增材制造技術(shù)在航空裝備深化應(yīng)用中的研究

（中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110035）

增材制造技術(shù)近幾年發(fā)展迅猛，特別是從2012年以來，全球范圍內(nèi)的增材制造技術(shù)步入發(fā)展快車道,出現(xiàn)了大量關(guān)于增材制造研究的文獻(xiàn)報(bào)道[1-4]。我國也在該領(lǐng)域持續(xù)加大了投入，2015年發(fā)布的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃更將增材制造作為重要專項(xiàng)列入指南，在“增材制造與激光制造”專項(xiàng)中發(fā)布了7個(gè)方向共29個(gè)項(xiàng)目，涵蓋了增材制造工藝、關(guān)鍵器件、成套裝備、創(chuàng)新應(yīng)用等多個(gè)方面。

在工程應(yīng)用方面，增材制造的應(yīng)用范圍也在逐步拓寬，覆蓋了醫(yī)療、汽車、機(jī)械、航空、航天、化工、能源、藝術(shù)等眾多領(lǐng)域，可制造的材料從各種非金屬、鈦合金、鋁合金、鋼、金屬間化合物到高溫合金，甚至到陶瓷材料和復(fù)合材料。盡管如此，當(dāng)前該技術(shù)在航空領(lǐng)域仍然大多用于飛機(jī)原型驗(yàn)證階段，作為貨架商品批量供應(yīng)的零件較少，其技術(shù)潛力尚未完全發(fā)揮。制約其潛力發(fā)揮的因素涉及從設(shè)計(jì)到應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)，復(fù)雜的綜合因素交織導(dǎo)致增材制造的深化應(yīng)用受到制約。

增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與特點(diǎn)

增材制造之所以能夠在航空裝備領(lǐng)域快速實(shí)現(xiàn)工程化，與其制造工藝特點(diǎn)密不可分。構(gòu)型復(fù)雜、性能要求高、多品種小批量、制造精度嚴(yán)格是航空零件制造的典型特征。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，航空零件的制造集合了各種先進(jìn)技術(shù)，而增材制造的技術(shù)特征與航空零件的特性高度契合，因而在航空零件制造中扮演了重要角色。過去幾年，增材制造已經(jīng)在航空裝備研制與生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，且覆蓋面越來越寬，從機(jī)體結(jié)構(gòu)到系統(tǒng)功能再到發(fā)動(dòng)機(jī)零件，涵蓋了數(shù)十種結(jié)構(gòu)門類的上百種零件，尺寸規(guī)格也從毫米級到米級不等。

在飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)方面，增材制造的應(yīng)用包括框類、梁類、接頭類及格柵類等，其中框類、梁類、接頭類等承力部件主要采用激光/電子束送粉/絲成形技術(shù)。這類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是尺寸規(guī)格較大，有些復(fù)雜的框段結(jié)構(gòu)無法直接通過鍛造方式制造，而傳統(tǒng)的制造方式是多段拼接，這樣使得結(jié)構(gòu)的疲勞性能降低，使用增材制造后可一體化成形整體構(gòu)件，大幅度提升綜合性能。格柵類結(jié)構(gòu)因其形狀復(fù)雜，尺寸較小，主要采用選區(qū)熔化技術(shù)。系統(tǒng)功能部件的應(yīng)用包括各類支座、異型導(dǎo)管、機(jī)匣等，這些結(jié)構(gòu)多為具有復(fù)雜內(nèi)腔的小型結(jié)構(gòu)，一般采用選區(qū)熔化技術(shù)；發(fā)動(dòng)機(jī)部件以葉片、噴管、燃燒室等結(jié)構(gòu)為主，一般采用選區(qū)熔化技術(shù)。使用選區(qū)熔化制備的上述零件很多情況下是傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)只能放棄部分性能來滿足制造要求，而利用選區(qū)熔化技術(shù)在滿足性能要求的情況下實(shí)現(xiàn)制造，效果明顯。圖1歸納了國內(nèi)外增材制造構(gòu)件在飛機(jī)上的使用情況[5-8]。

