孫小峰，榮婷，黃潔，李明亮，徐迪

上海飛機(jī)制造有限公司 上海 201324

1 序言

增材制造是通過對三維零件數(shù)模進(jìn)行層層切片，基于切片文件進(jìn)行逐層堆積、自下而上的一種成形制造技術(shù)[1，2]。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)具有無需模具、材料利用率高、快速響應(yīng)設(shè)計更改及成形性能優(yōu)異等技術(shù)優(yōu)勢[3，4]，是一種可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)精密“控形”和高性能“控性”相結(jié)合的高端制造方式。按照輸入能量的不同，可以分為激光增材制造、電子束增材制造、電弧增材制造等不同類型。當(dāng)前在國家航空航天重大需求和前沿科學(xué)探索的雙重驅(qū)動下，金屬構(gòu)件的激光增材制造在裝備、材料、工藝、標(biāo)準(zhǔn)等方面都呈現(xiàn)高效創(chuàng)新發(fā)展之勢，在航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5，6]，尤其是在航空航天等高端制造領(lǐng)域展示出了極大的應(yīng)用前景。

目前，金屬結(jié)構(gòu)件激光增材制造技術(shù)應(yīng)用較多的主要包括鋪粉式選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)和同步送粉式激光熔化沉積（Laser Melting Deposition，LMD）技術(shù)[7]，兩種技術(shù)的特點和應(yīng)用對象區(qū)別較為明顯。SLM技術(shù)的分層層厚較小，成形精度高、表面質(zhì)量好，可以實現(xiàn)任意復(fù)雜零件的高效致密成形。而LMD技術(shù)使用的激光能量高，單層的沉積尺寸大，制造效率更高，可以實現(xiàn)大尺寸構(gòu)件制造、多材料復(fù)合和梯度制造、損傷構(gòu)件高性能成形修復(fù)。

在航空制造領(lǐng)域，對于金屬零件的性能穩(wěn)定性和可靠性要求很高[8]。為了制造出滿足民用飛機(jī)制造要求、獲得適航批準(zhǔn)的激光增材制造金屬結(jié)構(gòu)件，國內(nèi)外科研院所、航空制造企業(yè)在金屬構(gòu)件激光增材制造關(guān)鍵技術(shù)及其航空領(lǐng)域應(yīng)用上開展了大量工作，取得了非?？焖俚陌l(fā)展。本文以SLM技術(shù)和LMD技術(shù)為代表，闡述了激光增材制造技術(shù)的研究發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)展，從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、材料符合性和工藝符合性三個方面講述了激光增材制造的適航符合性驗證中的關(guān)注點和進(jìn)展情況，列舉和分析了激光增材制造在航空制造領(lǐng)域的典型應(yīng)用案例，并提出了激光增材制造技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)。

2 SLM和LMD技術(shù)的發(fā)展歷史

2.1 SLM技術(shù)的發(fā)展歷史

SLM技術(shù)源于選區(qū)激光熔化燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）技術(shù)，逐層鋪粉、逐層熔化累積的成形方式，使得該技術(shù)可以實現(xiàn)幾乎任意復(fù)雜零件的高效致密成形。因為SLM技術(shù)的分層層厚較小，一般為30~60μm，所以成形精度高、表面質(zhì)量好，其成形過程原理如圖1所示[9]。

圖1 SLM成形過程原理[9]

