大型金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)在航空航天制造中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)

朱忠良　趙凱　郭立杰　楊洋　趙維剛　郝云波　楊萍

摘要：增材制造是一種具有極大潛力的先進(jìn)制造技術(shù)，適合應(yīng)用于要求輕質(zhì)高強(qiáng)的航空航天制造領(lǐng)域。對(duì)不同種類增材制造的原理及其特點(diǎn)進(jìn)行簡單闡述，介紹了增材制造在成形裝備、成形組織與性能調(diào)控、拓?fù)湓O(shè)計(jì)和優(yōu)化、成形過程模擬仿真、熱源規(guī)劃控制軟件、在線檢測與控制、殘余應(yīng)力與裂紋氣孔控制、輔助制造措施等關(guān)鍵技術(shù)方向的研究現(xiàn)狀，列舉大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的增材制造應(yīng)用實(shí)例，探討大型金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)應(yīng)用于航空航天制造存在的問題與發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：增材制造;航空航天;大型金屬構(gòu)件

中圖分類號(hào)：TG457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號(hào)：1001-2303（2020）01-0001-14

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.01

0 前言

增材制造（Additive Manufacturing，AM）是一種新型的、極具潛力的先進(jìn)制造技術(shù)，其與通常的切削加工制造方式不同，其通過逐層增加材料的方式實(shí)現(xiàn)零件的制造[1]。該技術(shù)是一個(gè)多專業(yè)多方向的高度融合體，包含設(shè)計(jì)、仿真、加工、成形工藝、成形軟件、成形過程在線監(jiān)測、智能閉環(huán)控制等內(nèi)容。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，該技術(shù)為非接觸式加工，不受刀具和零件結(jié)構(gòu)的束縛，能夠?qū)崿F(xiàn)薄壁、封閉內(nèi)腔等復(fù)雜零件的制造[2]。增材制造技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)開展了多年的研究，積累了豐富而堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，并在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)逐步開展了有廣度且有深度的工程應(yīng)用。

國內(nèi)外航空航天行業(yè)對(duì)生產(chǎn)制造和加工工藝水平提出的要求越來越高。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造一體化、成本低、研制周期短的航空航天結(jié)構(gòu)件很可能成為未來航空航天部件制造的發(fā)展方向。為適應(yīng)時(shí)代及市場的全新需求，應(yīng)開展增材制造的創(chuàng)新應(yīng)用，積極尋求替代傳統(tǒng)制造的可能性[3]。

1 增材制造技術(shù)原理及特點(diǎn)

通常按照熱源種類、原材料狀態(tài)和成形方式來區(qū)分金屬增材制造技術(shù)。根據(jù)熱源種類的不同，可分為激光增材制造、電子束增材制造和電弧增材制造;根據(jù)原材料狀態(tài)不同，可分為粉末式增材制造和絲材式增材制造;根據(jù)成形方式不同，可分為鋪粉式燒結(jié)成形和送料式熔化成形[4-5]。

1.1 激光增材制造

激光增材制造具有功率密度高、速度快、熱輸入量小等特點(diǎn)[6]，既可應(yīng)用于金屬構(gòu)件整體的直接成形，也可應(yīng)用于金屬構(gòu)件失效或磨損部位的局部修復(fù)。其過程為：（1）對(duì)待加工或待修復(fù)金屬構(gòu)件的三維數(shù)模進(jìn)行分層切片，降維處理，得到各個(gè)平面內(nèi)的坐標(biāo)信息，生成加工軌跡;（2）激光器產(chǎn)生的激光通過光纖傳遞至激光加工頭，經(jīng)過激光加工頭內(nèi)部光學(xué)鏡組的準(zhǔn)直和聚焦形成需求光束質(zhì)量的加工激光;（3）粉末或絲材通過相應(yīng)的送粉器或送絲機(jī)進(jìn)行遞送;（4）在惰性氣氛保護(hù)箱體內(nèi)，利用數(shù)控系統(tǒng)控制運(yùn)動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)激光加工頭按照生成的加工軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)加工激光在同軸或旁軸惰性氣體保護(hù)下對(duì)粉末或絲材進(jìn)行熔化，最終得到高質(zhì)量的金屬構(gòu)件。大型金屬構(gòu)件激光增材制造主要有激光熔覆成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）和激光填絲成形（Laser Metal Wire Deposition，LMWD），相應(yīng)技術(shù)原理分別如圖1、圖2所示。

