選區(qū)激光熔化技術發(fā)展現狀及在民用飛機上的應用*

中國商飛上海飛機制造有限公司 丁紅瑜 孫中剛 初銘強 黃 潔 王豐超

金屬零件的激光增材制造技術（俗稱3D打印）是從20世紀80年代發(fā)展起來的一項先進制造技術。增材制造的基本原理是根據零件的CAD模型進行切片分層處理，采用數控系統(tǒng)控制工作臺按照分層軟件設定的路徑進行掃描，通過激光熔化金屬粉末層層疊加獲得近凈成形零件。

增材制造技術的優(yōu)點主要有：

（1） 增材制造技術可優(yōu)化結構設計，拓展設計人員思路。受傳統(tǒng)制造手段、加工方法的制約，很多優(yōu)秀的設計理念難以實現。而增材制造技術不受產品零件形狀的限制，解除這一限制后可以設計、制造出更輕、受力狀態(tài)更合理的結構件。

（2） 零件精密成形，加工余量小，材料利用率高。采用傳統(tǒng)制造路徑時，大部分材料會被加工去除，成形零件不到毛坯重量的10%，造成了極大的浪費。而增材制造技術是一種近凈成形技術，材料利用率可達90%以上，能有效降低材料成本，增強市場競爭力。

（3） 由于增材制造快速凝固的特點，成形件組織細密、性能優(yōu)異。

（4） 零件生產流程短，工序簡化，節(jié)省了大量加工時間，特別適用于小批量零件生產試制和產品零部件維修更換等需要快速響應的場合。

基于上述優(yōu)點，自增材制造技術問世以來便引起了學術界和工業(yè)界的廣泛關注，并在汽車、模具、航空航天業(yè)等領域獲得了應用，并被認為是第三次工業(yè)革命和工業(yè)4.0時代來臨的代表性革新技術。

金屬零件增材制造技術根據粉末材料的送進方式可分為同軸送粉和粉末床兩種。同軸送粉激光增材制造法又稱直接金屬激光燒結法（Direct Metal Laser Sintering，DMLS），該方法成形效率高，能夠制造大尺寸結構件，工藝開發(fā)時間早，技術比較成熟，但表面精度較差。粉末床工藝又稱選擇性激光熔化法（Selective Laser Melting，SLM），需先鋪粉末再熔覆，成形效率較低，且受粉末床大小限制，成形件尺寸較小。但由于有粉末支撐，能成形異型復雜零件（如懸垂結構、鏤空結構），成形件致密度和外形精度高?；谶@些優(yōu)點，近年來SLM技術逐漸引起了人們的關注。

本文對選區(qū)激光熔化增材制造（SLM）設備、粉末的研制情況、需解決的關鍵技術問題進行了梳理，并對該技術在民用飛機上的應用前景進行了展望。

圖1 EOS公司INT M280設備

SLM設備研究情況

在國外，SLM設備研究主要集中在德國、法國、英國、日本、比利時等國家。德國對SLM技術及設備研究早，技術也比較成熟。第一臺SLM設備由德國MCP公司推出。目前德國EOS公司是全球最大，同時也是技術最領先的激光粉末熔化增材制造成形系統(tǒng)的制造商，目前設備主要有EOSINT M280（圖1）和EOSINT M400兩款。EOSINT M280激光燒結系統(tǒng)采用的是Yb-fibre激光發(fā)射器，高效能、長壽命，光學系統(tǒng)精準度高。M280能成形的零件最大尺寸為250mm×250mm×325mm。而最新推出的EOSINT M400設備選用的激光器功率更高，能成形的結構件尺寸更大，最大尺寸達到400mm×400mm×400mm。德國的EOS公司在國內銷售業(yè)績良好，國內多家單位采購了EOS公司的SLM設備。