1995年，德國Fraunhofer激光技術(shù)研究所提出了基于粉末完全熔化和凝固的冶金機(jī)制獲得致密組織的方法，解決了SLS技術(shù)中致密度差、粘結(jié)強(qiáng)度較低的問題[10]，為SLM技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2000年之后，基于SLS技術(shù)，SLM技術(shù)迅速發(fā)展，國內(nèi)外很多企業(yè)、高校、科研院所等快速推進(jìn)SLM裝備系統(tǒng)、工藝優(yōu)化、新材料開發(fā)工作。德國EOS公司、Concept Laser公司，美國3D System 公司、GE公司等先后研發(fā)出了不同尺寸規(guī)格、不同激光頭數(shù)量、性能穩(wěn)定的商業(yè)化SLM成形設(shè)備，如EOS M280/290、Concept Laser 2000r、SLM Slution 400等。空客、霍尼韋爾在推進(jìn)增材制造的適航認(rèn)證上開展了大量的工作，并依據(jù)MMPDS建立了鎳基高溫合金材料許用值。國內(nèi)清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、華南理工大學(xué)與西北工業(yè)大學(xué)等在揭示SLM成形規(guī)律、成形機(jī)理和缺陷控制方面也取得了豐富的成果。其中，清華大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，在SLM成形Ti-6Al-4V的過程中，小孔是由小孔尖端的嚴(yán)重不穩(wěn)定性引起的，小孔孔隙率在功率－速度圖的邊界是尖銳而光滑的，在光板和粉末床之間變化不大。匙孔的不穩(wěn)定性在熔池中產(chǎn)生聲波，為匙孔尖端附近的氣孔提供額外的驅(qū)動力，使其遠(yuǎn)離匙孔成為缺陷[11]。南京航空航天大學(xué)通過科學(xué)研究揭示了SLM工藝參數(shù)對鈦合金[12]、模具鋼[13]、鎳基高溫合金[14]、鋁合金[15]成形組織、致密度、力學(xué)性能的影響規(guī)律，并提出通過改變粉末原材料組成和添加強(qiáng)化相，來提升SLM成形材料性能。到2010年左右，SLM技術(shù)實現(xiàn)了鈦合金典型件在國內(nèi)某型號飛機(jī)上的應(yīng)用。

2.2 LMD技術(shù)的發(fā)展歷史

LMD技術(shù)一般使用的激光功率較大，可調(diào)節(jié)范圍大，激光光斑尺寸大，所以成形效率高，能夠通過控制參數(shù)來獲得不同的組織，其同軸送粉的工藝特點決定其成形尺寸不受限制，可以實現(xiàn)同一構(gòu)件上多材料的復(fù)合和梯度制造，并可用于損傷構(gòu)件的高性能成形修復(fù)[16]。在發(fā)展進(jìn)程中，形成了直接金屬沉積（Direct Metal Deposition, DMD）[17，18]、激光工程近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）[19]、激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）[20]和激光快速成形（Laser Rapid Forming，LRF）[21]等多種名稱，其原理如圖2所示。

1979年，美國United Technologies公司提出激光熔覆LMD技術(shù)的構(gòu)想并申請專利。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，LMD技術(shù)迅速發(fā)展[22]。1992年，美國Sandia、Los Alamos實驗室、GE公司等相繼開展了鈦合金、鎳基高溫合金、鋼材料的LMD成形技術(shù)研究，相關(guān)工藝研究成果完成實驗室驗證[23]。1998年，美國專門成立AeroMet公司用以開展LMD成形鈦合金在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用。2002年，美國首次實現(xiàn)了小尺寸、次承力鈦合金結(jié)構(gòu)的LMD制造和在F/A-18飛機(jī)上的應(yīng)用，AeroMet公司成為世界上第一家掌握鈦合金構(gòu)件LMD成形并實現(xiàn)裝機(jī)的企業(yè)[24]。國內(nèi)從21世紀(jì)初開始LMD技術(shù)研究，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)與華中科技大學(xué)均在推進(jìn)LMD技術(shù)研發(fā)上獲得了大量的成果。目前，鈦合金、鎳基高溫合金以及316L不銹鋼的LMD成形技術(shù)相對其他材料已經(jīng)十分成熟。其中，鈦合金LMD成形結(jié)構(gòu)的拉伸性能達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)[25]，甚至在合理控制工藝條件的情況下，沉積態(tài)鈦合金的拉伸性能也可以達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)。在2005年左右，北京航空航天大學(xué)聯(lián)合中航沈飛股份有限公司等單位，實現(xiàn)了小型、次承力鈦合金構(gòu)件LMD成形技術(shù)突破，使我國成為繼美國之后突破LMD技術(shù)的第二個國家。2008年以來，LMD技術(shù)在國內(nèi)某些型號飛機(jī)的大型構(gòu)件研制中相繼獲得應(yīng)用。大型構(gòu)件的應(yīng)力控制和變形開裂是其面臨的關(guān)鍵難題，也是阻礙其進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵要素[26]。

圖2 LMD成形過程原理[9]

