張春杰 齊超琪 趙凱

摘要：金屬增材制造技術憑借其個性化定制能力和高質(zhì)量成形潛力，迅速發(fā)展成為影響航空航天設計與制造能力的一項關鍵先進技術。在簡要總結(jié)金屬增材制造技術分類和原理的基礎上，闡述了高強鋁合金在激光增材、電弧增材、電子束增材、固相增材工藝下的形性調(diào)控與成形機理研究進展，綜合歸納了鋁合金增材制造技術在航空航天領域的具體應用，展望了大型鋁合金承力構(gòu)件在形性調(diào)控、結(jié)構(gòu)設計、材料體系、工藝數(shù)據(jù)庫、智能化增減材技術等方向的研究。

關鍵詞：增材制造;鋁合金;輕質(zhì)承力金屬構(gòu)件;形性調(diào)控;成形機理

0? ? 前言

隨著我國航空航天高精尖技術不斷革新，對輕質(zhì)化、高可靠、高性能結(jié)構(gòu)件的需求愈加迫切[1-3]。高強鋁合金憑借其輕質(zhì)高強的特點，逐漸成為運載火箭、航空航天飛行器、深空探測等領域的關注焦點，廣泛應用于導彈殼段結(jié)構(gòu)、機翼大梁、火箭助推模塊尾段、月球車輪轂等承力結(jié)構(gòu)[4-6]。此外，隨著航空航天產(chǎn)品升級換代步伐的急劇加快，研制周期不斷縮短，傳統(tǒng)制造難以滿足低成本、高效率的制造要求和復雜化、輕質(zhì)化、整體化的結(jié)構(gòu)要求。

金屬增材制造作為先進制造技術的代表，與傳統(tǒng)制造工藝相比，在成形原理、原料形態(tài)、制件性能等方面發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變，能夠在無需模具的情況下，通過逐層堆疊離散材料的方法實現(xiàn)大型復雜承力結(jié)構(gòu)件的一體化成形，從而減輕構(gòu)件質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，同時對設計創(chuàng)新、個性制造、控制成本有著強力支撐[7-8]。因此，高強鋁合金與增材制造技術的結(jié)合既能滿足航空航天輕質(zhì)化和高性能的應用需求又能應對高效、低成本的制造挑戰(zhàn)，在關鍵復雜結(jié)構(gòu)件制備領域具有極大的技術優(yōu)勢和廣闊的應用前景。然而，研究發(fā)現(xiàn)，鋁合金對激光束/電子束吸收率低、熱導率高、極易被氧化，極大限制了激光/電子束增材成形效率與結(jié)構(gòu)件性能[9];傳統(tǒng)電弧增材制造過程不穩(wěn)定，成形件精度較差[10]。受制于鋁合金材料與增材制造技術特性，高強鋁合金增材制造結(jié)構(gòu)件的制備面臨極大的挑戰(zhàn)。

文中針對高強鋁合金電弧增材、激光增材、電子束增材、固相增材四類典型增材制造技術，梳理了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與技術進展，系統(tǒng)性總結(jié)了增材制造控形控性案例與方法，及高強鋁合金增材制造技術在航空航天領域的具體應用，探討了高強鋁合金增材制造技術的發(fā)展趨勢。

1 金屬增材制造方法與適用性分析

金屬增材制造技術成形原理大致可分為熔化增材制造和固相增材制造[11]。熔化增材制造是由熱源作用于粉末或絲材，經(jīng)過微區(qū)快速熔化與凝固，從而獲得性能良好的成形件。根據(jù)熱源類型可以將熔化增材制造分為電弧增材[12]、激光增材[13-14]、電子束增材[15]和激光—電弧復合增材[16]。固相增材制造則是利用塑性成形和擴散連接的原理，獲得完全致密的零件，有效避免了熱裂紋與孔隙問題[17]。目前發(fā)展比較成熟的固相增材制造工藝主要包括超聲增材[18]、攪拌摩擦增材[19]和新型固態(tài)增材（MELD）[20]。