從圖1的統(tǒng)計(jì)可以看出，雖然增材制造的應(yīng)用范圍較廣，但其制造的零件構(gòu)型基本都是傳統(tǒng)構(gòu)型，大部分為構(gòu)型復(fù)雜、難以用傳統(tǒng)制造技術(shù)加工或利用傳統(tǒng)制造技術(shù)加工成本高昂、成品率低的結(jié)構(gòu)，其構(gòu)型也并沒有因制造技術(shù)的改變而發(fā)生變化。也就是說，構(gòu)型是傳統(tǒng)的，工藝是增材制造是當(dāng)前該技術(shù)應(yīng)用的主要特征。

圖1 國內(nèi)外增材制造構(gòu)件的應(yīng)用Fig.1 Applications of additive manufacturing structures

增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展趨勢

1 增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用方向

（1）技術(shù)瓶頸突破與技術(shù)創(chuàng)新。

“輕質(zhì)高效、長壽命、多功能、低成本”一直是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)。隨著航空科技的進(jìn)步和飛機(jī)性能要求的不斷提升，飛機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)型發(fā)生著巨大的變化，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)減重，引入拓?fù)鋬?yōu)化概念，結(jié)構(gòu)構(gòu)型朝著具有仿生特征的拓?fù)錁?gòu)型發(fā)展，這類結(jié)構(gòu)使用傳統(tǒng)的制造技術(shù)幾乎無法實(shí)現(xiàn)。另一方面，結(jié)構(gòu)功能一體化需求逐漸增加，不僅要求結(jié)構(gòu)具有良好的承載特性，還需要集成防熱、隱身、減阻等功能，這導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)型非常復(fù)雜，傳統(tǒng)制造技術(shù)無能為力。除此之外，還有一些低成品率結(jié)構(gòu)，比如某些帶有復(fù)雜構(gòu)型的薄壁結(jié)構(gòu)、腔體結(jié)構(gòu)等，這類結(jié)構(gòu)制造工藝難度大，鍛造方式無法完成，而鑄造成品率較低，成本高昂，生產(chǎn)周期漫長。結(jié)構(gòu)技術(shù)的上述發(fā)展方向使得制造技術(shù)出現(xiàn)極限，而增材制造可以很好地發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，突破制造極限，實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)制造。

（2）新機(jī)研制過程中的原型快速試制。

飛機(jī)是當(dāng)代各學(xué)科最先進(jìn)技術(shù)的綜合集成，是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在錯(cuò)綜復(fù)雜的耦合環(huán)境下，各系統(tǒng)性能/功能的實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)與融合是飛機(jī)研制過程中需要重點(diǎn)解決的問題。為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，考核各單項(xiàng)技術(shù)的正確性、適用性及與其他技術(shù)的相容性，驗(yàn)證綜合技術(shù)方案的可行性，飛機(jī)研制階段的通行做法是采用技術(shù)驗(yàn)證機(jī)來對各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行綜合驗(yàn)證。例如，美國軍用飛機(jī)研制機(jī)構(gòu)洛克希德·馬丁公司的臭鼬工作隊(duì)先后研制的X-35及YF-22技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，最終發(fā)展成先進(jìn)的第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-35及 F-22。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)平臺(tái)的快速試制是技術(shù)驗(yàn)證機(jī)研制的前提與基礎(chǔ)。為提高效費(fèi)比、縮短研制周期，技術(shù)驗(yàn)證機(jī)需要在集成大量新技術(shù)的前提下，利用少量資金，實(shí)現(xiàn)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)“見效快、性能好、成本廉”的目標(biāo)，這給技術(shù)驗(yàn)證機(jī)結(jié)構(gòu)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由于技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的高風(fēng)險(xiǎn)性決定了并不是所有驗(yàn)證機(jī)都能成功轉(zhuǎn)化為型號，采用傳統(tǒng)制造技術(shù)耗費(fèi)的人力物力可想而知，在目前型號種類繁多、研制周期異常緊張的狀態(tài)下，依據(jù)傳統(tǒng)制造技術(shù)制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)平臺(tái)已經(jīng)無法適應(yīng)飛機(jī)研制的需求。因此，為提高研制效費(fèi)比、縮短研制周期，必須發(fā)展更加經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)構(gòu)平臺(tái)快速試制技術(shù)體系。

