賈玉梅

近幾年來，增材制造在全球范圍內(nèi)迅速走熱，發(fā)展增材制造產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為世界主要國家搶抓新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革機(jī)遇，搶占先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)的競爭焦點(diǎn)之一。增材制造在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用層面持續(xù)擴(kuò)大，應(yīng)用深度持續(xù)增加，美國Wohlers協(xié)會對增材制造在各行業(yè)應(yīng)用情況持續(xù)分析中發(fā)現(xiàn)：在過去幾年里，航空零件制造是增長最快的應(yīng)用領(lǐng)域，預(yù)計(jì)2019年產(chǎn)能規(guī)模將達(dá)到60億美元。該行業(yè)的應(yīng)用具有小批量多樣化的特點(diǎn)，對于輕量化、一體化、拓?fù)鋬?yōu)化、提高材料利用率等具有很高的要求，而增材制造恰好能夠最大程度地實(shí)現(xiàn)這些特殊需求，具有極高的附加值。當(dāng)下增材制造技術(shù)在運(yùn)—20、C—919等國產(chǎn)大飛機(jī)、殲—15、殲—31等新型戰(zhàn)斗機(jī)一系列機(jī)載設(shè)備重要核心零部件的應(yīng)用備受關(guān)注。

1 增材制造技術(shù)概述

增材制造（A d d i t i v e Manufacturing，AM）技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工與成形、機(jī)械制造、智能控制等多學(xué)科的綜合性技術(shù)，通過軟件和數(shù)控系統(tǒng)將專用材料逐層堆積制造出實(shí)體物品的技術(shù)。增材制造按照材料不同分為金屬增材制造與非金屬增材制造；按照熱源不同可分為激光增材制造、超聲波增材制造、電子束增材制造、等離子增材制造、電弧增材制造等；按照成形方式不同分為：選取熔化金屬增材制造按照進(jìn)料方式不同可分為送粉/絲增材制造和鋪粉增材制造2種。目前增材制造沒有完全統(tǒng)一的劃分規(guī)定。

激光增材制造是目前航空航天領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要技術(shù)。高性能大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件增材制造（3D打?。┘夹g(shù)，以激光高能束為熱源，合金粉末或絲材為原料，通過高功率高能束原位冶金熔化/快速凝固逐層堆積，直接從零件數(shù)字模型一步完成全致密、高性能大型復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件的直接近凈成形制造，如圖1所示。這一技術(shù)被譽(yù)為是一種“革命性”的低成本、短周期、高性能、綠色、數(shù)字化、材料/制造/結(jié)構(gòu)一體化智能制造技術(shù)，代表著重大裝備大型關(guān)鍵構(gòu)件“高性能材料技術(shù)”和“先進(jìn)制造技術(shù)”的發(fā)展方向。在工業(yè)及國防重大裝備制造中具有巨大發(fā)展?jié)摿蛷V闊發(fā)展前景，可實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接制造與修復(fù)。在世界范圍內(nèi)受到政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。通過激光熔化沉積方式直接制造出的高性能大型金屬構(gòu)件實(shí)物，如圖2所示。

2 多國增材制造技術(shù)相關(guān)政策舉措

隨著增材制造技術(shù)在多領(lǐng)域應(yīng)用工作的開展，多國紛紛制定增材制造技術(shù)相關(guān)的國家戰(zhàn)略和規(guī)劃，推動(dòng)增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，詳見表1。

3 激光增材制造技術(shù)特點(diǎn)及其對航空航天領(lǐng)域的變革性影響

3.1 金屬增材制造技術(shù)優(yōu)勢

金屬增材制造技術(shù)，為航空航天等高端重大裝備中鈦合金、高溫合金、超高強(qiáng)度鋼等高性能大型難加工金屬構(gòu)件的制造提供一條快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技術(shù)新途徑，與鍛壓+機(jī)械加工、鍛造+焊接等傳統(tǒng)大型金屬構(gòu)件制造技術(shù)相比，高性能金屬增材制造技術(shù)具有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：

