航空材料增材制造特征和影響要素

張學(xué)軍

在航空領(lǐng)域，金屬增材制造目前主要有五種方法：激光選區(qū)技術(shù)、激光直接沉積成形技術(shù)、電子束選區(qū)技術(shù)、電子束熔絲技術(shù)、電弧熔絲技術(shù)。飛機(jī)和發(fā)動機(jī)由于追求大載荷、高可靠、長壽命，因而要求材料要輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫，結(jié)構(gòu)要低缺陷、高穩(wěn)定性。而材料在追求輕質(zhì)、耐高溫、高強(qiáng)的同時，往往導(dǎo)致低塑性和高熱裂紋敏感性，這將降低材料的焊接性能。

我們知道，金屬材料增材制造的基本原理就是焊接，低塑性和高熱裂紋敏感性材料可焊性差，極易出現(xiàn)焊接裂紋，可見，航空領(lǐng)域追求材料的先進(jìn)性與增材制造成形工藝的要求是一對矛盾。

這是航空材料增材制造的特點(diǎn)，也是應(yīng)用增材制造技術(shù)時必須要解決的問題。我們通過研究發(fā)現(xiàn)，金屬材料增材制造的組織、缺陷、表面粗糙度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中是影響結(jié)構(gòu)綜合力學(xué)性能的四個要素，粉末材料、打印設(shè)備、結(jié)構(gòu)設(shè)計、打印工藝和后處理都會影響這四個要素。

組織：有明顯方向性

在組織方面，激光選區(qū)熔化成形技術(shù)的原理是由若干層焊道疊加起來，最后制成材料。如果我們把該材料切割出一個剖面，從垂直切面看，就是一條條焊道堆積起來的，從水平切面看，就是各條焊道互相交叉形成的。

鈦合金激光選區(qū)熔化技術(shù)制成的材料，其組織狀態(tài)在縱向和橫向存在顯著的差異。在縱向上，組織具有比較明顯的方向性。我們知道，鎳基高溫合金的枝晶組織會穿過兩個或幾個焊道向上生長。激光直接沉積成形技術(shù)打印的高強(qiáng)鋼組織，與鎳基合金相似，也有明顯的方向性。

但同一類材料的不同牌號組織，其生產(chǎn)方向性不同。由于合金成分影響，同種成形方法其組織的定向生長是不一樣的。同一牌號合金，不同打印方法形成的組織定向生長傾向也不同，電子束和電弧熔絲技術(shù)制成的材料，其組織生長方向性最強(qiáng)，激光選區(qū)熔化制成的材料，組織生長方向性最弱。這主要是熔池的尺寸帶來的影響，電子束熔絲熔池的尺寸要遠(yuǎn)大于激光選區(qū)熔化熔池。

組織會影響材料的力學(xué)性能。在研究激光選區(qū)熔化成形技術(shù)時，我們發(fā)現(xiàn)，垂直方向、水平方向和45度方向的力學(xué)性能均存在差異。例如，鈦合金激光選區(qū)熔化成形制成的材料，多表現(xiàn)出縱向性能要低于橫向性能，但是通過工藝調(diào)整，也可以獲得縱向性能大于橫向性能的材料。這就是工藝影響組織，組織影響性能。

激光直接沉積技術(shù)制成的鈦合金材料，其組織縱向生長傾向大，一般理解為縱向性能比橫向性能高，但是實(shí)際上大多情況下縱向性能比橫向低。激光選區(qū)熔化成形制成的高溫合金材料，與鍛件材料比較，其力學(xué)性能絕對數(shù)值并不低，但數(shù)據(jù)分散性較大，且縱向、橫向、45度方向數(shù)據(jù)差異較大。

缺陷：氣孔尺寸影響裂紋起源

激光選區(qū)熔化技術(shù)最明顯的缺陷就是有氣孔。鈦合金和鎳合金氣孔量比較少，致密度能達(dá)到99.98%以上水平，鋁合金氣孔量多一些，致密度大概能做到99.5%左右水平。我們對氣孔進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)，這些氣孔有不規(guī)則的，也有近球形的，而且鋁合金氣孔內(nèi)表面都存在一定程度的氧化。我們對氣孔進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)其尺寸主要集中在20～60微米范圍內(nèi)，超過400微米的氣孔很少見。