1.2 電子束增材制造

電子束是一種高能量密度熱源，能量密度能夠達(dá)到100 W/cm2以上，具有功率高、功率調(diào)節(jié)范圍大、能量利用率極高（>90%）、焦距調(diào)節(jié)方便（聚束透鏡）、掃描頻率快（20 kHz）、不受金屬部件材料反射影響等優(yōu)點(diǎn)[9]，使用時(shí)需做好X射線防護(hù)工作。電子束增材制造多應(yīng)用于金屬構(gòu)件或毛坯的直接成形，其過程與激光增材制造過程類似：（1）對(duì)待加工金屬構(gòu)件的三維數(shù)模進(jìn)行分層切片，對(duì)加工軌跡進(jìn)行規(guī)劃;（2）電子槍將電子進(jìn)行加速和聚焦后形成極細(xì)的電子束流;（3）絲材通過送絲機(jī)進(jìn)行遞送;（4）在真空箱體內(nèi)，利用數(shù)控系統(tǒng)控制運(yùn)動(dòng)部分使電子槍按照預(yù)先規(guī)劃的加工軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電子束沖擊到金屬絲材表面，電子的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為熱能，熔化金屬絲材，逐漸沉積，最終實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件或毛坯的成形。大型金屬構(gòu)件電子束增材制造主要為電子束填絲沉積（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3）工藝[10]，其技術(shù)原理如圖3所示。

1.3 電弧增材制造

電弧增材制造技術(shù)（Wire Arc Additive Manufa-cture，WAAM），又稱SMD（Shaped Metal Deposition）利用送絲機(jī)對(duì)絲材進(jìn)行遞送，采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊接（MIG）、鎢極惰性氣體保護(hù)焊接（TIG）以及等離子體焊接電源（PA）等產(chǎn)生的電弧為熱源，在預(yù)先規(guī)劃的加工軌跡下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)熔化絲材，并逐層熔覆，最終成形金屬構(gòu)件[11-14]。電弧增材制造絲材利用率接近100%，成形效率極高，能夠大幅縮短金屬構(gòu)件的加工周期，降低加工成本。大型金屬構(gòu)件電弧增材制造主要有熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）、非熔化極氣體保護(hù)焊（GTAW）和等離子弧焊（PAW），相應(yīng)的技術(shù)原理如圖4所示[15]。與激光和電子束增材制造技術(shù)相比，電弧增材制造不需考慮惰性氣氛保護(hù)箱和真空箱的尺寸限制及附加成本[16]，可以較小成本下實(shí)現(xiàn)大型金屬構(gòu)件的制造成形，但成形件表面較為粗糙，熱輸入量較大，變形較為明顯，后續(xù)需要進(jìn)行機(jī)加工以達(dá)到理想狀態(tài)。

2 增材制造關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 成形裝備

增材制造成形裝備自身的精度及可靠性會(huì)對(duì)金屬構(gòu)件的成形精度及質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，而成形裝備的研制是一個(gè)多學(xué)科多系統(tǒng)的高度集成工程。為研制出高水平智能化的增材制造成形裝備，集成商不僅要具備一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)字控制能力，還要求其對(duì)激光、電子束和電弧的專用技術(shù)具有深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)于材料的工藝特性及檢測技術(shù)等都要有深度研究。目前激光設(shè)備和電子束設(shè)備需設(shè)計(jì)相應(yīng)的惰性氣氛保護(hù)箱和真空箱，使得裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并提高了裝備成本，在一定程度上影響了裝備的市場占有率。

2.1.1 激光增材制造裝備

目前，美國Optomec[17]、韓國InssTek[18]、法國Beam[19]、西安鉑力特[20]、南京煜宸[21]、航天科技集團(tuán)八院149廠等多家公司均已研發(fā)出工業(yè)級(jí)LENS裝備，在市面上發(fā)售并投入使用。國內(nèi)外典型LENS裝備如圖5所示，其主要特性如表1所示。

