增材制造技術(shù)在航空航天金屬構(gòu)件領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用

任慧嬌，周冠男，從保強(qiáng)，馬慧君，董文啟

（1. 中國(guó)航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110043； 2. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191； 3. 航空高端裝備智能制造工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

航空航天工業(yè)是國(guó)家高端裝備制造業(yè)的典型代表，其產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工序多、小批量的特點(diǎn)。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)、大飛機(jī)、新一代運(yùn)載火箭等航空航天典型構(gòu)件產(chǎn)品的日益復(fù)雜以及新材料的不斷涌現(xiàn)，零件結(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜化、大型化，而傳統(tǒng)鑄造、鍛造結(jié)合機(jī)械加工的制造方法將難以滿足上述制造需求。增材制造技術(shù)（Additive manufacturing，AM）能很好地解決此類問題，金屬增材制造是以激光、電子束或電弧作為熱源，根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)將材料（流體、粉末、絲材、塊體）逐層堆積，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)金屬零件直接制造的新興技術(shù)[1–2]。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，金屬材料增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜零件的無模具快速成形，加工余量小，材料利用率高，具備制造周期短、小批量零件生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，可解決型號(hào)研制階段的快速響應(yīng)難題，將成為滿足現(xiàn)代飛行器快速低成本研制的關(guān)鍵制造方法之一，近些年在航空航天等諸多領(lǐng)域取得了快速發(fā)展[3–7]。

目前，增材制造技術(shù)原材料主要有金屬粉末和金屬絲材兩種，在航空航天領(lǐng)域具有應(yīng)用前景且適于成形的方法主要有激光選區(qū)熔化（Selective laser melting，SLM）技術(shù)、激光熔融沉積（Laser melting deposition，LMD）技術(shù)、電子束選區(qū)熔化（Electron beam selective melting，EBSM）技術(shù)、電子束熔絲 沉 積（Electron beam freeform fabrication，EBF3）技術(shù)和電弧熔絲增材制造（Wire + arc additive manufacturing，WAAM）技術(shù)。

基于金屬粉末的增材制造 技術(shù)

1 SLM技術(shù)

SLM技術(shù)是利用高能密度激光束流對(duì)已獲得零件CAD模型切片分層的輪廓數(shù)據(jù)逐層選擇性地熔化金屬粉末，實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接制造，該技術(shù)零件成形精度高且具有良好的力學(xué)性能，因此可用于成形形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對(duì)表面質(zhì)量有一定要求的零部件，例如燃油噴嘴、渦輪葉片等。1995年，德國(guó)Fraunhofer激光研究所首次提出了SLM技術(shù)，從而開辟了激光粉末增材制造技術(shù)的新方向。國(guó)外對(duì)SLM技術(shù)的研究主要有德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、日本和比利時(shí)等國(guó)家，目前這些國(guó)家均有專業(yè)生產(chǎn)SLM設(shè)備的公司，如德國(guó)的EOS、SLM Solutions公司，美國(guó)的3D Systems公司和日本的Matsuura公司等[8–9]。圖1所示為采用EOS公司生產(chǎn)的SLM裝備制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件。此外日本Oskada實(shí)驗(yàn)室、法國(guó)DIPI實(shí)驗(yàn)室、英國(guó)Leeds大學(xué)、Liverpool大學(xué)以及比利時(shí)Leuven大學(xué)等高校也在SLM理論、工藝和應(yīng)用方面開展了深入研究。美國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司GE在各大型企業(yè)中率先成立金屬材料激光選區(qū)熔化研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)金屬零件的直接增材制造方面已走在國(guó)際前列，2013年底GE公司宣布采用SLM技術(shù)為其下一代的GE Leap發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)噴油嘴，預(yù)計(jì)在2020年其發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過程中將有超過10萬個(gè)終端零件采用激光選區(qū)熔化技術(shù)制造。國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)[10]、西北工業(yè)大學(xué)和西安交通大學(xué)等高校在SLM設(shè)備研制方面做了大量研究工作。其中，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的激光先進(jìn)制造研究團(tuán)隊(duì)率先在國(guó)際上研制出成形尺寸為500mm×500mm×530mm 的四光束大尺寸SLM設(shè)備，首次在SLM設(shè)備中引入雙向鋪粉技術(shù)使得成形效率顯著提高。華南理工大學(xué)激光加工實(shí)驗(yàn)室與北京隆源自動(dòng)化成形設(shè)備有限公司及武漢楚天工業(yè)激光設(shè)備有限公司合作研制出了新款SLM設(shè)備，可成形致密度近乎100%的金屬零件，尺寸精度達(dá)±0.01mm。