1.1 電弧增材制造

以電弧為熱源的電弧增材制造技術（WAAM），其成形設備簡單且成本較低，材料利用率及成形過程的沉積效率較高，適合大尺寸構(gòu)件的快速成形加工[21-22];但堆積零件熱積累嚴重，邊緣形態(tài)與成形尺寸控制困難，直接影響零件的冶金結(jié)合強度、堆積尺寸精度和表面質(zhì)量[23]。該技術可以分為兩大類：熔化極電弧增材制造與非熔化極電弧增材制造。其中，熔化極電弧增材主要包括熔滴自由過渡的熔化極氣體保護（GMA）增材[24]和熔滴短路過渡的冷金屬過渡（CMT）增材[25];非熔化極電弧增材則包括利用鎢極與基體直接起弧的鎢極氣體保護（GTA）增材[26]和內(nèi)置維持電弧的等離子增材（PA）增材[27-28]，具體原理如圖1所示。

1.2 激光增材制造

以激光作為熱源的激光增材制造技術的主要優(yōu)勢在于加工柔性好、成形精度高、質(zhì)量好[29-31];但粉末增材效率較低、材料利用率低，且鋁合金具有激光吸收率低、熱導率高、氧化性強等特殊物理性質(zhì)，導致鋁合金激光增材成形質(zhì)量差[32-33]。根據(jù)材料狀態(tài)和送給方式的差異，該技術可分為基于同步送粉的激光熔化沉積技術[34]、基于同步送絲的激光送絲增材技術[35]和基于預置粉末的激光選區(qū)熔化技術[36]，如圖2所示。

1.3 激光—電弧復合增材制造

激光—電弧復合增材制造技術將激光與電弧兩種熱源進行復合，共同作用于基體與絲材，實現(xiàn)金屬材料的堆疊成形[37]，具體原理如圖3所示。其中激光與電弧的復合不是邏輯上的疊加，兩者之間的交互作用促進兩種熱源取長補短，激光作用基體表面產(chǎn)生的等離子體有助于穩(wěn)定電弧弧根，而電弧作用于熔融金屬表面有助于降低基材對激光的反射率[38-39]?；谏鲜鲎饔脵C制，該技術具有增材過程穩(wěn)定、成形質(zhì)量好、成形效率高等優(yōu)點。

1.4 電子束增材制造

以高能電子束作為熱源的電子束增材制造技術具有能量輸入大、成形質(zhì)量好、沉積效率高、真空環(huán)境無污染等優(yōu)點，適合難熔材料的成形以及太空環(huán)境下復雜構(gòu)件的一體化制造[40-41];但真空環(huán)境維持難度系數(shù)高，因此成本消耗大，大尺寸結(jié)構(gòu)件成形受到限制，且鋁合金反射率高導致成形效率偏低。該技術可以分為兩類：一類是基于同步送絲的電子束熔絲增材制造[42];另一類是基于預鋪粉末的電子束選區(qū)熔化技術[43]，如圖4所示。綜上所述，熔化增材制造過程通常伴隨著材料的熔化和凝固，需要經(jīng)歷復雜的物理變化與化學變化，有利于得到性能優(yōu)化的結(jié)構(gòu)件，但也增加了成形件的結(jié)構(gòu)不可控性。由于鋁合金熱膨脹系數(shù)大，因此鋁合金熔化增材成形件變形較大，導致熔化增材在鋁合金上的應用受到限制。

1.5 固相增材制造

與熔化增材原理不同，固相增材制造技術避免了金屬熔化的過程，采用特有的方式使待成形材料在固態(tài)或塑性狀態(tài)下直接連接成形。固相增材工藝不需要高溫環(huán)境，在保留了原材料機械性能的同時，幾乎不產(chǎn)生熱殘余應力與熱變形[45];該工藝屬于開放式操作，無需粉床或沉積腔體，便于制造超大型結(jié)構(gòu)件;材料適用范圍更廣，并能實現(xiàn)功能材料的制造與異種金屬間的連接。該技術包括以超聲波焊原理為基礎的超聲增材制造[46]和以攪拌摩擦焊接原理為基礎的攪拌摩擦增材（FSAM）[47]與新型固態(tài)增材（MELD）[48]，具體原理如圖5所示。