還有一類缺陷就是熱裂紋。鎳基合金、鈷基合金形成的熱裂紋一般尺寸較小，是在熔池結(jié)晶過程中產(chǎn)生的。激光選區(qū)熔化技術(shù)形成的微裂紋為微米級，而電子束熔絲技術(shù)形成的熱裂紋可達(dá)幾個甚至幾十個毫米。鈦合金主要產(chǎn)生的是大尺寸敞開性裂紋，這是由于打印過程中累積的殘余應(yīng)力過大，超過了材料的強(qiáng)度極限而導(dǎo)致的開裂。

激光直接沉積成形技術(shù)的缺陷主要有未熔合、裂紋、氣孔，電子束熔絲技術(shù)的缺陷也主要是氣孔和裂紋。電子束熔絲技術(shù)形成的氣孔空洞會更大，可以達(dá)到毫米級甚至是幾毫米的孔洞，熱裂紋的尺寸也是比較大的。

氣孔會影響材料的疲勞性能。我們對缺陷進(jìn)行了力學(xué)性能影響的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)缺陷在表面開口和埋在內(nèi)部對疲勞性能影響差距非常顯著，也就是說表面開口的氣孔會顯著影響疲勞性能，材料內(nèi)部的微小氣孔對疲勞性能影響較小，而較大尺寸的氣孔對疲勞性能有顯著影響。

我們做了一個統(tǒng)計，激光直接熔化成形材料，疲勞試樣產(chǎn)生的裂紋70%以上是從內(nèi)部的氣孔起源的，而鍛造件的裂紋90%以上是從表面起源的。因此，可以說，氣孔尺寸影響了裂紋的起源，甚至?xí)绊懰磥碓诮Y(jié)構(gòu)中的斷裂模式。激光選區(qū)熔化制成的材料，其裂紋大概97%是從表面起源，也就是說，激光選區(qū)熔化技術(shù)造成的氣孔對于疲勞性能的影響相對來說要小得多。

表面粗糙度：處理方法不理想

增材制造材料的表面粗糙度也會對結(jié)構(gòu)性能帶來影響。比如，激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制成的材料，其表面狀態(tài)和精密鑄造加工而成的材料大不一樣。以鎳合金為例，精密鑄造鎳合金的表面粗糙度是2.5～3.2微米，而激光選區(qū)熔化鎳合金的上表面粗糙度可達(dá)2～3微米，側(cè)表面粗糙度可達(dá)4～5微米，下表面粗糙度更可達(dá)12μm以上?？梢?，激光選區(qū)熔化鎳合金的表面粗糙度較大，當(dāng)其位于應(yīng)力集中區(qū)時，容易出現(xiàn)開裂。

對于增材制造材料表面的處理，有若干種方法，包括磨粒流、電磁拋光、電化學(xué)拋光、化學(xué)拋光、機(jī)械拋光等，但是對于復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)，這些方法的實(shí)際效果并不理想。例如，磨粒流方法往往會把不需要加工的地方磨多了，而需要加工的地方?jīng)]有加工到。目前增材制造材料內(nèi)流道表面處理成了關(guān)鍵性的問題，尚待解決。

和常規(guī)的鑄造材料不同，關(guān)于增材制造材料表面粗糙度對材料疲勞性能的定量影響，我們還需要深入研究，獲得可靠數(shù)據(jù)才行。特別是在具有內(nèi)流道的結(jié)構(gòu)上，增材制造材料的表面粗糙度對疲勞壽命、氣動性能和沉積異物的影響，我們目前的認(rèn)識還很淺。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中：避開成形不理想?yún)^(qū)域

在結(jié)構(gòu)方面，增材制造的優(yōu)勢是可以進(jìn)行減重設(shè)計。整體設(shè)計甚至是復(fù)合化設(shè)計給設(shè)計者提供了很大的自由空間，但是我們把幾個因素結(jié)合在一起，就會發(fā)現(xiàn)這種自由度是很有限的。

對增材制造材料采用輕量化設(shè)計時，要考慮結(jié)構(gòu)成形方向，結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)避開成形不理想?yún)^(qū)域，或者有針對性地進(jìn)行尺寸、圓弧過渡等減少應(yīng)力集中的設(shè)計，所以我們要把結(jié)構(gòu)設(shè)計納入到增材制造坐標(biāo)系里面進(jìn)行設(shè)計。

