金屬激光選區(qū)熔化在航空領(lǐng)域的應(yīng)用研究與展望

張婷　劉煥文　劉偉紅

摘? 要：激光選區(qū)熔化技術(shù)是增材制造技術(shù)的一個重要分支，加強(qiáng)對激光選區(qū)熔化技術(shù)的工作原理、工藝影響因素、成形材料種類的研究十分必要。本文介紹了選區(qū)激光熔化技術(shù)的工藝原理及成形特點，針對金屬激光選區(qū)熔化技術(shù)在航空領(lǐng)域研制生產(chǎn)過程及應(yīng)用中存在的問題，提出了對策與建議，并對金屬激光選區(qū)熔化技術(shù)在飛機(jī)研制生產(chǎn)過程應(yīng)用進(jìn)行了展望。旨在優(yōu)化和提升航空領(lǐng)域零件的質(zhì)量和穩(wěn)定性，了解未來航空領(lǐng)域金屬激光選區(qū)熔化技術(shù)的發(fā)展趨勢，為其零件制造以及應(yīng)用提供強(qiáng)有力的保障。

關(guān)鍵詞：增材制造? 激光選區(qū)熔化? 應(yīng)用問題? 材料

中圖分類號：V25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（b）-0100-03

Abstract： Laser selective melting technology is one of the additive manufacturing technologies. It is necessary to strengthen the research of the working principle of laser selective melting technology， process influencing factors， and the types of molding materials. This paper introduce the technological principle and forming characteristics of selective laser melting technology， and put forwards some countermeasures and suggestions aiming at the? ?problems in the application of the laser melting technology in the aviation field， and put forward the application of the laser melting technology in the aircraft development and production process. It aims to optimize and improve the material quality and stability in the aviation field， to understand the technical trend of metal laser selection in the aviation field in the future， and provide a strong guarantee in the manufacturing process.

Key Words： Additive manufacturing; Laser selective melting; Application problems; Materials

傳統(tǒng)的金屬零件制造方式共經(jīng)歷了三個階段，即等材制造、減材制造以及增材制造。等材制造，是指運(yùn)用傳統(tǒng)的鑄造、鍛造等成形方式生產(chǎn)產(chǎn)品，其制造的零件重量基本保持不變。減材制造，是指使用車、銑、刨、磨等設(shè)備對原材料進(jìn)行加工以達(dá)到設(shè)計要求的既定形狀，其制造過程中原材料不斷減少。增材制造，俗稱3D打印，是一種“自上而下”通過軟件切片以及材料逐層累加的制造方法進(jìn)行零件生產(chǎn)，為采用傳統(tǒng)制造方式無法實現(xiàn)加工制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件提供了一種新的途徑。

增材制造俗稱3D 打印技術(shù)，是以原型制造技術(shù)為基本原理發(fā)展起來的一種先進(jìn)技術(shù)。利用離散/堆積的成形思想為核心，采用計算機(jī)專用處理軟件對零件三維數(shù)模進(jìn)行切片分層，獲得各截面的輪廓數(shù)據(jù)后，利用高能量激光束逐層選擇性地熔化金屬粉末，通過逐層鋪粉，逐層熔化凝固堆積的方式，實現(xiàn)三維實體零件制造。3D 打印原材料可以是粉末、線材、液體等;成形加工過程中采用的能量主要有激光束、電子束等。采用較多的三種直接成形技術(shù)主要包含：激光近凈成形技術(shù)，激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）以及電子束快速制造技術(shù)[1]。