2 高強鋁合金增材制造工藝研究進展

2.1 電弧增材制造

英國克蘭菲爾德大學Williams Stewart教授團隊自2010年開始研究基于CMT工藝的鋁合金WAAM技術，涉及的高強鋁合金牌號包括2219和2024，系統(tǒng)地研究了熔滴過渡模式、層間軋制、雙絲增材對高強鋁合金WAAM成形件缺陷與性能的影響。該團隊對比研究了4種典型熔滴過渡模式：CMT、CMT-P、CMT-ADV、CMT-PADV對2219鋁合金WAAM成形質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)CMT-PADV因具有熱輸入低、焊絲陰極清理效果好等優(yōu)點，成形件內(nèi)部氣孔最少，結(jié)果如圖6所示[49]。在此基礎上，成功制備了2219和2024鋁合金WAAM成形件，沉積態(tài)與熱處理態(tài)增材式樣與鍛件對比結(jié)果如表1所示[50]。可見，WAAM試件T6熱處理后，力學性能均超過了同成分的鍛件T6態(tài)水平。

一般而言，增材過程中Zn元素的蒸發(fā)使得高Zn含量的7系鋁合金不適合熔化增材制造。但瑞典焊接學會Cavaco Silva教授團隊[51]設計并制備了一種Al-Mg-Zn-Cu高強鋁合金WAAM成形件，對其組織和力學性能進行測試，發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部無任何可見裂紋或熔合缺陷，機械性能優(yōu)于商用7xxx合金，并且沒有各向異性。盡管如此，該結(jié)構(gòu)內(nèi)部仍然存在微量氣孔，因此鋁合金成形件內(nèi)部氣孔是目前亟待解決的問題。為了解決上述問題，克蘭菲爾德大學聯(lián)合曼徹斯特大學[52]采用層間軋制工藝制備了2024鋁合金WAAM成形件，發(fā)現(xiàn)軋制后試樣具有細小均勻的晶粒結(jié)構(gòu)，并且裂紋和氣孔得到了極大的抑制，如圖7所示，熱處理后試樣的抗拉強度高達500 MPa。

近年來，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、華中科技大學、大連理工大學等單位也陸續(xù)開展了高強鋁合金的WAAM技術研究。哈爾濱工業(yè)大學馮吉才教授團隊[53-54]研究了基于TIG電弧增材制造的2219鋁合金組織及力學性能，認為層間密集氣孔是導致力學性能各向異性的原因之一。此外，深入探究了沉積態(tài)2219鋁合金對熱處理工藝的適應性，發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)其熱處理優(yōu)化的關鍵因素在于以下兩點：第一，在接近共晶組織熔點的溫度下長時間保溫，實現(xiàn)共晶組織的溶解，并提升α-Al固溶體中的Cu元素濃度，為沉淀相析出提供充足的驅(qū)動力;第二，在時效溫度下保溫適當?shù)臅r間，提供充分的擴散條件，促進沉淀相的形核與長大。最終得到的成形件抗拉強度高達418 MPa。在此基礎上，大連理工大學先進連接技術重點實驗室發(fā)現(xiàn)2219鋁合金TIG增材成形件內(nèi)部缺陷較多，因此試樣性能較差。該團隊[55]采用激光-TIG復合增材工藝制備了性能優(yōu)異的2219鋁合金增材試樣，復合增材成形件內(nèi)部無明顯裂紋，晶粒更為細小，氣孔問題也得到了有效抑制。隨后華中科技大學史玉升教授團隊[56]通過研究不同工藝參數(shù)下激光調(diào)控電弧的行為，證明激光可以壓縮電弧，使得電弧穩(wěn)定，而激光對電弧有調(diào)控作用。激光作用后，WAAM成形件穩(wěn)定性得到提高，并且構(gòu)件表面粗糙度值降低，如圖8所示。除此之外，北京航空航天大學齊鉑金教授團隊[57]聯(lián)合克蘭菲爾德大學成功制備了基于雙絲WAAM增材技術的2024高強鋁合金成形件。在此基礎上，東北大學團隊[58]發(fā)現(xiàn)在相同送絲速度下，由于雙絲電弧增材成形件的熱量輸入相對單絲電弧增材而言更便于控制，因此雙絲電弧增材成形件表面更均勻、氣孔更少、強度更高。