此外，日本松浦（Matsuura）、日本沙迪克（Sodick）、德國德馬吉（DMG）和日本山崎馬扎克（Mazak）等多家公司均已研發(fā)出增減材復(fù)合機(jī)床[22-23]。

德國DMG Mori 率先將LENS與五軸銑削加工集成在一起，研制出增減材一體化機(jī)床LaserTec 65[24]（見圖6），其能夠?qū)崿F(xiàn)增材制造和高精度切削加工的自由切換，能完成復(fù)雜形狀工件的加工并保證工件表面達(dá)到極高的精度。同時(shí)，LaerTec 65具備工藝監(jiān)測和自適應(yīng)工藝閉環(huán)控制，確保得到成形均勻一致的高質(zhì)量工件。

日本山崎馬扎克（Mazak）的Integrex i-400AM[25]混合多任務(wù)設(shè)備同時(shí)具備金屬增材制造和機(jī)械切削加工的功能（見圖7），能夠進(jìn)行精細(xì)金屬沉積和高速切削的狀態(tài)快速自由切換。根據(jù)用戶實(shí)際需求，設(shè)備可選配多個(gè)高速成形用熔覆頭或高精度成形用熔覆頭，熔覆頭放在刀庫里，根據(jù)加工需要調(diào)取。

激光填絲成形裝備大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，增材制造的零件多為小尺寸試件，主要用于成形表面質(zhì)量和性能的分析，具體工程應(yīng)用的相對(duì)較少。英國GKN航空公司與美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）共同研發(fā)出一臺(tái)絲材激光金屬沉積裝備（見圖8），致力于機(jī)翼翼梁、隔板和框架等大型航空航天鈦合金整體部件的制造[26]。上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院研發(fā)出一臺(tái)同軸送絲激光金屬3D打印機(jī)，其材料利用率極高（將近100%），將會(huì)促進(jìn)修復(fù)再制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[27]。

2.1.2 電子束增材制造裝備

美國西亞基（Sciaky）公司在海軍、空軍、國防部、NASA等機(jī)構(gòu)支持與合作下，開展了EBF3工藝和裝備的研究，并處于國際領(lǐng)先地位[28]。在2014年，該公司開始為商業(yè)市場提供直接交付使用的電子束增材制造系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高效率、低成本的增材加工制造。2016年，該公司研發(fā)了一套基于電子束增材制造系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)制造過程進(jìn)行在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理，能夠有效地提升加工零件的質(zhì)量和性能[29]。西亞基公司的EBAM300是目前市面上最大的EBF3裝備，加工成形范圍約5.8 m，最大制造速度為18 kg/h，如圖9所示。

在國內(nèi)，北京航空制造工程研究所對(duì)EBF3相關(guān)工藝與裝備的研究起步較早，并研發(fā)出國內(nèi)首臺(tái)EBF3裝備。目前，該研究所研發(fā)出真空室46 m3的五軸聯(lián)動(dòng)EBF3裝備，成形空間為1.5 m×0.8 m×3 m，高能束功率15～60 kW，采用雙通道送絲，成形效率高，具備零部件批量生產(chǎn)能力[7]，如圖10所示。

2.1.3 電弧增材制造裝備

近年來，國內(nèi)外諸多高校、企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)搭建了不同形式的WAAM裝備來制造大型金屬構(gòu)件，并開展了相關(guān)的工藝研究。WAAM裝備主要由運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、成形熱源和送絲系統(tǒng)組成;國內(nèi)外采用的WAAM裝備硬件構(gòu)成如表2所示[30]。

增材制造公司Norsk Titanium（NTi）依托其快速等離子沉積的專利技術(shù)，迭代研發(fā)出工業(yè)級(jí)WAAM裝備MERKE IV，如圖11所示。MERKE IV成形空間為900 mm×600 mm×300 mm，成形效率為5～10 kg/h，成形零件與最終使用零件相似度約為80%，成形件力學(xué)性能與鍛件相當(dāng)，能夠滿足航空航天零件嚴(yán)格的使用要求[31]。