①激光等高能束原位冶金/快速凝固“高性能金屬材料制備”與“大型、復(fù)雜構(gòu)件成形制造”一體化，制造流程短。

②零件組織結(jié)構(gòu)成分一致性高、晶粒細(xì)小、致密度高，綜合力學(xué)性能優(yōu)勢明顯，零件可反復(fù)“無熱損傷修復(fù)”。

③無需大型鍛鑄工業(yè)裝備及其相關(guān)配套基礎(chǔ)設(shè)施，無需鍛坯制備和鍛造模具制造，后續(xù)機(jī)械加工余量小、材料利用率高、周期短、成本低。

④具有高度的柔性和對構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變化的“超?？焖佟表憫?yīng)能力，同時(shí)也使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不再受制造技術(shù)的制約。

⑤激光、等離子等高能束的能量密度高，可實(shí)現(xiàn)對鎢、鉬、鈮、鉭、鈦、鋯等多種難熔、高性能、高活性、難加工的金屬材料的激光冶金快速凝固制備，亦可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的“近凈成形”直接制造。

⑥可根據(jù)產(chǎn)品構(gòu)件的服役性能等要求和工作條件，靈活調(diào)控激光等高能束作用下材料的化學(xué)成分和顯微組織，從而達(dá)到高性能金屬材料構(gòu)件的多材料、高性能梯度組織/梯度材料零件直接“近凈成形”制造。

⑦增材制造技術(shù)對結(jié)構(gòu)尺寸不敏感，利用“設(shè)計(jì)—制造”融合、快速研制新模式，解放設(shè)計(jì)者的思想束縛，可制造一些過去無法實(shí)現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)。

3.2 激光增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的突出優(yōu)勢

高速、長續(xù)航能力、安全高效低成本運(yùn)行等苛刻服役條件對飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和制造提出了更高要求。輕量化、整體化、長壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)功能一體化以及低成本運(yùn)行成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用和制造技術(shù)共同面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)材料和現(xiàn)代制造技術(shù)的進(jìn)步與融合創(chuàng)新。作為工業(yè)界皇冠上的璀璨明珠，航空航天制造領(lǐng)域集成了一個(gè)國家所有的高精尖技術(shù)，而金屬增材制造技術(shù)作為一項(xiàng)全新的制造技術(shù)，在軍事領(lǐng)域以及航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大，具體航空應(yīng)用如圖3所示。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

①可實(shí)現(xiàn)重大裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變革，采用“設(shè)計(jì)—制造”融合、快速研制新模式，從而制造出一些過去無法實(shí)現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)：如最合理的應(yīng)力分布結(jié)構(gòu)和復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)最理想的溫度控制、振動(dòng)頻率調(diào)控等，提高設(shè)備可靠性。

另外，通過最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將在保證性能的前提下顯著減輕金屬結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，突破傳統(tǒng)技術(shù)極限，實(shí)現(xiàn)航空航天器輕量化的重要的技術(shù)需求，并顯著提高原材料利用率和使用量，大大降低重要戰(zhàn)略金屬材料的需求量。

②可實(shí)現(xiàn)大/超大型構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、復(fù)雜/超復(fù)雜構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、多品種小批量個(gè)性化產(chǎn)品的低成本快速制造，擺脫了極其耗時(shí)的工業(yè)模具制造環(huán)節(jié)，大大縮短新產(chǎn)品研制周期，降低研制成本，大大加快“設(shè)計(jì)—驗(yàn)證”迭代循環(huán)，提高生產(chǎn)效率。

③可實(shí)現(xiàn)高性能非平衡材料、高活性難熔難加工材料、性能梯度材料、高性能多尺度復(fù)合材料、新材料/超材料、創(chuàng)造超常結(jié)構(gòu)材料的制備與復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造，制造同一零件不同部位的不同技術(shù)需求的結(jié)構(gòu)等。

④可實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料的高性能結(jié)合，在傳統(tǒng)鑄鍛或機(jī)械加工零件上任意“生長”性能可靠的新結(jié)構(gòu)，給設(shè)計(jì)者和制造商提供了高效低成本的制造策略選擇。