2.2 激光增材制造

鋁合金材料由于具有密度小、激光吸收率低、熱導率高、易氧化等特性，導致其難以進行激光加工。從原材料角度看，鋁合金密度小導致粉末流動性差，因此LMD過程中粉末輸送困難，且SLM過程中粉層均勻性較差[59-61]，對送粉和鋪粉系統(tǒng)精度要求高[62];從熱源角度看，鋁合金對激光的吸收率很低，激光功率過低難以達到鋁合金粉體完全熔化的要求[63]，激光功率過高則高熱導率使能量迅速消耗，致使熔池黏度增加，不利于成形精度與質(zhì)量控制[64];從保護氛圍角度看，熔融鋁合金具有很強的親氧性，即便嚴格把控氧含量在1×10-5以下，也會與系統(tǒng)內(nèi)殘余的氧元素結(jié)合形成氧化膜，為缺陷形成提供有利條件[65]。

由于Al-Si系合金具有良好的鑄造性能與熱成形性能，因此在激光增材制造領域的研究較為集中[66]。但Al-Si系鋁合金激光增材制造結(jié)構(gòu)件的抗拉強度很難突破400 MPa極限，因此在高性能承力構(gòu)件的應用上受到限制。為了獲得高強輕質(zhì)的航空航天結(jié)構(gòu)件，近年來2系與7系高強鋁合金激光增材制造受到廣泛關注，但Li和Zn元素沸點低，極易在高能激光束的作用下蒸發(fā)形成氣孔，直接影響結(jié)構(gòu)件的成分穩(wěn)定與力學性能。因此，目前關于高強鋁合金的激光增材技術主要聚焦于2024和2219這類可熱處理強化的Al-Cu合金，其中2024鋁合金強度更高而2219鋁合金塑性較好。2014年，Konrad[67]等發(fā)現(xiàn)了一種具有巨大潛力的Al-Cu/Al-Zn合金粉末，研究表明該粉末顆粒尺寸均值較為穩(wěn)定，并且在激光熔覆層內(nèi)未發(fā)現(xiàn)氧化層，解決了鋁基合金易被氧化的困擾。雖然該項研究只涉及單道熔覆層，并未打印出成形件，但在高強鋁合金激光增材制造領域發(fā)展進程中，起到了至關重要的作用。在此基礎上，華中科技大學曾曉雁教授團隊[68-69]采用SLM技術制備了2024鋁合金成形件。在細晶強化機制和固溶強化機制的協(xié)同作用下，試件抗拉強度可達401 MPa。并且在T4熱處理后，試樣抗拉強度提升至532 MPa，甚至超過2024-T4鍛件水平（470 MPa）。研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控SLM工藝參數(shù)能夠大幅度削弱成形件性能的各向異性，減少裂紋與缺陷，提高結(jié)構(gòu)的致密度。除此之外，德國漢堡工業(yè)大學的Kaufmann[70]等發(fā)現(xiàn)采用預熱和重熔的方式也能達到減少成形缺陷，并增大高強鋁合金SLM成形件致密度的效果。

