激光增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

南京航空航天大學(xué)增材制造（3D打?。┭芯克?田宗軍 顧冬冬 沈理達(dá) 謝德巧 王東生

增材制造概念的提出始于20世紀(jì)80年代后期，我國則于90年代初期開始相關(guān)研究。經(jīng)過短短20余年的時(shí)間，這一技術(shù)已取得了飛速發(fā)展，在航空航天、微納制造、生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊[1]。航空航天工業(yè)在20世紀(jì)80年代末開始使用增材制造技術(shù)，最初增材制造在航空制造業(yè)只扮演了快速原型的小角色。而最近的發(fā)展趨勢顯示，這一技術(shù)將在整個(gè)航空航天產(chǎn)業(yè)鏈占據(jù)戰(zhàn)略性的地位。市場調(diào)查公司SmarTech Markets 2014年初發(fā)布的報(bào)告中稱，增材制造在航空航天領(lǐng)域未來10年的產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到12億美元。增材制造技術(shù)之所以能在航空航天領(lǐng)域獲得快速發(fā)展，主要是因?yàn)槠洳粌H在無需模具和鍛造的情況下幫助航空航天企業(yè)制造極其復(fù)雜的零件，一體成形大型承力結(jié)構(gòu)件，減少零部件重量，縮短生產(chǎn)周期，而且能夠減少設(shè)備所需要的零件數(shù)量，從而節(jié)省成本，提高可靠性。

本文在簡要闡述激光增材制造技術(shù)原理和特點(diǎn)基礎(chǔ)上，介紹其在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的主要工藝：激光熔化沉積（Laser Melting Deposition，LMD）技術(shù)、激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)，歸納了增材制造材料體系及其在航空航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用，并探討了激光增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

激光增材制造技術(shù)原理與特點(diǎn)

激光增材制造技術(shù)是一門融合了激光計(jì)算機(jī)軟件、材料、機(jī)械、控制等多學(xué)科知識(shí)的系統(tǒng)性、綜合性技術(shù)。采用離散化手段逐點(diǎn)或逐層“堆積”成形原理，依據(jù)產(chǎn)品三維CAD模型，快速“打印”出產(chǎn)品零件，徹底改變了傳統(tǒng)金屬零件，特別是高性能難加工、構(gòu)型復(fù)雜等金屬零件的加工模式[2]。

激光增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)和功能性金屬部件的快速制造，迄今為止發(fā)展比較成熟的工藝有激光熔化沉積技術(shù)和激光選區(qū)熔化技術(shù)。

1 激光熔化沉積（LMD）

LMD技術(shù)作為激光金屬增材制造技術(shù)的一種典型工藝，是將增材制造的“疊層累加”原理和激光熔覆（Laser Cladding）技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以金屬粉末為加工原料，通過“激光熔化-快速凝固”逐層沉積，從而形成金屬零件的制造技術(shù)。其技術(shù)原理如圖1所示，是利用激光的高能量使得金屬粉末和基材發(fā)生熔化，在基材上形成熔池，熔化的粉末在熔池上方沉積，冷卻凝固后在基材表面形成熔覆層。根據(jù)成形件CAD模型的分層切片信息，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制X、Y工作臺(tái)、Z軸上的激光頭和送粉噴嘴運(yùn)動(dòng)，逐點(diǎn)、逐線、逐層形成具有一定高度和寬度的金屬層，最終成形整個(gè)金屬零件。

2 激光選區(qū)熔化（SLM）

圖1 LMD工作原理

圖2 SLM工作原理

激光選區(qū)熔化技術(shù)是由德國Fraunhofer研究所于1995年最早提出的[3]，它與激光熔化沉積的主要不同點(diǎn)在于激光功率和加工原料供給方式。為了保證金屬粉末材料的快速熔化，SLM技術(shù)需要高功率密度激光器，使光斑聚焦到幾十到幾百微米。其技術(shù)原理如圖2所示，根據(jù)成形件的三維CAD模型的分層切片信息，掃描振鏡控制激光束作用于成形缸內(nèi)的粉末，一層掃描完畢后，活塞缸內(nèi)的活塞下降一個(gè)層厚距離，接著送粉缸上升一個(gè)層厚的距離，鋪粉系統(tǒng)的輥筒鋪展一層厚的粉末沉積于已成形層之上。然后重復(fù)上述兩個(gè)成形過程，直至所有三維CAD模型的切片層全部掃描完畢。這樣，三維CAD模型經(jīng)逐層累積方式可直接成形金屬零件。