增材制造技術(shù)在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢及其利用數(shù)字化技術(shù)直接對結(jié)構(gòu)數(shù)模進(jìn)行制造的特性，給技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的快速試制找到了一條高效的技術(shù)途徑。該項(xiàng)技術(shù)不需要使用大型工裝磨具等基礎(chǔ)設(shè)施即可完成構(gòu)件制造，而是直接通過數(shù)字模型完成加工，具有高度設(shè)計(jì)/制造一體化特征，可滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)平臺(tái)快速試制要求，在現(xiàn)代飛機(jī)快速試制環(huán)節(jié)中具有顯著優(yōu)勢。

2 增材制造結(jié)構(gòu)的技術(shù)發(fā)展方向

（1）大型整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

大型整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指區(qū)別于傳統(tǒng)制造工藝，具有典型增材制造工藝特點(diǎn)的大型整體結(jié)構(gòu)，且這類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)摒棄了傳統(tǒng)制造工藝的影響（例如，傳統(tǒng)機(jī)加的框梁結(jié)構(gòu)都是由“腹板+緣條”組合構(gòu)成，便于機(jī)加），使用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)承載特性。這類結(jié)構(gòu)的尺寸規(guī)格明顯大于現(xiàn)有的拓?fù)鋬?yōu)化接頭等局部結(jié)構(gòu)，其尺寸甚至超過了傳統(tǒng)的框梁結(jié)構(gòu)，形成具有明顯拓?fù)鋬?yōu)化特征的大型整體結(jié)構(gòu)。其優(yōu)勢在于，首先將傳統(tǒng)的裝配結(jié)構(gòu)一體制造，實(shí)現(xiàn)融合區(qū)域結(jié)構(gòu)減重，減少疲勞薄弱環(huán)節(jié)，提高壽命，改善結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)品質(zhì)，縮短制造周期，降低制造成本；其次，由于采用的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)傳力路徑最優(yōu)，結(jié)構(gòu)效率最高，使性能和效益實(shí)現(xiàn)最大化。這類結(jié)構(gòu)是飛機(jī)機(jī)體平臺(tái)未來的重要發(fā)展方向，也是增材制造特別是激光同步送粉和電子束送絲成形技術(shù)在未來的重要研究對象（見圖2）[9]。

圖2 空客公司飛機(jī)大型整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概念圖Fig.2 Conceptual design of large integral topology structure by Airbus

（2） 復(fù)雜功能一體化結(jié)構(gòu)。

功能一體化結(jié)構(gòu)是指區(qū)別于傳統(tǒng)承載結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)，將兩者有機(jī)融合的新型結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)制造模式中，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，分別進(jìn)行制造和試驗(yàn)驗(yàn)證，最后通過裝配組合在一起。二者線性累加，出現(xiàn)重量冗余，不僅導(dǎo)致重量超標(biāo)，而且制造周期長、可靠性低、成本高。增材制造技術(shù)為實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)一體化提供了技術(shù)途徑，使吸波隱身、減振降噪、耐熱抗蝕、自潔除冰等功能結(jié)構(gòu)一體化成為可能。在飛機(jī)性能要求越來越高的大環(huán)境下，滿足性能與功能融合要求的復(fù)雜功能一體化結(jié)構(gòu)將成為飛機(jī)研制的又一個(gè)重要發(fā)展方向，而這正是增材制造技術(shù)特別是選區(qū)熔化技術(shù)發(fā)揮潛力的重要領(lǐng)域（見圖 3）[8,10]。