采用上述方法雖然能優(yōu)化成形件質(zhì)量，但并不能徹底消除缺陷，這在很大程度上取決于該類高強鋁合金的物性參數(shù)與激光增材制造的適配性，因此需要對其成分與相變進行設計與調(diào)控。2016年，馬克斯-普朗克研究所的Eric A[71]等人制備了摻Sc鋁合金SLM成形件，發(fā)現(xiàn)Al3Sc金屬間化合物具有明顯的細晶強化作用，對成形結(jié)構(gòu)的微觀組織有較好的調(diào)控效果。隨后，荷蘭增材制造中心的Spierings等人發(fā)現(xiàn)在Al-Sc系鋁合金內(nèi)部加入Zr元素，有望使鋁合金激光增材成形件的力學性能取得突破性的進展，并在后續(xù)Al-Mg-Sc-Zr合金SLM工藝的相關探索中被證實[72-73]。華中科技大學[74-75]就該方向進行了深入研究，對比分析了添加/無添加Zr元素的2024合金SLM成形件組織與性能。研究表明，Zr元素的添加擴大了工藝參數(shù)窗口，并且促進了晶粒類型從柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變。Al3Zr和ZrO顆粒引起的晶粒細化效果可控制并消除SLM工藝過程中的熱裂紋現(xiàn)象，如圖9所示，獲得性能良好的成形件：超細晶粒的Zr改性高強鋁合金成形件具有更高的屈服強度（446 MPa）和極限拉伸強度（493.3 MPa），這一發(fā)現(xiàn)為SLM的創(chuàng)新合金設計奠定了基礎。

在此基礎上，中南大學[76]設計了一系列Al-Mg（-Si）-Sc-Zr合金。研究發(fā)現(xiàn)在沒有Si元素的情況下，該合金在成形過程中極易產(chǎn)生熱裂紋，且平均裂紋密度隨Mg含量的增加而增大，而Si元素能夠有效地抑制SLM過程中的熱裂紋，同時細化成形件的微觀組織，如圖10所示。最終設計了一種低熱裂敏感性和高強度的新型合金Al-Mg-Si-Mn-Sc-Zr合金，結(jié)果表明該合金成形件內(nèi)部晶粒細化明顯，由共晶Al3（Sc，Zr）納米粒子形成的高密度層錯可顯著提升成形件的綜合力學性能（拉伸強度和延伸率分別達到497 MPa和11%。經(jīng)過時效處理后，試樣的拉伸強度達到550 MPa，塑性在8%～17%之間）。

從原材料角度出發(fā)，通過設計合金元素能夠降低成形件的熱裂紋敏感性并強化其力學性能;從成形角度出發(fā)，通過優(yōu)化工藝也能達到改善結(jié)構(gòu)性能的目的。大連理工大學吳東江等[55]采用激光-TIG復合增材制造工藝制備了2219成形件，試樣屈服強度為155.5±7.9 MPa，抗拉強度為301.5±16.7 MPa，延伸率為12.8±2.8%，高于TIG、CMT和SLM成形件，具體對比如表2所示。雖然激光-TIG復合增材制造成形件的性能與成形效率得到了較大提升，但是依然與目標性能差距較大，這主要受制于成形件內(nèi)部缺陷。由于激光—電弧熱輸入較大，合金內(nèi)部存在的輕質(zhì)元素Mg極易蒸發(fā)形成孔洞，影響試樣力學性能，因此高強鋁合金增材制造結(jié)構(gòu)件的缺陷控制，尤其是消除氣孔缺陷依舊是提升構(gòu)件性能的主要手段。此外，如何解決成形件內(nèi)部的各向異性一直是增材制造結(jié)構(gòu)件性能優(yōu)化的一大難題。