2.2 成形組織與性能調(diào)控

2.2.1 激光增材制造

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)激光增材制造成形的不銹鋼、鈦合金、高溫合金等金屬零部件進(jìn)行了深入研究，著重分析了工藝參數(shù)對(duì)成形組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，激光增材制造技術(shù)制造的金屬零件內(nèi)部組織細(xì)小致密，力學(xué)性能與鍛件相當(dāng)[32]。

西北工業(yè)大學(xué)對(duì)TC4、TAl5等鈦合金[33]、Rene88DT、IN718等鎳基高溫合金X337[34]、NiTi合金[35]及Ti/Ni梯度材料[36]等進(jìn)行了大量激光熔化沉積增材制造和修復(fù)工藝、組織結(jié)構(gòu)和性能的研究，并于2012年為大型客機(jī)研制機(jī)翼上下緣條等大型鈦合金構(gòu)件。

唐楊杰等人[37]對(duì)激光增材制造成形的Ti-22Al-25Nb鈦合金薄壁樣件進(jìn)行了力學(xué)性能和微觀組織分析，研究了掃描速度對(duì)不同溫度下樣件抗拉強(qiáng)度和微觀組織的影響，結(jié)果表明在5 mm/s的掃描速度下樣件的抗拉強(qiáng)度最高、微觀組織最為細(xì)化，如圖12所示。

史淑文[38]通過對(duì)鋁合金的激光增材制造成形工藝參數(shù)進(jìn)行研究，得出最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，成形出Al-12Si合金樣件，并對(duì)樣件的內(nèi)部金相組織和力學(xué)性能進(jìn)行觀察檢測，微觀組織如圖13所示。通過對(duì)比激光增材成形和鑄造成形鋁合金的力學(xué)性能檢測結(jié)果可知，激光增材制造成形樣件的強(qiáng)度更高、韌性更好。

2.2.2 電子束增材制造

激光增材制造成形過程中O、C、N等間隙元素會(huì)對(duì)材料的污染，對(duì)于活性稀有金屬構(gòu)件的制備存在不足。而電子束增材制造過程中為真空環(huán)節(jié)無污染，在某些方面可解決激光增材制造存在的問題[39]。

目前報(bào)道的EBM成形材料，除TiAl金屬間化合物，均具有如圖14a所示的柱狀晶組織[40]。

對(duì)于航空航天領(lǐng)域關(guān)注的鎳基高溫合金，2014年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員報(bào)道，對(duì)于航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的Inconel 718合金，成形材料的靜態(tài)力學(xué)性能己經(jīng)與鍛件技術(shù)水平相當(dāng)[41]。

2.2.3 電弧增材制造

根據(jù)近年來國內(nèi)外科研人員對(duì)電弧增材制造成形樣件的研究結(jié)果表明，利用WAAM技術(shù)成形樣件的微觀組織和力學(xué)性能均優(yōu)于鑄件，其力學(xué)強(qiáng)度略低于鍛件[16]。金屬材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)將直接影響零件的力學(xué)性能，晶粒大小和不同晶體結(jié)構(gòu)都對(duì)應(yīng)著不同的力學(xué)性能。

Colegrove等人[42]在利用WAAM技術(shù)成形TC4鈦合金樣件時(shí)，研究了外部壓力對(duì)成形樣件內(nèi)部顯微組織的影響，通過準(zhǔn)確控制外部壓力得到內(nèi)部晶粒均勻的鈦合金樣件。Wang等人[43]利用WAAM技術(shù)成形TC4鈦合金樣件，并對(duì)其疲勞壽命、延伸率、屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，并與鍛件進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明WAAM成形樣件韌性好但強(qiáng)度低。

孫紅葉等人[44]利用復(fù)合超高頻脈沖方波變極性鎢極氬弧焊電?。℉PVP-GTAW）作為熱源，對(duì)Al-6.3Cu合金樣件進(jìn)行電弧填絲增材制造，其顯微組織如圖15所示。同時(shí)，對(duì)不同電弧增材制造方法成形樣件的力學(xué)性能進(jìn)行檢測，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用HPVP-GTAW的鋁合金樣件強(qiáng)度最高。