圖3 復(fù)雜功能一體化結(jié)構(gòu)Fig.3 Complex multi-function structures

（3） 異質(zhì)材料梯度結(jié)構(gòu)。

所謂異質(zhì)材料梯度結(jié)構(gòu)就是將兩種或兩種以上的材料通過增材制造技術(shù)制造成一個(gè)整體構(gòu)件。與焊接結(jié)構(gòu)不同，不同材料制件的連接區(qū)不是材料成分和顯微組織的突變，而是具有一定梯度特性的漸變，即成分和顯微組織逐漸從A狀態(tài)變到B狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)同單一金屬結(jié)構(gòu)件相比，減重效率在5%以上，疲勞壽命增益10%以上，而且可兼顧耐熱、抗蝕、耐磨等功能。研究結(jié)果表明，梯度過渡區(qū)的靜力與疲勞性能介于兩種復(fù)合的金屬材料之間[11]。更重要的是，梯度結(jié)構(gòu)可以根據(jù)設(shè)計(jì)意圖，通過仿真優(yōu)化對材料進(jìn)行布局設(shè)計(jì)（圖4）[8]，實(shí)現(xiàn)“好鋼用在刀刃上”。現(xiàn)代航空的發(fā)展時(shí)常要求同一結(jié)構(gòu)的不同部位在不同環(huán)境下服役，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)減重增效，甚至要求同一零件的不同部位具有不同的強(qiáng)度，基于增材制造技術(shù)的異質(zhì)材料梯度結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)上述性能提供了有效的解決途徑，將成為航空裝備研制中的重要技術(shù)方向。

圖4 異質(zhì)材料梯度結(jié)構(gòu)Fig.4 Gradient structure of dissimilar materials

增材制造深化應(yīng)用過程中的若干關(guān)鍵問題

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

（1）面向增材制造技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念與思想。

盡管增材制造技術(shù)在航空裝備研制與生產(chǎn)領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢，但受制于設(shè)計(jì)師的慣性思維，目前的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路仍是按照傳統(tǒng)制造工藝約束來進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)。對于具有高度設(shè)計(jì)/制造一體化特征的新興技術(shù)，增材制造的深化應(yīng)用核心是設(shè)計(jì)創(chuàng)新。增材制造在各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上具有明顯優(yōu)勢，可以充分發(fā)揮設(shè)計(jì)師的想象力，釋放其創(chuàng)新活力。針對增材制造技術(shù)的工藝特征有針對性地開展結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及后續(xù)系列性能考核，將增材制造的技術(shù)優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，從而進(jìn)一步促進(jìn)航空裝備研制的設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)型和研制模式創(chuàng)新，才是增材制造技術(shù)的主要發(fā)展方向。例如，傳統(tǒng)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)大類主要包括框、梁、接頭、長桁等，這幾類結(jié)構(gòu)具有一些共性特征（如框結(jié)構(gòu)由腹板和緣條兩個(gè)基本要素組成），這是由這些結(jié)構(gòu)的制造工藝決定的。如果擯棄這些固有的約束，通過數(shù)值仿真探尋最優(yōu)結(jié)構(gòu)，將會(huì)出現(xiàn)各種構(gòu)型奇藝的結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)制造工藝無法加工的。也就是說,基于傳統(tǒng)工藝約束，設(shè)計(jì)師是“想得到、做不到”，基于增材制造，可以實(shí)現(xiàn)“想得到、做得到”。所以，若要深化增材制造在航空裝備研制中的應(yīng)用，應(yīng)從源頭抓起，下大力氣扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)師的固有設(shè)計(jì)理念，拓寬其可設(shè)計(jì)域，激發(fā)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新活力，使設(shè)計(jì)師掌握增材制造在創(chuàng)新結(jié)構(gòu)物理實(shí)現(xiàn)中的巨大優(yōu)勢，進(jìn)而逐漸接受和采用這一新興制造技術(shù)。這不僅對增材制造，同時(shí)對飛機(jī)研制技術(shù)的創(chuàng)新也具有重要意義。

（2）面向構(gòu)型設(shè)計(jì)的增材制造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)鍛造等制造工藝生產(chǎn)的零件精度通過后期的機(jī)加工保證，加工前的毛坯材料基本組織均勻性、各向異性等基本上是確定的，同樣的鍛造毛坯可以用來加工不同的零件，其性能差異不會(huì)太大。而增材制造是一項(xiàng)高度設(shè)計(jì)/制造一體化技術(shù)，為保證性能水平，不同結(jié)構(gòu)構(gòu)型的制造工藝不同，在工藝優(yōu)化時(shí)需要針對結(jié)構(gòu)構(gòu)型的特點(diǎn)進(jìn)行匹配。反過來說，結(jié)構(gòu)構(gòu)型的變化顯著影響著增材制造的制造工藝策略，從而影響著構(gòu)件的性能表現(xiàn)。這其中構(gòu)型特征與材料組織及結(jié)構(gòu)性能之間存在著普適關(guān)系。所以，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)將增材制造的工藝特征融入優(yōu)化過程，同時(shí)在制造前期有針對性地開展性能仿真分析，將有效指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出更加適合增材制造工藝的高效結(jié)構(gòu)。而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要建立結(jié)構(gòu)構(gòu)型與材料組織及性能之間的內(nèi)部聯(lián)系，形成龐大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫并將其反饋到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)終端，形成可操作的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段。這需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究工作，積累基本數(shù)據(jù)，找出結(jié)構(gòu)構(gòu)型與制件性能的共性關(guān)系，破解面向構(gòu)型的增材制造工藝“基因圖譜”。而目前這類工作尚屬空白，迫切需要深入開展研究。