2.3 電子束增材制造

美國航天局蘭利研究中心最早開展鋁合金電子束增材制造技術的相關研究[80]。2002年，該機構(gòu)的Taminger等人[81-84]定性研究了工藝參數(shù)（電子束流、送絲速度、移動速度、加速電壓）對2219電子束增材成形件組織與性能的影響規(guī)律。初步得到了熔池尺寸、熱影響區(qū)深度、層間條帶、晶粒度的調(diào)控方法，并試制了鋁合金電子束熔絲增材成形件，熱處理后試件強度約為420 MPa，延伸率約為11%。在此研究基礎上，為了探索空間金屬增材制造領域，NASA對微重力狀態(tài)下的鋁合金電子束熔絲沉積技術進行了初步研究。在微重力狀態(tài)下，受表面張力影響的熔滴附著在焊絲的端部，當熔滴與熔池接觸時，受潤濕力與表面張力的協(xié)同作用順利過渡到熔池內(nèi)部。在此過程中，隨著沉積層數(shù)的不斷增多，熱量傳輸逐漸被限制，因此熔池高溫持續(xù)時間長，冷卻速度慢[85]。

NASA研究中心[86]采用電子束熔絲增材制造工藝制備了2139鋁合金成形件，并對其內(nèi)部Al2Cu沉淀相進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，Mg元素是Al2Cu相生成的必要元素，但高能電子束極易造成Mg元素蒸發(fā)，嚴重降低了增材結(jié)構(gòu)件的力學性能。為了解決該問題，該團隊在鋁合金焊絲中添加了適量的Mg，以彌補2139電子束增材制造過程中的Mg元素損失，如表3所示，獲得了與基體相近數(shù)量的沉淀相，最終得到沉淀強化型2139鋁合金。結(jié)果表明，固溶時效處理后的增材結(jié)構(gòu)件峰值硬度基本達到了T8態(tài)2139鋁合金鍛件的水平。

此外，Brice根據(jù)二次枝晶臂間距數(shù)據(jù)計算出電子束熔絲增材制造2219鋁合金熔池的冷卻速度，以此推演冷卻速度的影響因素及其對增材制造過程的影響，發(fā)現(xiàn)基板初始溫度/前層溫度對二次枝晶臂間距有明顯影響。中國科學院于菁[87-88]等采用電子束熔絲增材制造技術制備了無宏觀缺陷的2219鋁合金成形件，重點關注物相形成機理以及熱處理前后成形件性能差異原理。研究發(fā)現(xiàn)，成形件內(nèi)部有成分偏析形成的粗大未熔相和冷卻速度過快形成的層間孔洞，直接影響構(gòu)件性能;T6處理后未熔相發(fā)生熔化，峰值抗拉強度達到495 MPa，塑性也得到了提高。盡管如此，如何消滅層間孔洞與元素氣化形成的氣孔依然是目前高強鋁合金電子束增材制造亟待解決的難題。

2.4 固相增材制造

固相增材制造技術不涉及材料的熔化和凝固，直接在固態(tài)或塑性狀態(tài)下連接成型，避免了熔化增材成形件易形成缺陷的弊端，在鋁合金等輕合金增材制造領域受到高度重視。相較而言，攪拌摩擦增材制造的相關研究更為深入[89]。1991年，英國焊接研究所[90]申請了使用攪拌摩擦技術進行固相焊接的專利;2002年，美國學者White申請了基于攪拌摩擦技術的增材制造相關專利;2006年，空客制備了攪拌摩擦增材成形件，真正意義上實現(xiàn)了攪拌摩擦增材制造;隨后波音和空客公司先后宣布引進攪拌摩擦技術達到高效省材的目的，在此基礎上，攪拌摩擦增材制造得到了飛速發(fā)展。在研究層面上，美國北德克薩斯州大學的Mishra教授團隊[91-93]在美國國家科學基金、美國海軍研究辦公室和國防高級研究計劃局的支持下，對攪拌摩擦處理和攪拌摩擦增材進行了長達十余年的研究，發(fā)現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶過程使輕合金材料具有更好的強度與延展性等機械性能，深入探討了輕合金摩擦增材制造成形件的機械性能強化機理。