3 技術(shù)特點(diǎn)

直接沉積增材制造技術(shù)具有以下特點(diǎn)：無需零件毛坯制備，無需鍛壓模具加工，無需大型或超大型鍛鑄工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)配套設(shè)施；材料利用率高，機(jī)加工量小，數(shù)控機(jī)加工時(shí)間短；生產(chǎn)制造周期短；工序少，工藝簡單，具有高度的柔性與快速反應(yīng)能。另外，采用該技術(shù)還可根據(jù)零件不同部位的工作條件與特殊性能要求實(shí)現(xiàn)梯度材料高性能金屬零件的直接制造，適用于大型結(jié)構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)不是特別復(fù)雜的功能性零件的加工制造。

激光選區(qū)熔化技術(shù)可直接制成終端金屬產(chǎn)品，省掉中間眾多過渡環(huán)節(jié)；零件具有很高的尺寸精度及較好表面質(zhì)量（Ra為 10～30μm）；適合各種復(fù)雜形狀的工件，尤其適合內(nèi)部有復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)、用傳統(tǒng)方法無法制造的復(fù)雜工件；適合單件和小批量復(fù)雜結(jié)構(gòu)件無模、快速響應(yīng)制造[4]。

激光增材制造材料體系及應(yīng)用

1 可用于激光增材制造技術(shù)的航空航天材料

（1）鈦合金。航空航天用鈦合金零件具有超大外形尺寸、成形加工性能差、制造工藝復(fù)雜的特點(diǎn)，且具有多品種、小批量和快速響應(yīng)等要求，給傳統(tǒng)加工帶來了很大的困難，而激光增材制造技術(shù)恰恰可以滿足這些要求。TC4鈦合金在航空航天工業(yè)中主要用于框架、梁、接頭、葉片等部件。該合金具有良好的熱塑性和可焊性，非常適合激光增材制造。此外，激光快速成形出的TA15、TC21、TC18、TC2等鈦合金先進(jìn)飛機(jī)大型整體主承力關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，TC11、TC17、Ti60等鈦合金整體葉盤等航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件也已在飛機(jī)研制和生產(chǎn)中得到成功應(yīng)用[5]。

（2）鋁合金。對于力求減重、降低成本的航空航天領(lǐng)域來講，鋁合金一直是最主要的結(jié)構(gòu)材料之一，特別是飛機(jī)制造業(yè)。然而，鋁合金作為增材制造材料存在工藝難點(diǎn)：導(dǎo)熱性能強(qiáng)、粉材質(zhì)量太輕導(dǎo)致流動(dòng)性太差、過高的反射率。德國Fraunhofer研究所于2013年已經(jīng)成功攻克了該項(xiàng)技術(shù)難題，并且已經(jīng)由EOS和Concept Laser等世界一流金屬三維打印公司進(jìn)行推廣?，F(xiàn)在可進(jìn)行激光3D打印的鋁合金材料有AlSi10Mg、A6061、AlSi12、AlSi12Mg，圖3為SLM技術(shù)成形的輕質(zhì)AlSiMg合金零件[6]。另外，AlSi7Mg、AlSi9Cu3、AlMg4.5Mn4和6061等鋁合金材料也已被研究和應(yīng)用。

（3）銅合金。銅合金具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能和較好的耐磨與減磨性能，是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及其他零件內(nèi)襯的理想材料。然而，這種屬性卻給銅合金增材制造帶來挑戰(zhàn)，而且銅粉具有較高的反射率，加上容易被氧化，激光很難連續(xù)熔化銅合金粉末，所以向銅粉里添加元素來改變粉材的熱物特性對于激光增材成形至關(guān)重要。2015年4月，美國NASA工程人員通過3D打印了首個(gè)全尺寸銅合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件，該零件是由NASA格倫研究中心的材料科學(xué)家創(chuàng)造的GRCo-84銅合金制造而成，如圖4所示[7]。