近年來，隨著航空航天領(lǐng)域?qū)α慵p量化、高效化以及可靠性的要求越來越高，復(fù)雜結(jié)構(gòu)件以及精密結(jié)構(gòu)件越來越多，對于這些零件的成形加工方式亦提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)加工方式已無法滿足該類零件的生產(chǎn)要求。由于增材制造可根據(jù)零件三維數(shù)模，無需采用工裝夾具等，其制造自由度高，且材料利用率高，使得其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來越得到重視，并已有多項零件制造案例。其中最為經(jīng)典的案例是美國GE公司利用精密激光選區(qū)熔化成形技術(shù)生產(chǎn)的LEAP引擎內(nèi)置3D 打印噴嘴，其取代了傳統(tǒng)的由20個單獨部分通過焊接組裝形成的燃油噴嘴，其重量減輕了25%，滿足了設(shè)計減重要求[1]。另一經(jīng)典案例為美國F/A-18E/F“大黃蜂”戰(zhàn)機(jī)翼根吊環(huán)的生產(chǎn)，其疲勞壽命可以達(dá)到疲勞壽命譜4倍要求，且在靜力加載試驗中，當(dāng)載荷過載至225%時零件也未被破壞，完全滿足了飛機(jī)使用需求; 同時，由于采用了3D打印技術(shù)，該零件相比于傳統(tǒng)加工方式生產(chǎn)成本降低了20%～40%，零件生產(chǎn)周期縮短了80%[1]。英國也已經(jīng)在空客A320 飛機(jī)上廣泛使用3D 打印技術(shù)， 其中僅一個活頁零件就可以為飛機(jī)減重10kg 左右，在保證達(dá)到力學(xué)性能要求的條件下減輕了飛機(jī)重量，節(jié)約了飛機(jī)制造成本，能夠更好地滿足飛機(jī)減重要求以及使用要求[2-3]。

在國內(nèi)，金屬3D成形技術(shù)也同樣受到關(guān)注，北京航空制造工程研究所、西北工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)等單位都相繼開展了相關(guān)方面的研究并獲得一定成功。北京航空航天大學(xué)王華明院士進(jìn)行了飛機(jī)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件3D激光快速成形技術(shù)研究，成功制造出飛機(jī)結(jié)構(gòu)件并已應(yīng)用，使我國成為繼美國之后世界上第二個掌握大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)的國家[4-6];中國商飛生產(chǎn)的C919飛機(jī)鈦合金機(jī)翼梁采用激光近凈成形技術(shù)3D 打印技術(shù)生產(chǎn)，經(jīng)過各項嚴(yán)格性能測試，其靜態(tài)力學(xué)性能大致等于甚至優(yōu)于鍛件性能。

1? 激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）原理、工藝特點及技術(shù)控制

激光選區(qū)熔化技術(shù)作為應(yīng)用最為廣泛的3D成形技術(shù)，整個成形分為前期軟件處理和后期成形制造兩個部分。首先利用計算機(jī)繪圖軟件（如CATIA ，UG等）繪制所需零件的三維模型，再根據(jù)成形需求添加支撐等輔助，對零件三維數(shù)模進(jìn)行完善優(yōu)化后通過專用軟件對模型進(jìn)行Z 軸方向的切片離散并規(guī)劃激光束掃描路徑，從而獲得各個截面的輪廓數(shù)據(jù)，然后將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D 打印設(shè)備中，利用水平刮板將金屬粉末均勻鋪于基板上，設(shè)備按照這些輪廓數(shù)據(jù)，通過控制激光束有選擇性地熔化一層金屬粉末，使得金屬粉末相互粘接并達(dá)到冶金結(jié)合，隨后重復(fù)鋪粉及成形過程層層堆積最終制得三維金屬零件。成形過程全部處在惰性氣體保護(hù)環(huán)境下進(jìn)行，以避免金屬粉末在高溫下與空氣發(fā)生反應(yīng)。

激光選區(qū)熔化3D 打印技術(shù)工藝特點如下。

（1）成形零件自由度較高，由于成形過程中不需要工裝及模具，因此可以不受零件復(fù)雜程度的限制，特別適合于小批量、單個個性化定制、異形結(jié)構(gòu)件或薄壁件等采用傳統(tǒng)工藝方法難以制造的金屬零件。