在國內，開展SLM設備研制的單位主要有華南理工大學、華中科技大學，武漢光電國家實驗室等[1-5]。其中，華南理工大學在2006年就聯合幾家單位開發(fā)了一套SLM快速成形設備，2014年又在前期的基礎上加以改進，生產出Di-Metal 100型設備，主要參數為：SPI連續(xù)式200W光纖激光器（波長1075nm），光斑直徑50～70μm，最大成形尺寸100mm×100mm×100mm，鋪粉層厚20～50μm，掃描速度5～7000mm/s，成型腔室以Ar或N2保護，含氧量控制在0.1%以下[1-2]。華中科技大學研發(fā)的HRPM-Ⅱ型設備主要參數為：100W連續(xù)模式光纖激光器，采用二維振鏡聚焦，激光定位精度0.02mm，最大掃描速度5m/s，成形速度≥7000mm3/h，鋪粉層厚50～100μm，采用雙缸上送粉方式，最大成形尺寸為250mm×250mm×400mm。該設備在超輕結構復雜件的制備方面有較強的優(yōu)勢[3]。此外，武漢光電國家實驗室也自主研發(fā)了SLM設備，并對該設備的鋪粉裝置、運動控制系統(tǒng)、總體集成技術等進行了深入研究[4-5]，其設備能實現與德國EOS公司設備相對應的功能，且在價格方面具有優(yōu)勢，已經在航天企業(yè)中獲得了應用。

SLM專用金屬粉末研發(fā)情況

SLM技術與粉末冶金技術（Powder Metallurgy，PM）是互相聯系而又有所區(qū)別的兩種技術，共同點在于二者都是從粉末原材料通過加熱致密化制造出相應結構件，區(qū)別主要有兩點：（1）粉末冶金過程中，加熱的同時還要加壓，粉末未完全熔化，而SLM主要通過激光完全熔化粉末進行制造；（2）采用粉末冶金的方法，粉末是一次性放入的，而SLM中的粉末是分多批次逐步加入的。這些區(qū)別導致二者對所用的粉末原材料要求有很大不同。

粉末冶金技術發(fā)展的歷史較為悠久，國內相關行業(yè)標準較為完善，配套粉末生產企業(yè)也比較齊全[6-7]。然而，目前生產SLM專用金屬粉末的主要是國外企業(yè)。其中，德國EOS公司規(guī)定成形所用的粉末材料也必須使用公司的配套產品，否則零件的成形效果就達不到質量要求。而EOS公司的粉末定價高，從國外進口采購周期長且面臨限購、運輸安全等風險。因此，立足國內研究情況，自主生產SLM專用粉末是必要的。在SLM專用粉末的生產方面，國內比較知名的有無錫飛而康快速制造有限公司、西安鉑力特激光成形技術有限公司、西安賽隆金屬材料有限公司、沈陽金屬所等。主要是利用感應熔煉氣體霧化技術生產粉末，并通過篩分獲得不同粒徑大小的產品。整個生產過程需在惰性氣體保護下進行，避免外來雜質污染。

SLM技術在民用飛機上的應用前景

隨著技術進步及人民生活水平的提高，公眾對民用飛機的經濟性、環(huán)保的要求越來越高，這對民用飛機的制造技術提出了更高的要求。減輕飛機結構件的重量能有效降低材料成本和燃油消耗，提升飛機的市場競爭能力。增材制造技術由于能有效改進結構設計，減少材料用量，縮短加工流程而倍受關注。包括波音、空客等大型民用飛機制造商都投入了大量的資金、人力、物力對這一技術進行研究，并已取得了顯著成果，在飛機發(fā)動機、吊掛、襟翼、艙門等部位已有成功的應用。例如：空客公司在A300/A310機上廚房、盥洗室和走廊等連接鉸鏈上應用了增材制造結構件，并在其最新的A350XWB型飛機上應用了Ti-6Al-4V增材制造結構件（如圖2所示），且已通過EASA及FAA的適航認證。GE公司采用增材制造技術制造了Leap噴氣發(fā)動機的金屬燃料噴嘴，通過這一技術，將噴嘴原本20個不同的零部件變成了1個。這樣造出的燃油噴嘴重量更輕，而且能夠承受極端溫度，為該公司節(jié)約了大量成本。近期GE擬采用增材制造技術制造GE9X噴氣發(fā)動機的低壓渦輪，GE9X據稱是“有史以來建造的最先進、最省油的商用飛機發(fā)動機”，這款發(fā)動機將成為波音777客機的下一代——777X客機的驅動引擎，該款機型將于2017年開始生產，并有望在2020年交付首架給客戶。