3 激光增材制造適航符合性研究進(jìn)展

民用飛機(jī)制造有一個很大的特點，就是用于飛機(jī)制造的所有材料和制造方法必須經(jīng)過適航認(rèn)證才可以實現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用[27]。這就要求制定相應(yīng)的材料規(guī)范和工藝規(guī)范，并向負(fù)責(zé)適航審定的局方演示驗證，獲得局方的批準(zhǔn)。目前，國外在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定上走在了前列。以SLM技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為例，美國材料測試協(xié)會（ASTM）針對粉末床工藝已經(jīng)發(fā)布相關(guān)規(guī)范共計14項，涉及Ti-6Al-4V（ASTM F2924-14）、Ti-6Al-4V ELI（ASTM F3001-14）、AlSi10Mg（ASTM F3318-18）、鎳基高溫合金（ASTM F3055-14、ASTM F3056-14）、不銹鋼（ASTM F3184-16）等，還有后處理方法工藝規(guī)范ASTM F3301-18、工藝特性和性能表征規(guī)范ASTM 3303-18。2017年，美國航空航天局NASA發(fā)布了激光粉末床冶金過程的控制和鑒定規(guī)范MSFCSPEC-3717。2018年，美國汽車工程協(xié)會（SAE）發(fā)布了激光粉末床熔融工藝的規(guī)范A M S 7003—2018。國內(nèi)關(guān)于SLM的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚處于起步階段，尤其是面向適航的規(guī)范體系基本上還是空白。

3.1 粉末原材料控制研究

在進(jìn)行S LM用粉末原材料的適航符合性研究中，F(xiàn)AA、NASA、SAE及中國適航審定中心等機(jī)構(gòu)認(rèn)為，增材制造原材料的控制要素應(yīng)考慮（不限于）：化學(xué)成分、粒徑、流動性、松裝密度與粉末形貌等。這些因素對于SLM成形質(zhì)量的影響大，必須通過材料規(guī)范對粉末原材料的性能進(jìn)行控制。同時，SLM專用金屬粉末價格昂貴，如果應(yīng)用于航空領(lǐng)域的粉末基本上全部使用新粉，會造成成本居高不下。國外有單位提出允許粉末重復(fù)利用且不推薦重復(fù)利用粉末超過10次?；裟犴f爾公司在開展激光增材制造金屬材料許用值開發(fā)時，將原材料粉末重復(fù)利用作為變異性因素納入考量，以實現(xiàn)降低粉末使用成本的目的。NASA在MSFC-SPEC-3717規(guī)范中也提出在滿足要求的情況下，允許粉末重復(fù)使用。因此，開展SLM原材料粉末的重復(fù)使用研究來降低成本十分必要。未來若實現(xiàn)增材制造金屬材料在航空領(lǐng)域的批量應(yīng)用，粉末的重復(fù)利用一定不可忽視。圖3、圖4為粉末經(jīng)過不同的重復(fù)使用次數(shù)后，粉末的粒徑分布和形貌。從中可以看出，隨著粉末重復(fù)利用次數(shù)的增加，粉末的粒徑增加，粉末中“衛(wèi)星粉”數(shù)量和小尺寸粉末占比明顯降低，在重復(fù)利用12次之后合金粉末中的“衛(wèi)星粉”近乎消失。

圖3 不同重復(fù)使用次數(shù)下鈦合金粉末的粒徑分布

圖4 不同重復(fù)使用次數(shù)下鈦合金粉末的形貌

3.2 工藝過程控制研究

在CCAR 25部中，605條款對工藝方法進(jìn)行了明確的規(guī)定：如果某種制造工藝需要嚴(yán)格控制才能達(dá)到目的，則該工藝必須按照批準(zhǔn)的工藝規(guī)范執(zhí)行。SLM技術(shù)作為一種特種工藝，工藝過程需通過工藝規(guī)范進(jìn)行控制。歐洲航空安全局EASA在某份增材制造認(rèn)證備忘錄中對增材制造的基本工藝提出了具體的指導(dǎo)要求，其中有一項重要的關(guān)注點就是增材制造工藝參數(shù)的識別、優(yōu)化和控制。針對成形件實體，SLM實行的是“填充+輪廓”的成形方式，而對于每一層的填充，則使用的是“條帶+旋轉(zhuǎn)”的掃描策略，對于成形零件的外表面，則根據(jù)不同的表面位置采取不同的工藝（上下表面）方法。綜合考慮SLM成形金屬材料的過程，工藝控制的參數(shù)可以分為3類。