圖3 SLM技術(shù)成形的輕質(zhì)AlSiMg合金零件

圖4 NASA打印的銅合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件

（4）高溫合金。Inconel 718合金中含有鈮和鉬等元素，在700℃時(shí)具有高強(qiáng)度、良好的韌性和耐腐蝕性，常用于汽輪機(jī)和火箭液體燃料中的零部件。此類合金還具有良好的可焊性，無焊后開裂傾向，所以特別適用于激光增材制造。另外, Inconel 625和Inconel 738 也是該系列中被重點(diǎn)研究和應(yīng)用的兩種材料。此外，Inconel 600、Inconel 690和Inconel 713等材料也被用于激光增材制造技術(shù)成形研究中[5]。

（5）Invar合金。Invar合金號(hào)稱金屬之王，物理屬性非常穩(wěn)定，幾乎不會(huì)因?yàn)闇囟鹊臉O端變化而收縮或膨脹，因此，是理想的光學(xué)設(shè)備平臺(tái)和穩(wěn)定性要求比較高的設(shè)備平臺(tái)制造材料，在航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。Goddard太空飛行中心的技術(shù)專家Tim Stephenson與EOS北美公司合作，首次使用激光選區(qū)熔化技術(shù)開發(fā)了Invar合金結(jié)構(gòu)[8]。

（6）其他材料。錸合金、鉬合金、鎢合金、鈦、鉭、釩、梯度功能材料、金屬間化合物等航空航天用材也都逐漸發(fā)展出激光增材制造工藝。

2 具體應(yīng)用

航空航天飛行器越來越先進(jìn)、越來越輕、機(jī)動(dòng)性也越來越好，這對結(jié)構(gòu)件提出了更高的要求：輕量化、整體化、長壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)功能一體化、低成本運(yùn)行。增材制造技術(shù)就是滿足這些要求的“靈丹妙藥”。增材制造在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）大型整體結(jié)構(gòu)件、承力結(jié)構(gòu)件的加工，可縮短加工周期，降低加工成本。為了提高結(jié)構(gòu)效率、減輕結(jié)構(gòu)重量、簡化制造工藝，國內(nèi)外飛行器越來越多地采用大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給制造帶來了極大的困難。目前美國F35的主承力構(gòu)架仍靠幾萬噸級(jí)的水壓機(jī)壓制成形，然后還要進(jìn)行切割削制、打磨，不僅制作周期長，而且浪費(fèi)了大量的原材料，大約70%的鈦合金在加工過程中成為邊角廢料，將來在構(gòu)件組裝時(shí)還要消耗額外的連接材料，導(dǎo)致最終成形的構(gòu)件比增材制造出來的構(gòu)件重將近30%。

圖5 鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框

圖5為北京航空航天大學(xué)在2013年北京科博會(huì)現(xiàn)場展示的“眼鏡式”鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框。與鍛造相比，該鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件的材料利用率提高了5倍、制造周期縮短了2/3、制造成本降低了1/2以上。

（2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，顯著減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)約昂貴的航空材料，降低加工成本。減輕結(jié)構(gòu)重量是航空航天器最重要的技術(shù)需求，傳統(tǒng)制造技術(shù)已經(jīng)接近極限，而高性能增材制造技術(shù)則可以在獲得同樣性能或更高性能的前提下，通過最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來顯著減輕金屬結(jié)構(gòu)件的重量。根據(jù)EADS介紹，飛機(jī)每減重1kg，每年就可以節(jié)省3000美元的燃料費(fèi)用。圖6為EADS公司為空客加工的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的機(jī)翼支架，比使用鑄造的支架減重約40%，而且應(yīng)力分布更加均勻[9]。