2.3 成形路徑規(guī)劃控制軟件

增材制造軟件主要用于對(duì)待加工樣件三維模型的分層切面和路徑規(guī)劃，其是增材制造技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將直接影響樣件的成形質(zhì)量和性能。目前，國外增材制造設(shè)備集成商均自主開發(fā)專用的軟件系統(tǒng)，并對(duì)軟件進(jìn)行過多輪工業(yè)應(yīng)用測試，具備極高的可靠度。表3為國外部分增材制造設(shè)備自帶的軟件系統(tǒng)。同時(shí)，市面上還存在許多第三方增材制造軟件，能夠處理CAD模型數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)譯給指定的增材制造設(shè)備，例如：Magic、LAMCAM2、Brige Works、STL-Manager等[45]。

目前，國內(nèi)成熟的、可工業(yè)應(yīng)用的增材制造軟件較少，但是軟件整體或其中的部分功能模塊在國內(nèi)也己有大量研究，部分高校和科研機(jī)構(gòu)己取得一些研究成果。上海航天設(shè)備制造總廠有限公司開發(fā)了智能化分層成型軟件，如圖16所示，實(shí)現(xiàn)了基本幾何造型和標(biāo)準(zhǔn)工程文件導(dǎo)入導(dǎo)出、幾何測量和計(jì)算、工程模型的拓?fù)涿枋?修復(fù)、工藝變截面切片設(shè)計(jì)和切片輪廓CLI文件的規(guī)范化。

2.4 在線檢測與控制

增材制造過程中需要一些傳感器對(duì)制作過程實(shí)施在線監(jiān)測。

（1）高溫計(jì)。

增材制造很多工藝都采用集中的熱源來熔化金屬，因此熱源溫度的在線檢測就顯得很重要。Zeng等人[46]在制造過程中發(fā)現(xiàn)均勻的溫度場能得到更好的零件質(zhì)量。監(jiān)控熔池可以提供寶貴的溫度信息，可以用來控制工藝參數(shù)，保證零件質(zhì)量。

在增材制造過程的熱監(jiān)測中主要引用了光電二極管和紅外線敏感CCD兩種類型的測溫儀。通過使用監(jiān)控裝置可以控制增材制造過程，而不僅僅是顯示監(jiān)控過程變量。Berumen S等人[47]使用CCD監(jiān)控每層的粉末涂層步驟，并開發(fā)算法來檢測諸如過低或過量的粉末問題。Kleszczynski S等人[48]提出利用安裝在試驗(yàn)臺(tái)之外的高分辨率CCD攝像機(jī)錯(cuò)誤檢測系統(tǒng)。借助圖像處理，該系統(tǒng)能夠檢測過程穩(wěn)定性中的誤差（如粉末不足、支架不良或涂層損壞）和零件質(zhì)量。Kruth J P等人[49]設(shè)計(jì)了一種反饋控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用CMOS相機(jī)和光電二極管，可以穩(wěn)定熔池到同軸激光束中的溫度分布。

（2）熱電偶。

相對(duì)于高溫計(jì)，熱電偶測溫儀是一種與工件真實(shí)接觸的溫度測量裝置。雖然監(jiān)測溫度較高的增材制造過程主要使用高溫計(jì)，但一些研究工作仍需要采用熱電偶。如Shishkovsky I[50]等人在監(jiān)測六種不同金屬間化合物粉末的生成時(shí)使用熱電偶測量粉末層的溫度。

（3）位移傳感器。

位移傳感器是不通過物理接觸測量物體位置的裝置。測量信號(hào)發(fā)射后從待測物體表面發(fā)射接收器所需的時(shí)間。然后換算成為傳感器和待測表面之間的距離。許多研究工作，特別是在直接能量沉積的增材制造中，通常使用位移傳感器監(jiān)測制造過程中的層高度。Tang L等人[51]利用溫度傳感器和位移傳感器來測量熔池高度剖面，以便分析和控制每層的溫度和高度分布。Boddu M R等人[52]使用高溫計(jì)、位移傳感器和同軸CCD的裝置得到的信息來控制增材制造過程，改善表面光潔度、冷點(diǎn)和孔隙度。