（3）高效的復(fù)雜增材制造結(jié)構(gòu)工程化優(yōu)化設(shè)計(jì)手段。

現(xiàn)行的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段有很多，包括CATIA、AutoCAD、UG、ProE、Solidworks等，但無一例外，這些軟件的設(shè)計(jì)理念都是基于傳統(tǒng)的制造工藝（鍛造、鑄造、鈑金等），使用這些軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有典型的傳統(tǒng)制造工藝特征，甚至部分適用于增材制造的新結(jié)構(gòu)無法設(shè)計(jì)出來。例如，大規(guī)格的多孔結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)運(yùn)算數(shù)據(jù)量龐大，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)直接死機(jī)；復(fù)雜非周期性結(jié)構(gòu)具有大量曲面結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)量龐大，不可能一個(gè)一個(gè)曲面完成設(shè)計(jì)。這些都需要在數(shù)字化軟件領(lǐng)域下足功夫，針對增材制造特點(diǎn)開發(fā)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件。這類軟件需要實(shí)現(xiàn)集合光、電、力、熱、聲等復(fù)雜耦合因素的協(xié)同優(yōu)化能力，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜服役環(huán)境下使用的各種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)優(yōu)化與設(shè)計(jì)。

2 專用材料技術(shù)

（1）原材料的性能補(bǔ)償仿真與配方設(shè)計(jì)技術(shù)。

增材制造原材料是指金屬粉末、絲材、非金屬尼龍粉末、光敏樹脂等，是增材制造的基礎(chǔ)。這些材料的成分、粒徑、流動(dòng)性等指標(biāo)直接關(guān)系著增材制造構(gòu)件的性能。增材制造過程中，受激光的高能量束影響，原材料的成分與構(gòu)件的成分比例會(huì)有一定偏差，這是由于原材料的相結(jié)構(gòu)在遭受高密度能量轟擊后會(huì)出現(xiàn)相變及組織轉(zhuǎn)變行為，這具有一定的共性規(guī)律，可以通過熱力學(xué)理論計(jì)算來獲得一般性結(jié)論。原材料的狀態(tài)在很大尺度上決定了制件的物理狀態(tài)，所以通過研究材料的凝固特性，判斷原材料在增材制造前后的成分變化與相變規(guī)律，并形成可供工程化應(yīng)用的性能補(bǔ)償仿真分析軟件，建立具有共性規(guī)律的配方設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，從源頭上提高增材制造構(gòu)件的性能水平及批次穩(wěn)定性，是解決增材制造技術(shù)工藝窗口狹窄的重要技術(shù)途徑。當(dāng)前，包括達(dá)索公司在內(nèi)的國內(nèi)外部分大型企業(yè)已經(jīng)投入力量開展相關(guān)研究工作，這些工作對增材制造構(gòu)件的深化應(yīng)用具有重要促進(jìn)作用。

（2）原材料的低成本制造技術(shù)。

增材制造構(gòu)件成本居高不下的重要原因之一是原材料成本高昂，這已成為制約增材制造技術(shù)推廣應(yīng)用的重要因素。特別是隨著全球范圍內(nèi)航空工業(yè)競爭的加劇，成本控制成為航空裝備研制的重要因素，要求飛機(jī)設(shè)計(jì)師們在實(shí)現(xiàn)飛機(jī)性能的同時(shí)控制零件的制造成本。增材制造居高不下的成本使得飛機(jī)設(shè)計(jì)師們對這項(xiàng)技術(shù)望而生畏，盡量使用其他技術(shù)替代，所以降低原材料的成本已成為當(dāng)務(wù)之急。通過控制原材料的制造工藝過程，優(yōu)化制粉環(huán)節(jié)，切實(shí)降低粉末等原料的生產(chǎn)成本，對增材制造技術(shù)的應(yīng)用推廣具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（3）原材料的重復(fù)利用規(guī)律與性能控制技術(shù)。