圖6 激光3D打?。ㄇ埃┘拌T造的（后）空客機(jī)翼支架

（3）加工復(fù)雜形狀、具有薄壁特征的功能性部件，突破傳統(tǒng)加工技術(shù)帶來的設(shè)計(jì)約束?！爸圃旄淖冊O(shè)計(jì)”將成為可能，增材制造技術(shù)將必然帶來對CAD模型的新的設(shè)計(jì)要求，帶來設(shè)計(jì)方面革命性的變化[10]。新型航空航天器中常需制造出復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)以便于更理想的溫度控制、更優(yōu)化的力學(xué)結(jié)構(gòu)，避免危險(xiǎn)的共振效應(yīng)、同一零件不同部位承受不同的應(yīng)力狀態(tài)。增材制造區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械加工手段，幾乎不受限于零件的形狀，且可以獲得最合理的應(yīng)力分布結(jié)構(gòu)，通過最合理的復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最理想的溫度控制手段，通過不同材料復(fù)合實(shí)現(xiàn)同一零件不同部位的功能需求等。圖7為通用航空公司設(shè)計(jì)的內(nèi)置流道的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。

圖7 內(nèi)置流道的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片

（4）通過激光組合制造技術(shù)改造提升傳統(tǒng)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工。一方面，激光增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料的高性能結(jié)合，可以在鑄造、鍛造和機(jī)械加工等傳統(tǒng)技術(shù)制造出來的零件上任意添加精細(xì)結(jié)構(gòu)，并且使其具有與整體制造相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能；另一方面，激光增材制技術(shù)可以制造毛坯，而后用減材制造的方法進(jìn)行后處理。因此，可以把增材制造技術(shù)成形復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)、直接近凈成形的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)制造技術(shù)高效率、低成本、高精度、優(yōu)良的表面質(zhì)量的優(yōu)勢結(jié)合起來，形成最佳的制造策略，如圖8所示[11]。

圖8 激光增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)組合生產(chǎn)的零件

（5）航空功能性零件的快速修復(fù)。飛機(jī)修復(fù)中常需要更換零部件，僅拆機(jī)時(shí)間就長達(dá)1～3個(gè)月。而利用增材制造將受損部件視為基體增長材料，不僅可以實(shí)現(xiàn)在線修復(fù)，而且修復(fù)后的零件性能仍然可以達(dá)到甚至超過鍛件的標(biāo)準(zhǔn)。以制造成本高昂的整體葉盤為例，近幾年來包括美國GE公司、美國H&R Technology公司、Optomec公司以及德國Fraunhofer研究所在內(nèi)的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)開展了整體葉盤的激光成形修復(fù)技術(shù)研究。2009年3月，作為美國激光修復(fù)技術(shù)商用化推進(jìn)領(lǐng)頭羊的Optomec公司宣稱其采用激光成形修復(fù)技術(shù)修復(fù)的T700整體葉盤通過了軍方的振動(dòng)疲勞驗(yàn)證試驗(yàn)。圖9為Fraunhofer研究所激光增材制造修復(fù)葉片過程[12]。

圖9 激光增材制造修復(fù)葉片

激光增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展和展望

1 研究現(xiàn)狀

依靠自身的技術(shù)特點(diǎn)，激光增材制造技術(shù)在航空航天工業(yè)制造中展現(xiàn)出無與倫比的優(yōu)越性。美國和歐盟等國家開始大力發(fā)展增材制造，以將其應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。2012年8月，美國增材制造創(chuàng)新研究所成立，它聯(lián)合了賓夕法尼亞州、俄亥俄州和弗吉尼亞州的14所大學(xué)、40余家企業(yè)、11家非營利機(jī)構(gòu)和專業(yè)協(xié)會(huì)。歐洲航天局則于2013年10月公布了“驚奇”計(jì)劃，該計(jì)劃將匯集28家機(jī)構(gòu)來開發(fā)新的金屬零部件，新部件要比常規(guī)部件更輕、更堅(jiān)固、更廉價(jià)，旨在“將3D打印帶入金屬時(shí)代”。此外，美國波音公司、Lockheed Martin公司、GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司、Sandia國家實(shí)驗(yàn)室和Los Alomos國家實(shí)驗(yàn)室、歐洲EADS公司、英國Rolls-Royce公司、法國SAFRAN公司、意大利AVIO公司、加拿大國家研究院、澳大利亞國家科學(xué)研究中心等大型公司和國家研究機(jī)構(gòu)都對增材制造在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用開展了大量研究工作。