3.3 激光增材制造存在的問題

除殘余應(yīng)力、能量利用率低、低熔點(diǎn)金屬材料受熱變形、精度與效率矛盾等問題外，大型關(guān)鍵主承力構(gòu)件工程化應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)是增材制造在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用所面臨的最大挑戰(zhàn)，由于內(nèi)應(yīng)力問題和內(nèi)部質(zhì)量難控多變等因素，控制增材制造成形零件的變形開裂是一個(gè)永恒問題。因此，裝備的大小并不代表可實(shí)現(xiàn)的零件尺寸，需要大量的研究和工藝積累。

增材制造“逐點(diǎn)掃描/逐層堆積”的往復(fù)循環(huán)特點(diǎn)以及原材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的特殊性導(dǎo)致其產(chǎn)生了迥異于傳統(tǒng)制造零件的各類特殊工藝缺陷，如微米級氣孔、裂紋、結(jié)構(gòu)件的組織特性等給檢測和控制帶來巨大的挑戰(zhàn)，構(gòu)件一般通過理化分析、力學(xué)性能等宏觀因素考察，缺乏微觀驗(yàn)證，質(zhì)量監(jiān)控手段缺乏已成為制約該技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用的重要瓶頸。

對于大型復(fù)雜曲面輕質(zhì)多孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，目前常用的軟件如CATIA、Au toCAD、UG、ProE、Solidworks 等設(shè)計(jì)時(shí)由于計(jì)算量過大，無法實(shí)現(xiàn)快速結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前的計(jì)算機(jī)硬件無法勝任復(fù)雜非周期性三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，亟待開發(fā)輕量化三維模型設(shè)計(jì)方法和用于三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的有限元分析方法和技術(shù)。

隨著新的增材制造工藝技術(shù)發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)突破了材料和加工工藝限制，大型、整體式結(jié)構(gòu)、復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)等制造變得容易，而這些新結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)模型和承載能力研究缺失相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)規(guī)范等。

作為一種新技術(shù)，目前在材料、工藝、規(guī)范、全尺寸零件力學(xué)性能、疲勞等試驗(yàn)驗(yàn)證方面還存在相當(dāng)?shù)那啡焙筒罹?，成為阻礙其在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的主要障礙。

4 激光增材制造在航空航天領(lǐng)域的最新應(yīng)用

激光增材制造技術(shù)的廣適性及其卓越的優(yōu)勢引起國際上各強(qiáng)國的高度重視，該技術(shù)在航空航天領(lǐng)域和高端裝備領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)被各國列為發(fā)展重點(diǎn)，美國無論在技術(shù)成熟度上還是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的時(shí)間點(diǎn)上，都當(dāng)之無愧世界第1。世界上第1家利用激光增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)件裝機(jī)應(yīng)用的美國AeroMet公司通過該技術(shù)已制造產(chǎn)品有：F—22戰(zhàn)斗機(jī)接頭（圖4）、F—18戰(zhàn)斗機(jī)連接吊環(huán)和起落架連接桿等。激光增材制造F—22戰(zhàn)斗機(jī)接頭和起落架連接桿疲勞壽命均超出設(shè)計(jì)要求，性能大大提高。

美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室提出的激光凈成形（Laser Engineered Net Shaping）技術(shù)，以激光熔覆沉積成形為基礎(chǔ)對不銹鋼、鈦合金、高溫合金等材料開展系列研究，其成型件強(qiáng)度和塑性均顯著高于鍛件，目前該技術(shù)已被用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的修復(fù)。

美國NASA研究中心在NASA空間技術(shù)任務(wù)部的顛覆性開發(fā)計(jì)劃資助下利用激光增材制造技術(shù)成形了一個(gè)具有復(fù)雜冷卻通道的銅合金材料的火箭零件，開拓了增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

通用電氣（GE）公司專注于增材制造以降低其飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本，該公司從3D打印第一個(gè)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴到生產(chǎn)出符合Leap渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的燃燒器襯套，GE已經(jīng)打印了23 500個(gè)零件，到2019年底的時(shí)候，年產(chǎn)量接近40 000個(gè)零件。