（2）成形周期短。采用激光選區(qū)熔化能直接制成近終端金屬零件，不用進(jìn)行后續(xù)處理或者只需進(jìn)行簡單的加工或表面處理即可，大大地縮短了零件的制造周期。

（3）成形零件致密度高。采用激光選區(qū)熔化3D 打印技術(shù)制造的金屬零件具有完全冶金結(jié)合的實體，成形零件的機(jī)械性能較優(yōu)。SLM技術(shù)在成形過程中運(yùn)用高能量的激光在較短的時間內(nèi)對金屬粉末進(jìn)行熱量的輸入，快速提高金屬粉末的溫度并達(dá)到既定的熔點，實現(xiàn)快速的熔化過程。當(dāng)高溫的激光離開之后，熔化后的金屬粉末會快速冷卻凝固，實現(xiàn)與固體金屬之間的冶金結(jié)合，由于粉末經(jīng)過極熱極冷的狀態(tài)，其顯微組織較為細(xì)小，從而可以獲得良好的力學(xué)性能。

（4）成形零件精度高。使用具有光斑小、高密度的激光器打印金屬，使得金屬零件具有很高的尺寸精度（達(dá)0.1mm）以及好的表面質(zhì)量（Ra30～50μm）。

（5）成形材料種類較多，主要為包含鈦合金，鋁合金，結(jié)構(gòu)鋼，不銹鋼，高溫合金等。

采用SLM技術(shù)進(jìn)行零件制造時，對于金屬粉末的選擇以及成形過程的監(jiān)測都十分重要。由于金屬粉末的制備方法眾多，（如水霧化法、氣霧化法、熱氣體霧化等），粉末狀態(tài)復(fù)雜（如預(yù)合金粉末、混合粉末、單質(zhì)粉末），在選用成形粉末的過程中應(yīng)考慮設(shè)計性能要求，成形難度等多方因素，通過控制好粉末的顆粒度、形狀、分布、流動性、孔隙率、熱導(dǎo)率等，以利于后續(xù)成形進(jìn)行。在成形過程中，可以通過輔助軟件進(jìn)行過程監(jiān)測，主要監(jiān)測成形過程中的掃描方式、激光功率、掃描間距、掃描層厚、掃描速度、基板預(yù)熱溫度、金屬熔化溫度等參數(shù)，并對成形后零件的殘余應(yīng)力、孔洞、精度以及組織性能進(jìn)行測量、收集，兩者關(guān)聯(lián)以獲得最優(yōu)的成形工藝參數(shù)，在關(guān)鍵技術(shù)上做好設(shè)計、制造以及質(zhì)量監(jiān)督。做好SLM技術(shù)的運(yùn)用和監(jiān)測，可以拓展金屬零件的制造方法，并提升金屬零件成形質(zhì)量的保障。

2? 金屬激光選區(qū)熔化應(yīng)用存在問題

2.1? 設(shè)計、驗收等標(biāo)準(zhǔn)問題

雖然金屬激光選區(qū)熔化技術(shù)在航空、航天領(lǐng)域已經(jīng)得到了一些應(yīng)用，但目前國內(nèi)缺乏統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、材料標(biāo)準(zhǔn)、工藝標(biāo)準(zhǔn)及成形標(biāo)準(zhǔn)等的支撐。因此，建議行業(yè)內(nèi)廣大技術(shù)人員大力收集國內(nèi)外增材制造技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，引進(jìn)、消化吸收，并通過相互合作積累數(shù)據(jù)，盡快建立國內(nèi)3D 打印制造原材料、工藝以及驗收標(biāo)準(zhǔn)等頂層體系文件，進(jìn)而推動國內(nèi)3D打印技術(shù)的發(fā)展。

