)金屬增材制造技術(shù)系統(tǒng)化標(biāo)準(zhǔn)的缺乏，在很大程度上制約了金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。除此之外，金屬增材制造合金的力學(xué)性能和成形幾何精度控制也遠(yuǎn)未達(dá)到理想狀態(tài)，這一方面來(lái)自于對(duì)這些合金在金屬增材制造和后續(xù)熱處理過程中的成形和成性機(jī)理的研究和認(rèn)識(shí)不夠系統(tǒng)深入，另一方面來(lái)自于對(duì)金屬增材制造過程的控制不夠精細(xì)。這也意味著，對(duì)于金屬增材制造技術(shù)，仍有大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究工作有待進(jìn)一步的完善。

盡管如此，隨著金屬高性能增材制造技術(shù)的發(fā)展，金屬增材制造所具有的高性能自由實(shí)體近凈成形的技術(shù)特征，已經(jīng)開始為航空技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)源源不斷的效益：

(1)實(shí)現(xiàn)新型飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的快速研發(fā)；

(2)顯著減輕結(jié)構(gòu)重量；

(3)顯著節(jié)約昂貴的航空戰(zhàn)略金屬材料；

(4)制造一些過去無(wú)法實(shí)現(xiàn)的航空功能結(jié)構(gòu)，顯著提升航空構(gòu)件的效能；

(5)通過組合制造技術(shù)改造提升傳統(tǒng)航空制造技術(shù)；

(6)基于金屬增材制造的高性能修復(fù)技術(shù)保證航空構(gòu)件的全壽命期的質(zhì)量與成本。

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(編輯惠瓊)

第一作者：林鑫，男，1973年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email: xlin@nwpu.edu.cn

High Performance Metal Additive Manufacturing TechnologyApplied in Aviation Field

LIN Xin, HUANG Weidong

(State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Abstract：High performance metal additive manufacturing(MAM) technology mainly includes the high energy beam (laser, electron beam, arc, etc.) cladding/melting methods with the synchronous powder or wire feeding, in which laser solid forming is as the representative, and powder bed fusion methods with laser or electron, in which selective laser melting is as the representative. Through metal additive manufacturing, the complex structural parts can be free-form near-net shaped rapidly without using the mold, meantime, the mechanical properties of the MAMed parts are superior to those of the cast, near, even equivalent to those of the wrought. These make MAM technology not only become an important manufacturing approach for high performance complex aviation component, but also be able to enhance the design effectiveness of advanced aircraft and aero engine, and realize the optimized design of aviation structural part based on the functional priority. In present work, the technical characteristics of typical MAM technology and the mechanical properties of typical MAMed parts were reviewed, and the current applications of MAM technology on the aviation field were analyzed, the problems for the applications of MAM technology on the aviation field were also discussed, finally, the major benefits for the applications of MAM technology on the aviation field were pointed out.

Key words：additive manufacturing; aviation; metallic; high performance

中圖分類號(hào)：O532.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962(2015)09-0684-05

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.09.06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51323008，51105311, 51271213)；科技部973計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB610402)；科技部863項(xiàng)目(2013AA031103)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20116102110016)；中國(guó)高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃項(xiàng)目(08040)

收稿日期：2015-07-15