美國空軍利用增材制造技術(shù)打印了噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)、各種飛機(jī)部件等，猶他州希爾空軍基地開始為F—35戰(zhàn)斗機(jī)開發(fā)3D打印專用替換零件并在F—22 Paptor上安裝了第一個(gè)3D打印專用替換零件，從而取代飛機(jī)駕駛艙組件中的鋁制部件。

美國relativity Space公司在佛羅里達(dá)州卡內(nèi)維拉爾角空軍基地與美國空軍共建運(yùn)營一火箭發(fā)射臺，其中一個(gè)正在加工中的中型軌道火箭95%是3D打印件。

5 國內(nèi)激光增材制造在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的研究

國內(nèi)的增材制造相關(guān)研究起步較晚，早期基本屬于跟隨美國學(xué)習(xí)，直到1995年美國解密其研發(fā)計(jì)劃才開始投入研究。迄今國內(nèi)開展激光增材制造技術(shù)研究的單位逐漸增多，真正實(shí)現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的主要有北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實(shí)驗(yàn)室、北京煜鼎增材制造研究院有限公司、西安交通大學(xué)等少數(shù)幾家單位。

北京航空航天大學(xué)（以下簡稱“北航”）王華明院士團(tuán)隊(duì)自1998年以來一直致力于激光增材制造成套工藝裝備及工程化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，采用激光增材制造技術(shù)制造出一系列航空用鈦合金大尺寸金屬構(gòu)件，首次在國際上全面突破飛機(jī)鈦合金等大型整體主承力構(gòu)件激光增材制造工藝、裝備、材料及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)“瓶頸難題”，自主建立了“工藝—裝備—質(zhì)量—標(biāo)準(zhǔn)”整套技術(shù)體系。圖5所示為北航團(tuán)隊(duì)利用增材制造技術(shù)所生產(chǎn)的迄今為止世界上最大整體鈦合金構(gòu)件。

北航王華明團(tuán)隊(duì)自2005年起，在飛機(jī)大型主承力結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積制造工藝、成套裝備、過程控制、長期工藝穩(wěn)定性及構(gòu)件質(zhì)量保障等系列核心關(guān)鍵技術(shù)上取得了一系列突破性進(jìn)展，數(shù)百種規(guī)格大型整體鈦合金、超高強(qiáng)度鋼構(gòu)件已在飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星等十余型裝備研制和批量生產(chǎn)中工程應(yīng)用，是我國處于該領(lǐng)域唯一的國際領(lǐng)先水平。

6 結(jié)語

增材制造技術(shù)涵蓋了機(jī)械加工、材料冶金學(xué)、智能控制等多學(xué)科，經(jīng)過近30年的發(fā)展，已突破了傳統(tǒng)金屬材料的瓶頸學(xué)制約，是高性能大型、大尺寸金屬構(gòu)件制造的一個(gè)基本手段和方向。目前雖然增材制造技術(shù)已成功在航空航天、制導(dǎo)武器等型號研制生產(chǎn)中工程化應(yīng)用并逐步推廣，但高性能金屬增材制造技術(shù)相較于傳統(tǒng)鑄鍛焊等制造技術(shù)發(fā)展時(shí)間相對很短，技術(shù)成熟度有待進(jìn)一步提高，所制造的結(jié)構(gòu)零件數(shù)量相對有限。航空航天工業(yè)制造工藝的特殊性以及對安全性、可靠性的嚴(yán)苛要求，對激光增材制造都提出了更高的要求，需要開展系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)研究和工程化研究工作，加速培養(yǎng)專業(yè)人才，制定全產(chǎn)業(yè)鏈增材制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)體系，從制造成本、制造周期、結(jié)構(gòu)性能提升、成本降低等方面綜合考慮各方面因素，進(jìn)行增材制造結(jié)構(gòu)適用性分析，推動(dòng)激光增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用，更好地為航空航天裝備的高效輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高性能低成本制造、快速研制快速維修等提供先進(jìn)技術(shù)支撐。

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