2.5 殘余應(yīng)力與裂紋氣孔控制

為了無損檢測增材制造產(chǎn)品中的殘余應(yīng)力和裂紋氣孔并進(jìn)行控制，可以采用中子衍射、激光超聲波和X射線進(jìn)行檢測。

Watkins等人[53]利用中子衍射確定了由定向能量沉積和激光粉床融合制造的增材制造部件的殘余應(yīng)變和應(yīng)力，將X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描與中子計(jì)算機(jī)斷層掃描進(jìn)行比較，中子的穿透深度更優(yōu)。兩種方法都使用衍射理論來描述單晶、粉末或多晶固體的散射，但X射線散射發(fā)生在幾微米或幾毫米內(nèi)，而中子可以穿透到幾厘米。使用LiF/ZnS閃爍體制造中子射線照相術(shù)，將中子轉(zhuǎn)化為光，然后可以通過CCD攝像機(jī)檢測。

激光超聲波是另一種正在開發(fā)用于增材制造部件的缺陷檢測技術(shù)。激光超聲波使用激光器來生成和檢測超聲波，并可用于檢測材料的不連續(xù)性，用于材料表征和確定材料厚度。脈沖激光用于產(chǎn)生超聲波，而連續(xù)波激光干涉儀檢測波到達(dá)檢測點(diǎn)時(shí)的小面積位移?？梢苑治霰砻娌?、縱波和橫波判斷有無缺陷和位置大小等信息。激光超聲波是非接觸式的，可用于普通方法難以檢測到的區(qū)域，適用于增材制造的產(chǎn)品。

X射線反向散射技術(shù)（XBT）也可以用于檢查增材制造部件，因?yàn)樗灰资鼙砻娲植诙鹊挠绊?。由于X射線源和檢測器位于物體的同一側(cè)，所以可以測試大型結(jié)構(gòu)。Shedlock等人[54]概述了X射線反向散射技術(shù)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的可能，例如腐蝕檢測、異物損傷檢測、流體入侵以及發(fā)現(xiàn)裂縫和空洞。

3 增材制造應(yīng)用實(shí)例

近年來，隨著增材制造技術(shù)理論基礎(chǔ)研究的深度積累，波音（Boeing）、空客（Airbus）、洛克希德·馬?。↙ockheed Martin）、龐巴迪（Bombardier）、Rolls-Royce公司、英國BAE系統(tǒng)公司、歐洲防務(wù)集團(tuán)（EADS）下屬子公司阿斯特里姆（Astrium）、歐洲導(dǎo)彈生產(chǎn)商（MBDA）、中航工業(yè)（AVIC）、航天科技（CASC）、航天科工（CASIC）等國內(nèi)外多家航空航天公司也對(duì)一些重要零部件進(jìn)行了增材制造試驗(yàn)研究與應(yīng)用。

3.1 激光增材制造

美國AeroMet公司在波音、洛克希德·馬丁、諾斯羅普·格魯曼等美國三大軍用飛機(jī)制造商的支持和合作下，開展了大量的鈦合金飛機(jī)零部件的激光增材制造技術(shù)研究工作，同時(shí)還完成了對(duì)增材制造鈦合金零部件應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究，取得了豐富成果[55]。在2000年9月利用激光增材制造技術(shù)成形鈦合金機(jī)翼次承力結(jié)構(gòu)件，并對(duì)零件的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行檢測，結(jié)果表明兩項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。在2001年又利用激光增材制造技術(shù)為波音公司加工成形出F/A-l8E/F戰(zhàn)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙推力拉梁、翼根吊環(huán)、翼梁等鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件，如圖17所示。并在2002年將激光增材制造的鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件安裝于F/A-l8等戰(zhàn)機(jī)，對(duì)零件的性能進(jìn)行試驗(yàn)考核，試驗(yàn)結(jié)果表明其疲勞壽命遠(yuǎn)高于壽命譜，滿足使用要求。