2.2 工藝技術(shù)問題

行業(yè)內(nèi)目前使用的設(shè)備主要有德國、美國以及國產(chǎn)設(shè)備，操作工藝相近，但存在如何進(jìn)行數(shù)模參數(shù)優(yōu)化、合理設(shè)置工藝支撐、基板處理、后處理以及缺陷預(yù)防等方面的數(shù)據(jù)積累。因此，建議加強(qiáng)企業(yè)及院校間的合作，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)理等關(guān)鍵基礎(chǔ)問題進(jìn)行更加深入的研究，加強(qiáng)合金成形共性關(guān)鍵技術(shù)研究。

2.3 與傳統(tǒng)鍛鑄工藝融合不夠

金屬激光選區(qū)熔化制件沒有經(jīng)過鍛造，金屬抗疲勞性能不足，制件組織易存在疏松、氣孔和未熔合等缺陷，因為以上原因，在小尺寸零件制造中3D打印存在很大優(yōu)勢，但在大尺寸零件的制造上無法與大型鍛件相比，因此無法進(jìn)入大型復(fù)雜零件的高端應(yīng)用。傳統(tǒng)鍛鑄工藝在大型復(fù)雜零件的制造方面有著無與倫比的優(yōu)勢，為實現(xiàn)大尺寸復(fù)雜零件的制造，可以考慮將增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)鍛鑄工藝相結(jié)合，如零件結(jié)構(gòu)大面積為平面狀局部有突出耳片組織時，如采用鍛造方法進(jìn)行制造，則鍛造成形材料利用率嚴(yán)重降低，此時可考慮以鍛件作為基材進(jìn)行3D打印，實現(xiàn)材料利用率的提高并可大大提升成形效率。在傳統(tǒng)鑄造方面，3D打印也大有作為，在鑄件產(chǎn)品設(shè)計與試制以及快速模具制造方面可以將3D打印引入以實現(xiàn)更全面的應(yīng)用。

2.4 適航驗證問題

隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，增材制造制件應(yīng)用在飛機(jī)和發(fā)動機(jī)上的部位越來越多，3D打印在關(guān)鍵部位的應(yīng)用對飛機(jī)安全性影響挑戰(zhàn)也越來越大，如何能夠通過適航驗證以保證3D打印零件在民機(jī)上的應(yīng)用顯得十分必要。目前在國內(nèi)民機(jī)上已經(jīng)開展一部分適航驗證工作，但該部分工作仍處于起步階段，大多都是基于對3D打印成形公司經(jīng)驗積累的參數(shù)進(jìn)行驗證，距離更全面的試驗驗證工作開展還有很大的進(jìn)步空間。

3? 結(jié)語

隨著近些年金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展，針對以上問題，已經(jīng)有大量工作開展。目前，中國航空綜合技術(shù)研究所已計劃開展一系列涉及設(shè)計、原材料、工藝、后處理以及成品零件的標(biāo)準(zhǔn)編制計劃，且有一部分標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)下發(fā)，這必將對國內(nèi)增材制造技術(shù)的開展起到統(tǒng)領(lǐng)的作用。華中科技大學(xué)張海鷗團(tuán)隊自主研發(fā)開展的金屬3D打印“微鍛鑄”技術(shù)，將金屬鍛造、鑄造和3D打印相結(jié)合以解決大型復(fù)雜零件制造。我公司也已開展了3D打印在熔模精密鑄造上的應(yīng)用，采用3D打印設(shè)備制造壓型模具，可在很短的時間內(nèi)試制完成鑄件，同時也可利用增材制造方法制造復(fù)雜內(nèi)腔的鑄件模型，解決傳統(tǒng)熔模鑄造的一些難題。

雖然金屬增材制造仍然面臨著統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、工藝成形技術(shù)、大型復(fù)雜零件應(yīng)用及適航驗證等方面的挑戰(zhàn)，但是通過技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問題都將一步步被攻克，增材制造應(yīng)用于設(shè)計制造一體化未來可期。

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