當(dāng)前，增材制造的成本偏高，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的推廣應(yīng)用，一些學(xué)者正在研究通過粉末的重復(fù)利用來分?jǐn)偸褂贸杀?。但是粉末?jīng)過高能束加工后，其性能較初始狀態(tài)有較大變化，重復(fù)利用后的制件性能及調(diào)控方法，成為制約原材料重復(fù)利用的主要技術(shù)壁壘，這其中蘊(yùn)含著眾多的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題。西北有色金屬研究院Tang等[12]利用電子束選區(qū)熔化快速成形設(shè)備研究了鈦合金粉末的重復(fù)使用問題，認(rèn)為如果工藝控制恰當(dāng)，粉末的前幾次重復(fù)利用可以保證制件性能。這些研究具有積極意義，為原材料的規(guī)?；貜?fù)利用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。但是目前的研究尚未形成具有工程化指導(dǎo)意義的試驗(yàn)數(shù)據(jù)體系，研究結(jié)論尚不能支撐飛機(jī)設(shè)計(jì)部門的工程化應(yīng)用決策，還需要開展大量的基礎(chǔ)研究工作。

3 制造工藝技術(shù)

（1）增材制造的材料控形控性技術(shù)。

增材制造零件的控形控性是研究最多和最深入的問題，學(xué)者們花費(fèi)了大量精力研究增材制造零件的材料性能及其調(diào)控技術(shù)。王華明[13]、黃衛(wèi)東[14]等從激光/金屬交互作用、內(nèi)部缺陷形成機(jī)理、移動(dòng)熔池快速凝固行為、非穩(wěn)態(tài)循環(huán)固態(tài)相變行為與組織形成規(guī)律、內(nèi)應(yīng)力演化機(jī)制及構(gòu)件變形開裂預(yù)防方法等多個(gè)角度對增材制造材料的控形控性基礎(chǔ)問題進(jìn)行了深入研究，掌握了較為有效的性能控制措施，但材料內(nèi)部質(zhì)量分散性、大型構(gòu)件的變形開裂、構(gòu)件批次穩(wěn)定性等問題尚需進(jìn)一步研究。

（2）基于構(gòu)型的增材制造構(gòu)件性能預(yù)測與工藝仿真技術(shù)。

增材制造技術(shù)工藝窗口狹窄已經(jīng)是共性認(rèn)識[8]。受制于沉積過程中的掃描策略影響，即使使用相同的工藝參數(shù)，不同結(jié)構(gòu)構(gòu)型的構(gòu)件性能也會(huì)出現(xiàn)偏差。當(dāng)前的處理方式是強(qiáng)化工程化應(yīng)用考核流程，對每一種結(jié)構(gòu)都進(jìn)行充分的工程化驗(yàn)證，即通過“小試、中試、大試”3個(gè)過程的考核與測試，分別考核材料和工藝屬性、結(jié)構(gòu)與功能極端性能、產(chǎn)品有效性測試與評估。這造成每一種結(jié)構(gòu)的裝機(jī)應(yīng)用都需要經(jīng)歷嚴(yán)酷而繁雜的驗(yàn)證過程，人力物力需求巨大，制約了增材制造技術(shù)的應(yīng)用推廣。研究增材制造工藝的一般性規(guī)律，建立針對各種構(gòu)型的工藝數(shù)據(jù)庫，同時(shí)從基本理論上突破對增材制造結(jié)構(gòu)的性能預(yù)測，做到制造工藝的精準(zhǔn)仿真，從原理上控制增材制造構(gòu)件的性能一致性，是解決增材制造工藝窗口窄的重要技術(shù)途徑。