（1）固化的參數(shù) 在成形過程中固定不變，如層厚，影響其波動的要素主要是設(shè)備控制和相關(guān)傳感器的精度，因此增材制造設(shè)備應(yīng)定期校準(zhǔn)且滿足要求。

（2）關(guān)鍵參數(shù) 直接影響成形組織和性能且具備波動性的參數(shù)，SLM的關(guān)鍵參數(shù)有激光功率、掃描速度和掃描間距。目前，很多單位對這些參數(shù)的優(yōu)化開展了大量的研究，這些參數(shù)的變化主要是通過影響能量輸入而影響組織、缺陷，從而影響性能。圖5a顯示的是當(dāng)輸入的激光能量密度低時，組織內(nèi)部會形成未熔合缺陷，缺陷尺寸可達(dá)100μm；而當(dāng)激光功率過高時，導(dǎo)致能量密度大，則在組織內(nèi)部促使了深孔的形成。

（3）重要且受控的參數(shù) 對成形質(zhì)量影響較大，但是通過一定的方法就能實現(xiàn)控制的參數(shù)。比如條帶寬度、搭接距離等，這些參數(shù)只要通過研究獲得了優(yōu)化的水平，且能夠通過有效手段進(jìn)行控制就可以保證質(zhì)量。

工藝參數(shù)控制是SLM工藝過程管控環(huán)節(jié)中很重要的一個部分，但是SLM工藝控制并不僅僅只有工藝參數(shù)，對設(shè)備的選擇、維護(hù)保養(yǎng)也會影響設(shè)備輸出激光的質(zhì)量和波動性，從而影響工藝過程的穩(wěn)定性；制造過程中零件的擺放方式、零件的后處理方法等都會對SLM成形質(zhì)量產(chǎn)生影響，這些都必須在工藝規(guī)范中進(jìn)行明確控制。另外，在質(zhì)量控制方法下，基于“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測”的控制模式也對SLM工藝過程中的控制要素起到重要指導(dǎo)作用。

圖5 通過能量密度調(diào)控SLM成形金屬內(nèi)部缺陷

4 激光增材制造在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，SLM制造的典型零件已經(jīng)實現(xiàn)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用，圖6a顯示的GE公司利用SLM工藝完成的航空發(fā)動機(jī)燃油噴嘴的一體化成形，將20個零件集成1個部件進(jìn)行打印，減重25%[28]，并實現(xiàn)數(shù)萬個零件的批量制造，成為最成功的應(yīng)用案例之一。該公司還完成發(fā)動機(jī)電動門支架的制造，減重10%，原材料的浪費(fèi)減少90%[29]，如圖6b所示。圖6c顯示的是空客采用SLM技術(shù)制造的飛機(jī)Ti-6Al-4V支架，與傳統(tǒng)加工方式相比輕約30%[30]?？湛瓦€實現(xiàn)了客機(jī)艙門鎖閂軸的制造，將10個零件整合為1個零件，減重降本，如圖6d所示[31]?？湛瓦€利用SLM技術(shù)完成了機(jī)艙仿生隔板零部件的制造[32]，如圖6e所示。而在國內(nèi)某型號民用飛機(jī)上，SLM成形的鈦合金艙門結(jié)構(gòu)件也已經(jīng)實現(xiàn)了裝機(jī)飛行，如圖6f所示。

圖6 SLM成形零件的應(yīng)用

圖7 LMD成形的鈦合金構(gòu)件

圖8 北航LMD打印的機(jī)鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框[35]

國內(nèi)關(guān)于LMD技術(shù)的研究開始的較早。早在2009年，中國商飛公司就與西北工業(yè)大學(xué)合作開展了LMD技術(shù)在航空結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用研究，通過LMD技術(shù)制造的某型號飛機(jī)Ti-6Al-4V翼肋緣條[33]和飛機(jī)窗框試驗件[34]，其中翼肋緣條長度達(dá)3100mm，該零件的無損檢測和力學(xué)性能測試結(jié)果均滿足中國商飛的設(shè)計要求，如圖7a所示。風(fēng)擋窗框作為一種復(fù)雜的主承力結(jié)構(gòu)，需要滿足抗高壓、抗鳥撞等設(shè)計需求，利用LMD技術(shù)實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的制造，并大幅縮短了加工時間，試驗件如圖7b所示。北京航空航天大學(xué)王華明教授團(tuán)隊利用LMD技術(shù)制造出了大型飛機(jī)鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框[35]，如圖8所示。除了制造，LMD技術(shù)在修復(fù)上也有很大的應(yīng)用空間，圖9所示為通過LMD技術(shù)進(jìn)行激光熔覆修復(fù)的航空發(fā)動機(jī)葉片，通過修復(fù)能夠大大降低零件的制造成本，實現(xiàn)修復(fù)后零件的尺寸、性能與原始零件相當(dāng)[30，36]。LMD技術(shù)由于其靈活的加工方式，在與傳統(tǒng)技術(shù)的復(fù)合加工上展現(xiàn)出了很廣泛的應(yīng)用前景，可實現(xiàn)“增減材”復(fù)合制造。