我國的金屬材料激光增材制造處于世界先進(jìn)水平，但是仍與歐美等發(fā)達(dá)國家存在一定差距。西北工業(yè)大學(xué)[13]、北京航空航天大學(xué)[14]、南京航空航天大學(xué)[15]等團(tuán)隊(duì)針對航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)件高性能、輕量化、整體化、精密成形技術(shù)的迫切需求，開展了鈦合金、高溫合金、超高強(qiáng)度鋼和梯度材料激光立體成形工藝研究，突破了結(jié)構(gòu)件的輕質(zhì)、高剛度、高強(qiáng)度、整體化成形，應(yīng)力變形與冶金質(zhì)量控制，成形件組織性能優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)。

2 挑戰(zhàn)與展望

隨著激光增材制造技術(shù)的發(fā)展，其在航空航天制造領(lǐng)域扮演著愈來愈重要的較色，但是要真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，還有很長的路要走。航空航天工業(yè)制造工藝的特殊性對激光增材制造提出了更高的要求。

（1）進(jìn)行更加深入的機(jī)理研究。激光金屬增材制造的物理、化學(xué)、力學(xué)和材料冶金現(xiàn)象極其復(fù)雜，技術(shù)難度很大，國內(nèi)外對金屬零件激光增材成形內(nèi)部組織形成規(guī)律和內(nèi)部缺陷形成機(jī)理、零件內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律及變形開裂行為等關(guān)鍵基礎(chǔ)問題缺乏深入的認(rèn)識(shí)和研究，而更深入的機(jī)理研究可為工藝優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

（2）優(yōu)化的工藝保證更高的加工質(zhì)量。航空航天工業(yè)高工藝要求對激光增材制造技術(shù)提出更大的挑戰(zhàn)，需擴(kuò)大材料體系、突破零件尺寸來擴(kuò)大激光增材技術(shù)適用范圍，開發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋系統(tǒng)、優(yōu)化設(shè)備和工藝參數(shù)來提高加工精度及表面質(zhì)量。

（3）質(zhì)量檢測新手段和新的加工標(biāo)準(zhǔn)的建立。由于激光增材成形零部件往往形狀非常復(fù)雜，而且在制造的時(shí)候是一體式一次制造完成，因此應(yīng)改進(jìn)傳統(tǒng)的檢測方法以避免對部件造成影響，而新的檢測手段必然會(huì)引起加工標(biāo)準(zhǔn)的變革。

（4）更優(yōu)化的軟件、數(shù)據(jù)庫支持。增材制造成形路徑的規(guī)劃、支撐添加以及數(shù)據(jù)庫參數(shù)支持對加工質(zhì)量和成形效率有著決定性的影響。

（5）激光增材制造技術(shù)和傳統(tǒng)加工技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。將增材制造技術(shù)成形復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)、直接近凈成形的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)制造技術(shù)高效率、低成本、高精度、優(yōu)良的表面質(zhì)量的優(yōu)勢結(jié)合起來，形成最佳的制造策略。

（6）承擔(dān)更多航空航天領(lǐng)域的加工制造。

結(jié)束語

激光增材制造在航空航天領(lǐng)域的研究和應(yīng)用越來越廣泛，在先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，也促進(jìn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的解放和提升，兩者的相互促進(jìn)必將對未來航空航天制造領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

激光增材制造是涉及激光、機(jī)械、數(shù)控、材料等的多學(xué)科交叉新技術(shù)，并且發(fā)展時(shí)間很短，相對于鑄、鍛、焊、粉末冶金、機(jī)械加工等傳統(tǒng)的制造技術(shù)而言，其技術(shù)成熟度還有顯著差距，需要開展系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)研究和工程化研究工作。此外，多團(tuán)隊(duì)的精誠合作也是保障增材制造得以進(jìn)一步發(fā)展的基石，以利于增材制造在航空領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

高速、高機(jī)動(dòng)性、長續(xù)航能力、安全高效低成本運(yùn)行等苛刻服役條件對飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和制造提出了更高要求。增材制造讓飛行器輕量化、整體化、長壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)功能一體化以及低成本運(yùn)行成為可能，而航空航天領(lǐng)域則讓增材制造插上了騰飛的翅膀！

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