2016年，Michael等人[94]采用攪拌摩擦增材技術制備了7055高強鋁合金成形件，并通過機械性能測試驗證了該技術的可行性，同時發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)對改善成形件性能有重要影響。在國內(nèi)，上海航天設備制造總廠有限公司已經(jīng)成功將攪拌摩擦技術應用于2A14和2219等航空鋁合金材料，為攪拌摩擦技術在高強鋁合金上的應用奠定基礎。2016年，西北工業(yè)大學的Mao Yuqing[95]引入了靜軸肩攪拌摩擦增材的概念，成功制備了7075-O態(tài)高強鋁合金增材成形件，探究了成形過程中的金屬流動機理（見圖11），并發(fā)現(xiàn)其組織和力學性能在豎直方向上存在明顯差異。與FSAM相比，靜軸肩FSAM技術避免了軸肩影響區(qū)的存在，能夠?qū)崿F(xiàn)近凈成形。除了上述厚度方向上的成形組織與力學性能研究之外，水平方向上多道搭接性能也受到廣泛關注。北京理工大學馬樹元教授團隊[96]對2024-O態(tài)鋁合金攪拌摩擦增材成形機理進行了分析，重點研究了試件不同方向上的力學性能差異以及該差異的形成原因，實現(xiàn)了多層多道無缺陷攪拌摩擦成形。

在此基礎上，南昌航空大學邢麗教授團隊[97]采用靜軸肩攪拌摩擦增材技術制備了2024高強鋁合金成形件，通過對組織與物相進行深入研究，發(fā)現(xiàn)增材組織為再結(jié)晶的細小等軸晶，晶粒尺寸由底部向頂部逐漸減小，增材中的第二相發(fā)生重溶，含量較基材明顯減少，且第二相含量由底部向頂部逐漸增多，組織演變示意如圖12所示，進一步對比分析了熱處理前后性能差異。雖然攪拌摩擦增材避免了熔化與凝固過程，極大地控制了成形件內(nèi)部缺陷，但是增材工藝不當導致的界面缺陷仍然是目前亟待研究的問題。天津大學楊新岐教授團隊[98]發(fā)現(xiàn)增材前進側(cè)界面形成致密無缺陷的冶金連接，而后退側(cè)界面材料混合不充分，鉤狀缺陷易伸入焊核區(qū)，導致弱連接缺陷萌生。而相鄰兩層焊接方向相反的增材工藝可以使兩側(cè)鉤狀缺陷向焊核區(qū)外側(cè)彎曲，弱連接缺陷得到改善。此外，攪拌工具的形狀對增材缺陷與性能也有重要影響。

超聲增材是由超聲焊接技術發(fā)展而來的一類固相增材制造技術，利用超聲波的振動能量使金屬層間產(chǎn)生摩擦，形成分子間的融合。美國研發(fā)出了世界上第一臺利用超聲波能量成形的增材制造裝備，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)更新至第3代超聲波增材制造設備[99]。在此期間，Dehoff R R[100]等發(fā)現(xiàn)在超聲波增材過程中使鋁合金產(chǎn)生動態(tài)再結(jié)晶過程的變形，通過使用納米顆粒材料作為夾層材料，觀察到納米顆粒在界面處分散發(fā)生熔化，形成增強相。Shimizu S[101]等研究了鋁合金超聲波增材制造接觸表面的微觀組織和物相分布，發(fā)現(xiàn)鋁合金表面氧化層是由超聲波產(chǎn)生的振動從界面中擠出，新生的接觸表面未發(fā)現(xiàn)被氧化。在此基礎上，Gussev M N[102]等研究了超聲波增材制造鋁合金退火后性能，發(fā)現(xiàn)退火使超聲振動的結(jié)合面處晶粒重新生長，得到的組織性能更加均勻。而國內(nèi)由于受到超聲波換能器功率的限制，對超聲增材制造的研究受限比較嚴重，主要還集中于使用超聲震動作為一種輔助技術，輔助其他增材制造技術起到細化晶粒、提高性能的作用。