圖9 采用LMD技術(shù)修復(fù)損傷零件[30，36]

5 激光增材制造在航空制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)

激光增材制造技術(shù)以自身的技術(shù)優(yōu)勢，在航空制造領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力越加明顯。當(dāng)前，以SLM技術(shù)為代表的激光增材制造技術(shù)正面臨著民用飛機(jī)應(yīng)用的窗口機(jī)遇期。在技術(shù)層面，SLM成形尺寸受設(shè)備限制，成形組織內(nèi)部存在微孔洞缺陷，表面質(zhì)量和成形效率的矛盾，以及大型構(gòu)件的應(yīng)力控制和變形開裂等阻礙激光增材制造進(jìn)一步應(yīng)用的挑戰(zhàn)正在逐漸被攻克。在應(yīng)用層面，正向設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面依然存在嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，將是后續(xù)研究和發(fā)展的重點方向。

（1）與設(shè)計高度融和，發(fā)揮正向設(shè)計優(yōu)勢 由于增材制造技術(shù)有著很高的設(shè)計自由度，可以制造傳統(tǒng)方法無法加工的結(jié)構(gòu)，這就給零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化帶來了很大的優(yōu)化空間，因此將增材制造技術(shù)應(yīng)用于航空領(lǐng)域，僅靠增材制造技術(shù)來替代傳統(tǒng)鑄造、鍛造技術(shù)是片面的。未來增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用方向一定會與設(shè)計充分結(jié)合，通過正向設(shè)計的理念，制造出滿足設(shè)計要求的零件，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計上的顛覆性創(chuàng)新。

（2）制定基于原材料、工藝過程的行業(yè)規(guī)范 作為一項正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，增材制造在原材料、工藝、后處理、組織性能數(shù)據(jù)庫等方面的數(shù)據(jù)儲備還不充足，需要業(yè)界研究者共同努力，健全激光增材制造金屬材料的基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)體系，共同開發(fā)出適合于增材制造的粉末原材料、工藝過程等規(guī)范。

（3）建立無損檢測標(biāo)準(zhǔn) 一方面，由粉末原材料直接熔融獲得的增材制造金屬零件，原材料在形態(tài)發(fā)生變化的過程中不可避免地會存在細(xì)小的孔洞微觀缺陷，傳統(tǒng)的無損檢測方法受設(shè)備、分辨率限制，對這些細(xì)小微觀缺陷難以檢出。另一方面，較高的設(shè)計自由度也會給增材制造零件的無損檢測方法帶來挑戰(zhàn)。因此，傳統(tǒng)的增材制造檢測方法可能難以滿足增材制造金屬零件的無損檢測要求，建立適用于增材制造金屬零件的無損檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)也成為增材制造零件檢測的一個新挑戰(zhàn)。

6 結(jié)論與展望

本文綜述了SLM技術(shù)和LMD技術(shù)的技術(shù)特點和發(fā)展歷史，在經(jīng)歷了長期的積累和發(fā)展基礎(chǔ)上，SLM技術(shù)和LMD技術(shù)都已經(jīng)向航空制造等高端制造領(lǐng)域應(yīng)用推廣，在國內(nèi)外一系列型號上取得了應(yīng)用，展示出極大的應(yīng)用潛力和廣泛的應(yīng)用前景。面向民用飛機(jī)制造，國內(nèi)外在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、粉末原材料、工藝過程等方面也都開展了適航符合性研究，明確了適航關(guān)注重點，為進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)在民用飛機(jī)制造領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在應(yīng)用層面，正向設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面依然存在嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，將是后續(xù)研究和發(fā)展的重點方向。