LENS技術(shù)不僅被應(yīng)用于零部件的直接成形，也被應(yīng)用于關(guān)鍵零部件的修復(fù)與鍍層。美國Optomec公司應(yīng)用LENS技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和T700一級(jí)渦輪整體葉盤進(jìn)行修復(fù)，如圖18所示，修復(fù)部分少量機(jī)加工后即可達(dá)到最終狀態(tài)，且修復(fù)部分性能滿足或高于原始材料性能[56]。在歐洲，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT）在LENS修復(fù)方面也有一些工業(yè)應(yīng)用案例，如圖19所示，完成了某航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)殼和某型飛機(jī)的機(jī)翼修復(fù)，并對(duì)大型曲軸進(jìn)行了金屬包層和修復(fù)[57]。

北京航空航天大學(xué)與國內(nèi)多家航空主機(jī)廠開展了長期緊密合作，在2005年利用激光增材制造成形出鈦合金小型、次承力金屬結(jié)構(gòu)件，并將所成形零件在型號(hào)飛機(jī)上安裝搭載，實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)應(yīng)用[28]。在此基礎(chǔ)上，2007年，通過對(duì)飛機(jī)鈦合金大型、主承力構(gòu)件激光增材制造工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出了各工藝參數(shù)對(duì)零件內(nèi)部組織和力學(xué)性能的影響關(guān)系，研制出了具有系列核心技術(shù)、構(gòu)件制造能力達(dá)4 000 mm×3 000 mm×2 000 mm的飛機(jī)鈦合金構(gòu)件激光增材制造成套裝備系統(tǒng)，并制造出大型、整體、復(fù)雜的鈦合金主承力飛機(jī)加強(qiáng)框及主風(fēng)擋整體窗框等關(guān)鍵構(gòu)件，以及A100等超高強(qiáng)度鋼飛機(jī)起落架等關(guān)鍵構(gòu)件，如圖20所示[32]。

西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)利用激光增材制造C919的中央翼緣條（見圖21）[58]，最大制造尺寸達(dá)2.83 m，最大變形量小于1 mm，填補(bǔ)了我國無法制作大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的空白。

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所利用激光增材制造技術(shù)完成了某航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金斜流整體葉輪損傷部位的修復(fù)，如圖22所示，并已成功通過試車考核，各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求[7]。

上海航天設(shè)備制造總廠有限公司對(duì)某型號(hào)衛(wèi)星鈦合金球形燃料貯箱進(jìn)行增材制造，如圖23所示，避免了傳統(tǒng)制造方式中模具的使用，能提高生產(chǎn)效率，縮短交付周期，降低生產(chǎn)成本，貯箱性能滿足使用要求。同時(shí)，還對(duì)汽輪機(jī)閥門閥座進(jìn)行了修復(fù)，閥座的材料為20鋼，為保證閥座的硬度和密封效果，修復(fù)材料選用球形Inconel625粉末，如圖24所示，并測試表面質(zhì)量及力學(xué)性能，均符合要求。

3.2 電子束增材制造

美國西亞基公司在多家機(jī)構(gòu)和公司的支持與合作下，針對(duì)大型航空金屬零部件的電子束增材制造開展了大量的研究工作，成形的航空金屬零部件如圖25所示[59]。同時(shí)，西亞基公司研制的電子束增材制造設(shè)備，最大成形效率高達(dá)18 kg/h（鈦合金），力學(xué)性能滿足AMS4999標(biāo)準(zhǔn)要求。洛克希德·馬丁公司利用EBF3技術(shù)對(duì)F-35戰(zhàn)機(jī)的襟副翼梁進(jìn)行增材制造成形，與鍛件加工相比，零件成本降低1/3～2/3，利用EBF3所加工的襟副翼梁已安裝與F-35戰(zhàn)機(jī)上，完成裝機(jī)驗(yàn)證考核。

2018年，洛克希德·馬丁公司完成了燃料衛(wèi)星的大型高壓油箱的制造與質(zhì)量測試，油箱圓頂直徑1 016 mm，與原來相比，效率提高了一倍，成本降低了一半[60]，如圖26所示。

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所開展了大量的EBF3研究工作，并開發(fā)出多套EBF3設(shè)備。完成了EBF3成形鈦合金樣件和超高強(qiáng)度鋼樣件的力學(xué)性能分析研究，在此基礎(chǔ)上，制造成形出許多鈦合金試件，如圖27所示[7]。中航工業(yè)北京航空制造工程研究所在2012年將采用EBF3成形的鈦合金零件安裝到國產(chǎn)戰(zhàn)機(jī)上，并進(jìn)行性能考核。