（3）大型/復(fù)雜增材制造結(jié)構(gòu)的后處理技術(shù)。

增材制造是通過逐層堆積成形的制造技術(shù)。在制造過程中，其層疊效應(yīng)將在構(gòu)件表面明顯顯現(xiàn)，這些粗糙表面對構(gòu)件的性能特別是疲勞性能影響嚴(yán)重。使用同步送粉/送絲工藝制造的大型構(gòu)件可以通過后期的數(shù)控加工方法將表面層去除，得到滿足要求的光滑表面。但是，使用激光/電子束選區(qū)熔化成形的構(gòu)件往往結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不可能通過增加余量成形、后期機(jī)加去除的方式實(shí)現(xiàn)光滑表面，一般只進(jìn)行簡單的吹砂、打磨處理。這類結(jié)構(gòu)的表面狀態(tài)難以滿足性能要求（圖5），已經(jīng)成為制約其應(yīng)用的重要原因。研究行之有效的表面處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的任意表面處理，是增材制造后處理技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。

圖5 復(fù)雜多孔增材制造結(jié)構(gòu)的原始表面狀態(tài)Fig.5 Surface roughness of additive manufactural complex porous structure

4 性能驗(yàn)證技術(shù)

（1）增材制造結(jié)構(gòu)的性能驗(yàn)證方法與失效判據(jù)。

增材制造技術(shù)拓寬了飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的可設(shè)計(jì)域，釋放了飛機(jī)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新活力，使他們可設(shè)計(jì)出各種高效率結(jié)構(gòu)。但如何測試這些復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)的性能（力學(xué)與功能特性），判斷它們在服役環(huán)境下的性能表現(xiàn)，掌握其失效模式，建立失效判據(jù)，給出是否可用的結(jié)論已成為一大難點(diǎn)。建立行之有效的結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證技術(shù)體系成為增材制造技術(shù)深化應(yīng)用的又一個(gè)關(guān)鍵問題。

（2）復(fù)雜增材制造結(jié)構(gòu)的無損檢測技術(shù)。

隨著技術(shù)進(jìn)步，無損檢測技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并表現(xiàn)出明顯的“由定性向定量”、“在線自動(dòng)化與智能化”、“結(jié)合斷裂力學(xué)的構(gòu)件壽命評價(jià)”、“結(jié)合材料性能的工藝指導(dǎo)”等特征。但是，面對增材制造結(jié)構(gòu)特別是帶多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜構(gòu)型，無損檢測技術(shù)出現(xiàn)明顯短板，迫切需要針對這類結(jié)構(gòu)研究開發(fā)相適應(yīng)的無損檢測技術(shù)。

（3）增材制造技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系。

標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建是任何一種制造工藝走向規(guī)?；瘧?yīng)用的必經(jīng)之路，它對控制產(chǎn)品的性能品質(zhì)及穩(wěn)定性生產(chǎn)具有重要意義。在增材制造領(lǐng)域，美國汽車工程協(xié)會(huì)（SAE）、美國材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)（ASTM）、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）等組織先后制定了一系列增材制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了術(shù)語、方法、工藝、材料、性能、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)（表1），并在以較快的速度覆蓋增材制造各個(gè)環(huán)節(jié)[15]。

我國增材制造技術(shù)正處于快速發(fā)展中，但與之配套的增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展相對落后，沒能與技術(shù)發(fā)展水平保持同步?，F(xiàn)有的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)均是各研究所和企業(yè)根據(jù)實(shí)際情況定制的技術(shù)條件和規(guī)范，具有較大的個(gè)性化特征，且要求參差不齊。這些技術(shù)條件和規(guī)范呈現(xiàn)零星散點(diǎn)分布狀態(tài)，沒有形成從設(shè)計(jì)、材料、工藝、裝備到驗(yàn)證的全產(chǎn)業(yè)鏈標(biāo)準(zhǔn)體系。這已成為制約我國增材制造技術(shù)規(guī)范化發(fā)展的重要瓶頸，因此迫切需要開展增材制造技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，依托我國優(yōu)勢單位的海量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，共同制定體系化的增材制造標(biāo)準(zhǔn)。

表1 國外增材制造技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)束語

增材制造是一項(xiàng)“變革性”技術(shù)，在諸多領(lǐng)域具有重大應(yīng)用潛力。它也是一項(xiàng)新興技術(shù)，盡管它已經(jīng)在航空裝備研制過程中發(fā)揮了重要作用，并取得較大收益，但由于該技術(shù)具有高度的設(shè)計(jì)/制造一體化特征，需要從設(shè)計(jì)、材料、設(shè)備、工藝、驗(yàn)證等各個(gè)環(huán)節(jié)全面突破，任何一個(gè)環(huán)節(jié)成為短板都將制約該技術(shù)的優(yōu)勢與潛力發(fā)揮。

[1]REN H S, LIU D, TANG H B, et al.Microstructure and mechanical properties of a graded structural material[J]. Materials Science and Engineering: A, 2014, 611(12): 362-369.