總之，增材制造材料的組織、缺陷、表面狀態(tài)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中等，是影響材料結(jié)構(gòu)疲勞性能的四要素，都會對增材制造的疲勞性能帶來顯著的影響。

增材制造材料的質(zhì)量控制

增材制造材料的質(zhì)量控制，實(shí)際上就是控制影響上文所講四個要素的因素，主要包括粉末、設(shè)備、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝、后處理等方面。

以粉末來說，目前有多種制備粉末的方法，每種方法所制成的粉末的表面狀態(tài)是不一樣的。這種表面狀態(tài)的不同，會影響到材料的缺陷，尤其是會影響到氣孔的形成。比如，空心粉末有些孔洞是光滑的，還有大球套小球的狀態(tài)，在打印出來的材料中，其內(nèi)部氣孔在形態(tài)上與粉末的孔洞有些相似，那么這里面可能有一個對應(yīng)的關(guān)系，也就是說粉末的孔洞會影響到材料的氣孔。

在設(shè)備方面，穩(wěn)定性是關(guān)鍵。設(shè)備穩(wěn)定性在激光選區(qū)熔化技術(shù)上有重大的影響，因此，設(shè)備結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定以及激光器等的穩(wěn)定是至關(guān)重要的。另外，從工程應(yīng)用的角度來說，對設(shè)備還應(yīng)該有智能化的要求，包括實(shí)時校準(zhǔn)、過程的監(jiān)視，甚至要求具備反饋的功能。我們現(xiàn)在采用熔池監(jiān)控等辦法，對于能量的不均勻分布，以及顯示缺陷進(jìn)行檢測，這對于評價質(zhì)檢的質(zhì)量至關(guān)重要。對于不同廠家生產(chǎn)的不同型號的設(shè)備，也要進(jìn)行認(rèn)證，而且這種認(rèn)證需要規(guī)范化。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法可以設(shè)計更復(fù)雜的輕量化結(jié)構(gòu)，但這不能是完全自由的，應(yīng)該有一個標(biāo)準(zhǔn)。目前我們正在開展這項工作，把結(jié)構(gòu)細(xì)分成結(jié)構(gòu)單元，并對結(jié)構(gòu)單元提出標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計要求。這個工作完成后，就能指導(dǎo)或者是約束結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

工藝的優(yōu)化大致包含兩類：工藝設(shè)計和工藝實(shí)施，這里面包含的內(nèi)容比較多，實(shí)施過程中會嚴(yán)重影響增材制造材料缺陷的產(chǎn)生和控制。這方面內(nèi)容比較多，限于字?jǐn)?shù)本文無法一一展開了。

最后一個方面是后處理，包括熱處理、熱等靜壓處理、表面處理等。熱處理能影響改變組織狀態(tài)、力學(xué)性能。激光選區(qū)熔化成形的材料，通過熱處理甚至可以使組織達(dá)到類似于等軸晶組織狀態(tài)。激光直接熔化成形制成的材料，通過熱處理也可以改變它的狀態(tài)，但是達(dá)不到激光選區(qū)熔化成形材料的狀態(tài)。而電子束熔絲由于初始的組織較粗大，后續(xù)的熱處理很難從根本上改變它的組織狀態(tài)。也就是說，不同的增材制造方法制成的材料，后期通過熱處理，在改變其組織和性能方面，所能達(dá)到的效果是不一樣的。

熱等靜壓處理之后，材料的氣孔會顯著地減少，尺寸也會縮小。因此，從結(jié)果上來看，熱等靜壓處理對閉合氣孔類的缺陷是非常有效的，但是熱等靜壓處理之后，有一些機(jī)理的問題還需要研究。例如缺陷閉合處，材料服役時會不會從這一處率先萌生裂紋，目前還是未知的，需要做更深入的研究。

綜上所述，對于飛機(jī)和航空發(fā)動機(jī)所用的材料和結(jié)構(gòu)，我們應(yīng)該研究它的全流程，關(guān)注全流程的關(guān)鍵技術(shù)，只有這些技術(shù)問題都解決了，才能確保所打印零件的性能，保證它的可靠性。

我們目前關(guān)注的往往是能不能通過增材制造方法打印出材料來，實(shí)際上它背后還有很多的基礎(chǔ)性問題需要解決，應(yīng)該把最基礎(chǔ)的機(jī)理問題研究清楚、研究透，最終制成的零件才能放心應(yīng)用。