2 LMD技術(shù)

LMD技術(shù)是快速成形技術(shù)和激光熔覆技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，按照零件CAD模型分層切片的加工路徑，用高能密度激光束將同步的金屬粉末逐層熔覆堆積實(shí)現(xiàn)金屬零件的整體制造，該技術(shù)成形效率較高，成形尺寸不受限制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)受損或失效零件定向組織的修復(fù)與再制造，具有較高的工藝適用性，但成形精度低，表面留有一定的加工余量，成形零件必須經(jīng)過后續(xù)大量的機(jī)械加工才能使用。目前適用于制造整體葉盤環(huán)形件以及零部件修復(fù)等。在國(guó)外，英國(guó)利物浦大學(xué)、英國(guó)伯明翰大學(xué)、美國(guó)密西根大學(xué)、美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)Los–Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)Aeromet公司、美國(guó)賓州大學(xué)、加拿大國(guó)家研究委員會(huì)集成制造技術(shù)研究所、瑞士洛桑理工學(xué)院、GE、Rolls-Royce和波音等大學(xué)和企業(yè)研究機(jī)構(gòu)均對(duì)飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵構(gòu)件的LMD制造關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究[11–13]（圖2）。國(guó)內(nèi)研究工作主要集中在北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京有色金屬研究總院等單位。北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊(duì)在鈦合金大型/超大型整體復(fù)雜承力構(gòu)件、超高強(qiáng)度鋼大型整體復(fù)雜承力構(gòu)件增材制造工藝、裝備研發(fā)及裝機(jī)應(yīng)用等方面取得重要進(jìn)展，成功制造出了飛機(jī)大型整體主承力關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件、鈦合金整體葉盤等航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件并成功得以應(yīng)用[14–17]。西北工業(yè)大學(xué)自1995年開始在國(guó)內(nèi)首先提出以獲得極高力學(xué)性能為目標(biāo)的金屬增材成形技術(shù)構(gòu)思，目前已建立起了包含材料、工藝和裝備技術(shù)的完整技術(shù)體系[18–19]。

3 EBSM技術(shù)

圖1 采用EOS公司生產(chǎn)的SLM裝備制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件Fig.1 Aircraft engine parts made with EOS SLM equipment

圖2 LDM技術(shù)成形零件Fig.2 Parts made by LDM

EBSM技術(shù)是指在10–2Pa以上的真空狀態(tài)下，電子束在偏轉(zhuǎn)線圈驅(qū)動(dòng)下依照零件CAD模型切片分層的輪廓數(shù)據(jù)逐層熔化預(yù)先鋪放的金屬粉末實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接制造。該技術(shù)通過電磁場(chǎng)控制電子束的掃描，可靠性高，控制靈活且反應(yīng)速度快，腔體的真空環(huán)境可以避免金屬粉末在燒結(jié)過程中氧化，未熔粉末可循環(huán)使用，控溫性能良好使其可加工TiAl等金屬間化合物，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)或?qū)椨眯⌒桶l(fā)動(dòng)機(jī)多聯(lián)葉片的制造。EBSM源于20世紀(jì)90年代初的瑞典，2003年Arcam公司獨(dú)立開發(fā)出EBSM設(shè)備并逐漸形成系列，兼顧技術(shù)開發(fā)。美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、意大利等諸多研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)，國(guó)內(nèi)西北有色金屬研究總院、中科院金屬研究所、北京航空航天大學(xué)等科研院所均購(gòu)置了Arcam公司的EBSM設(shè)備開展相關(guān)工作并已取得了較好的研究成果[20–26]。2007年以來，中國(guó)航空制造技術(shù)研究院針對(duì)航空應(yīng)用重點(diǎn)開展了針對(duì)鈦合金、TiAl合金的EBSM技術(shù)及裝備研究[27]，突破并掌握了電子束精確掃描、精密鋪粉以及數(shù)據(jù)處理軟件等裝備核心技術(shù)，研制出了部分典型鈦合金結(jié)構(gòu)件（圖3）。

圖3 中國(guó)航空制造技術(shù)研究院EBSM制備的鈦合金結(jié)構(gòu)試件Fig.3 Parts made by EBSM from AVIC Manufacturing Technology Institute

基于金屬絲材的增材制造 技術(shù)