圖2 空客公司采用SLM技術制造的Ti-6Al-4V結構件

國內在SLM技術的研究上也取得了一定的進展，不過相比之下，其技術的發(fā)展還不夠成熟，要實現在民用飛機上的應用，仍有大量的工作要做，例如解決SLM成形本身的技術問題，研究成形件后續(xù)處理工藝技術，并編制相關標準規(guī)范制度，進行結構件的適航認證等。圖3所示為國內企業(yè)用SLM技術成形的復雜零件。

圖3 國內企業(yè)用SLM技術成形的復雜零件

目前，SLM技術的關鍵工藝技術有兩個：成形過程中粉末的球化現象和制件存在孔隙、裂紋等缺陷問題。球化現象是指在激光成形過程中，金屬熔化后形成大量彼此隔離的金屬球，破壞成形金屬表面質量，嚴重時阻礙鋪粉輥的運動，使成形過程無法繼續(xù)進行下去?？紫兜男纬蓜t使得成形件致密度低，嚴重影響其性能。在SLM成形工藝方面，南京航空航天大學的顧冬冬教授做了很多工作[8-10]，分析了銅基合金、不銹鋼等材料成形時的球化分析機理，提出可通過預熱粉末床，控制激光掃描速度和線能量密度等方式減少球化；此外還研究了銅基合金的孔隙率與加工參數的關系，并指出合理控制能量密度是減少孔隙產生，提高制件性能的關鍵。

由于用SLM技術制造出來的零件表面質量和尺寸精度不能滿足最終使用狀態(tài)要求，因此還需對增材制造結構件進行少量的后處理，如機械加工、熱處理、表面處理等。這就要求對SLM制件的后處理技術進行研究，將其與傳統(tǒng)的鍛件、鑄件的加工性能進行對比，找出合理的工藝參數。

此外，民用飛機還有一個很大的特點，就是所有的材料和制造方法必須經過適航認證才能實現裝機應用，這就要求制定相應的材料規(guī)范和工藝規(guī)范，并向負責適航審定的局方演示，獲得局方的認可，這方面也是國外走在前列[11]。例如： 2013年美國汽車工程師協(xié)會（SAE）制定了Ti-6Al-4V粉末的航空材料標準AMS4998E。2002年SAE制定了直接沉積Ti-6Al-4V產品航空材料標準AMS4999，2011年將其升版為AMS4999A。此外，美國材料測試協(xié)會（ASTM）已發(fā)布兩項有關粉末床熔覆鈦合金的標準，分別為ASTM F2924-14：粉末熔覆床工藝增材制造Ti-6Al-4V標準規(guī)范和ASTM F3001-14：粉末熔覆床工藝增材制造Ti-6Al-4V ELI標準規(guī)范，這些規(guī)范規(guī)定了用于增材制造的粉末、設備及工藝方面的要求。而國內關于SLM標準規(guī)范方面的工作卻仍十分欠缺，國內航空工業(yè)界仍需付出艱辛的努力。

結束語

本文簡要介紹了選區(qū)激光熔化增材制造（SLM）技術的特點和發(fā)展現狀，總結了國內外關于SLM所用的設備、粉末原材料面臨的關鍵技術難題等情況，分析了這項技術在民用飛機上的應用前景，對促進SLM技術在民用飛機上的應用有一定的參考意義。