3.3 電弧增材制造

在鈦合金WAAM 技術(shù)應(yīng)用研究方面，英國克蘭菲爾德大學(xué)走在國際前列，與歐洲航天局、洛克希德·馬丁公司和龐巴迪公司開展了廣泛合作，成功制造出飛機(jī)機(jī)翼翼梁和起落架支撐外翼肋，并能成形高復(fù)雜度的零件，如圖28所示[16]。目前，其鈦合金沉積效率達(dá)1～2 kg/h，構(gòu)件力學(xué)性能達(dá)到鍛件水平，鈦合金零件最大單方向成形尺寸達(dá)1.5 m。洛克希德·馬丁利用WAAM技術(shù)制造成形出了高380 mm的大型錐形筒體，如圖29所示。龐巴迪利用WAAM技術(shù)在平板上直接成形出2.5 m×1.2 m的大型飛機(jī)肋板。

克蘭菲爾德大學(xué)還開展了大量的鋁合金WAAM技術(shù)應(yīng)用研究，試制了諸多鋁合金零件，如圖30所示，處于國際領(lǐng)先水平[61]。

針對(duì)航天領(lǐng)域的鋁合金支座、艙段、框梁、網(wǎng)格等典型結(jié)構(gòu)，首都航天機(jī)械有限公司、北京航星機(jī)器制造公司、華中科技大學(xué)等單位分別開展了應(yīng)用試制，如圖31所示，目前均處于探索研究階段[31]。

4 存在問題與發(fā)展趨勢(shì)

增材制造技術(shù)是先進(jìn)制造領(lǐng)域具有極大潛力的新興技術(shù)，各國政府、軍工單位和科研院所都給予了高度關(guān)注，投入了大量資源，開展鈦合金、鋁合金、不銹鋼、高溫合金等金屬材料的增材制造技術(shù)研究，在此基礎(chǔ)上，逐步將增材制造零部件進(jìn)行工程化應(yīng)用，并在航空航天領(lǐng)域內(nèi)完成了多次裝機(jī)應(yīng)用和驗(yàn)證考核，未來將實(shí)現(xiàn)其在太空中的應(yīng)用。

增材制造所用原材料的高成本、低制造效率和低利用率導(dǎo)致增材制造技術(shù)成本較高，且增材制造工藝對(duì)原材料性能提出了更高的性能，這將會(huì)影響增材制造技術(shù)的推廣和應(yīng)用。在金屬零部件增材制造過程中，伴隨著溫度的劇烈變化，導(dǎo)致零部件內(nèi)應(yīng)力較大且不均勻，其力學(xué)性能和穩(wěn)定性較差，必須加以控制。有限元模擬的精度問題、各向異性問題、成形中難以消除的氣孔問題以及表面粗糙度問題等等，都亟待解決。

增材制造未來可能向高集成度、高精度、快速化、材料通用、專用、多樣化的方向發(fā)展。同時(shí)，增材制造過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)和在線實(shí)時(shí)監(jiān)測、反饋閉環(huán)控制將是研究的重點(diǎn)方向。而面向增材制造零件的專用精加工、去應(yīng)力和連接技術(shù)同樣需要開展相應(yīng)研究。

5 結(jié)論

本文介紹了大型金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)及其在航空航天制造中的應(yīng)用并舉例說明，闡述了增材制造過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)，分析了我國增材制造技術(shù)發(fā)展過程中存在的問題，并對(duì)增材制造未來發(fā)展趨勢(shì)提出展望。

通過對(duì)增材制造關(guān)鍵共性技術(shù)進(jìn)行突破，開展更為深入的增材制造工藝研究，投入力量研制航空航天領(lǐng)域?qū)Ｓ迷霾闹圃煸O(shè)備，為解決制約航空航天發(fā)展的問題奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，提高我國航空航天型號(hào)產(chǎn)品更新迭代的速度，綜合提升航空航天制造水平，助力航空航天制造的跨越式發(fā)展。

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