1 EBF3技術(shù)

EBF3技術(shù)是指高能量密度的電子束轟擊金屬表面形成熔池，熔池按照零件CAD模型分層切片獲得的路徑軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)金屬絲材通過外部送絲裝置送入熔池并逐層凝固堆積，實(shí)現(xiàn)金屬零件或毛坯的制造。該技術(shù)最大優(yōu)點(diǎn)是成形效率高，對(duì)大型金屬構(gòu)件的增材制造，可在數(shù)十千瓦高功率下達(dá)到幾至十幾kg/h的沉積速率，在真空環(huán)境下適合活性金屬加工，同時(shí)電子束掃描可對(duì)熔池形成旋轉(zhuǎn)攪拌的效果，進(jìn)而有利于減少氣孔等缺陷。國(guó)外EBF3技術(shù)開發(fā)方面主要有美國(guó)航空航天局蘭利研究中心（NASA Langley Research Center）、美國(guó)西亞基公司（Sciaky）、英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的核技術(shù)先進(jìn)制造研究中心（Nuclear AMRC），研究材料涉及鋁合金、鈦合金、鎳基合金、鋼等，形成了較為完整的從基礎(chǔ)理論、應(yīng)用基礎(chǔ)到應(yīng)用研究的技術(shù)體系，并形成了針對(duì)金屬直接成形技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)AMS4999[28]。西亞基公司聯(lián)合弗吉尼亞大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)，針對(duì)EBF3成形過程中的若干關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)開展研究，該公司目前已形成多個(gè)系列EBF3金屬3D打印設(shè)備，成形零件尺寸最大可達(dá)5.79m（圖4）。國(guó)內(nèi)中國(guó)航空制造技術(shù)研究院于2006年開始進(jìn)行EBF3技術(shù)的研究，著重開展電子束熔絲沉積增材制造裝備、鈦合金結(jié)構(gòu)成形工藝、性能可靠性等方面的研究[29–32]，開發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)電子束熔絲成形設(shè)備（圖5），并于2012年和2016年在某型飛機(jī)上首次實(shí)現(xiàn)了電子束熔絲沉積增材制造鈦合金次承力結(jié)構(gòu)和主承力構(gòu)件的裝機(jī)應(yīng)用。

2 WAAM技術(shù)

圖4 美國(guó)Sciaky公司電子束熔絲增材制造的鈦合金零件Fig.4 Titanium alloy parts made by EBF3 from Sciaky company

WAAM技術(shù)是采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）、鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）以及等離子焊（PA）等電弧為熱源，通過填加絲材，在數(shù)控程序的控制下，根據(jù)三維數(shù)字模型由線–面–體堆積的方式成形出金屬零件的制造技術(shù)，具有成形尺寸大、設(shè)備簡(jiǎn)單、制造成本低、材料利用率和沉積效率高等優(yōu)勢(shì)，已成為可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量金屬零件經(jīng)濟(jì)快速成形的方法之一[33]。目前，WAAM技術(shù)材料主要包括鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)鋼、不銹鋼和高強(qiáng)鋁合金等。

英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)在WAAM技術(shù)研究與應(yīng)用方面已走在國(guó)際的前沿，Stewart Williams教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與歐洲航天局、洛克希德·馬丁、龐巴迪等諸多知名企業(yè)開展了廣泛合作，成功制造出了最大單方向成形尺寸達(dá)1.5m的飛機(jī)機(jī)翼翼梁、起落架支撐外翼肋等鈦合金構(gòu)件以及整體框梁和肋板（最大長(zhǎng)度6m）等鋁合金構(gòu)件（圖6）。除此之外， Stewart Williams教授研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)絲材質(zhì)量、電弧熱源、過程參數(shù)、工作環(huán)境以及輔助工藝措施（層間軋制、熱處理等）等對(duì)WAAM構(gòu)件內(nèi)部缺陷、外部成形及內(nèi)部組織性能的影響開展了深入研究并取得了較好的研究成果[34–36]。

近年來，國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、華中科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、首都航天機(jī)械公司、北京航星機(jī)器制造公司等單位陸續(xù)開展了針對(duì)不同金屬材料構(gòu)件（鈦合金、鋁合金、高溫合金等）的WAAM制造關(guān)鍵技術(shù)研究[37–41]。值得關(guān)注的是，目前國(guó)內(nèi)外研究人員普遍采用的CMT工藝在用于鋁合金WAAM制造過程中存在著氣孔敏感和各向異性等問題，采用等離子電弧工藝用于鈦合金WAAM制造過程中存在著沉積效率低、組織粗大和各向異性等問題，因而應(yīng)考慮研發(fā)高品質(zhì)的弧焊工藝方法，例如北京航空航天大學(xué)齊鉑金研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超高頻方波脈沖電弧熱源，其超高頻方波脈沖電流在熔池中產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，可顯著降低WAAM構(gòu)件的氣孔敏感性，同時(shí)細(xì)化晶粒組織而有利于構(gòu)件性能的各向同性[42–43]。

圖6 英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)制造的WAAM構(gòu)件Fig.6 Parts made by WAAM from Kleinfeld University

結(jié)論

金屬增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了零件無模具制造，具有材料利用率高、制造周期短、柔性高效等特點(diǎn)，已在航空航天等高端裝備制造業(yè)上顯示了巨大發(fā)展?jié)摿椭匾膽?yīng)用前景。不過，增材制造技術(shù)仍面臨著標(biāo)準(zhǔn)體系不健全、部件適航認(rèn)證不完善、工藝裝備研發(fā)不全面等系列挑戰(zhàn)，需要國(guó)內(nèi)外不同學(xué)科背景的科研團(tuán)隊(duì)共同研究，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維，掌握增材制造專用材料創(chuàng)新、內(nèi)部質(zhì)量與性能改善、成形過程在線監(jiān)控等系列關(guān)鍵技術(shù)，與此同時(shí)，兼顧成形質(zhì)量、效率和成本三者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，加快實(shí)現(xiàn)航空航天產(chǎn)品“設(shè)計(jì)—材料—制造”的一體化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。