[2]OBIELODAN J, STUCKER B.Characterization of LENS-fabricated Ti6Al4V and Ti6Al4V/TiC dual-material transition joints[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2012, 66(9-12):2053-2061.

[3]LIANG Y J, LIU D, WANG H M.Microstructure and mechanical behavior of commercial purity Ti/Ti–6Al–2Zr–1Mo–1V structurally graded material fabricated by laser additive manufacturing[J]. Scripta Materialia,2014,74: 80-83.

[4]REN H S, TIAN X J, WANG H M.Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of a graded structural material[J]. Materials Science and Engineering: A,2014, 614: 207-213.

[5]王強(qiáng), 孫躍. 增材制造技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用[J]. 航空科學(xué)技術(shù), 2014,25(9): 6-10.WANG Qiang, SUN Yue. Applications of additive manufacturing technology on aeroengine[J]. Aeronautical Science & Technology,2014, 25(9): 6-10.

[6]何艷麗, 廖煥文, 王祿秀. 商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)金屬增材制造技術(shù)及裝備應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2014(22): 47-51.HE Yanli, LIAO Huanwen, WANG Luxiu.Application of technology and equipment for metallic additive manufacturing in commercial aeroengine[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2014(22): 47-51.

[7]鞏水利, 鎖紅波, 李懷學(xué). 金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2013(13): 66-71.GONG Shuili, SUO Hongbo, LI Huaixue.Development and application of metal additive manufacturing technology[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2013(13): 66-71.

[8]王向明, 蘇亞東, 吳斌. 增材技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)研制中的應(yīng)用研究[J]. 航空制造技術(shù), 2014(22): 16-20.WANG Xiangming, SU Yadong, WU Bin.Application research of additive manufacturing technology on aircraft structure development[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2014(22): 16-20.

[9]The future by Airbus[EB/OL].[2016-03-05]. http://www.airbus.com/innovation/future-by-airbus/the-conceptplane/the-airbus-concept-cabin/futuretechnologies/?contentId=%5B_TABLE%3Att_content%3B_FIELD%3Auid%5D%2C&cHash=22935adfac92fcbbd4ba4e1441d13383.

[10]STEEVES C A, HE M Y, KASEN S D,et al. Feasibility of metallic structural heat pipes as sharp leading edges for hypersonic vehicles[J].Journal of Applied Mechanics, 2009, 76(3): 540-545.

[11]呂毅, 許希武, 郭樹祥. 梯度復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展路徑和起裂載荷的有限元分析[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2015, 32(4): 1099-1106.Lü Yi, XU Xiwu, GUO Shuxiang. Finite element analysis of crack propagation paths and crack initiation loads in graded composites[J].Acta Materiae Compositae Sinica, 2015, 32(4):1099-1106.

[12]TANG H P, QIAN M, LIU N, et al. Effect of powder reuse times on additive manufacturing of Ti-6Al-4V by selective electron beam melting[J]. The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, 2015, 67:555-563.

[13]王華明. 高性能大型金屬構(gòu)件激光增材制造：若干材料基礎(chǔ)問題[J]. 航空學(xué)報(bào),2014, 35(10): 2690-2698.WANG Huaming. Materials’ fundamental issues of laser additive manufacturing for highperformance large metallic components[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2014, 35(10):2690-2698.

[14]黃衛(wèi)東, 林鑫. 激光立體成形高性能金屬零件研究進(jìn)展[J]. 中國材料進(jìn)展,2010, 29(6): 12-27.HUANG Weidong, LIN Xin. Research progress in laser solid forming of high performance metallic component[J]. Materials China, 2010, 29(6): 12-27.

[15]景綠路.國外增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析[J]. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量, 2013(4): 44-48.JING Lülu. Analysis of standards for additive manufacturingtechnology[J]. Aeronautic Standardization & Quality, 2013(4): 44-48.