3 航空航天鋁合金增材應用研究

增材制造技術可實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件的材料—結(jié)構(gòu)一體化凈成形，為航空航天結(jié)構(gòu)件的設計與制造提供了新的工藝技術途徑。全球權(quán)威增材制造發(fā)展報告“ Wohlers Report ”指出[103]，增材制造已發(fā)展成為提升航空航天設計與制造能力的一項關鍵核心技術，其應用范圍已從零部件級（飛機、衛(wèi)星、高超飛行器、載人飛船的零部件打?。┌l(fā)展至整機級（發(fā)動機、無人機、微/納衛(wèi)星、運載火箭整機打印）。其中以鋁為代表的輕質(zhì)高強合金是國際新材料研發(fā)計劃中重點發(fā)展材料之一，也是增材制造中重要的應用材料[104]。開展航空航天典型鋁合金構(gòu)件增材制造應用研究，既體現(xiàn)了選材上輕量化、高性能的發(fā)展方向，又凸顯了增材制造技術本身復雜化、凈成形的發(fā)展趨勢，可以實現(xiàn)材料—結(jié)構(gòu)—性能一體化增材制造在航空航天上的重大工程應用。

英國克蘭菲爾德（Cranfield）大學自2007年開展WAAM技術研究至今，并于2016年采用電弧增材制造技術制造了一個長6 m，重300 kg的航空級鋁合金雙面翼梁，是當時使用增材制造技術制作的幾何尺寸最大的金屬制品[105]。該團隊研究表明電弧增材制造技術比傳統(tǒng)機加工方法節(jié)省費用達70%，將交貨時間從一年以上縮短到幾個星期，并且WAAM結(jié)構(gòu)件的力學性能比相同成分鍛造合金更優(yōu)。在此基礎上，克蘭菲爾德大學開展了大量的鋁合金WAAM技術應用研究，試制了諸多鋁合金零件（見圖13），處于國際領先水平[106]。

2018年，空客旗下Stelia航宇公司采用WAAM技術創(chuàng)造了世界首個自加強壁板，如圖14所示。摒棄了以往手動緊固或焊接加筋結(jié)構(gòu)的方法，通過拓撲優(yōu)化，直接將加筋鋁絲沉積到壁板的內(nèi)表面，不僅避免了銜接薄弱缺陷，同時減少了零部件數(shù)量，從而創(chuàng)造出更穩(wěn)定的機身結(jié)構(gòu)，為飛機關鍵結(jié)構(gòu)件的設計、制造及應用驗證提供了重要的技術支撐。

2020年4月，MELD Manufacturing Corporation公司采用其專有的MELD技術制備了直徑達1.4 m的鋁合金部件，如圖15所示。并于2020年8月完成了直徑為3.05 m的圓環(huán)狀鋁制結(jié)構(gòu)的制備。MELD工藝屬于固相增材制造技術，其生產(chǎn)出的結(jié)構(gòu)件具有低殘余應力、高密度、高性能、低缺陷的優(yōu)點，適用于大型結(jié)構(gòu)增材制造、表面涂層制備、結(jié)構(gòu)件修復等，但是MELD增材成形件普遍壁厚過大，不利于成形薄壁結(jié)構(gòu)。

與此同時，國內(nèi)增材制造相關研究機構(gòu)與企業(yè)也一直致力于鋁合金典型結(jié)構(gòu)件的制備。近年來，針對航天領域的鋁合金支座、艙段、框梁、網(wǎng)格等典型結(jié)構(gòu)，首都航天機械有限公司、北京航星機器制造公司、華中科技大學等單位分別開展了應用試制（見圖16），目前均處在探索研究階段[107]。

4 展望

增材制造技術是成形大型高強鋁合金構(gòu)件的有效途徑。文中在簡要闡述鋁合金增材制造技術原理和特點的基礎上，系統(tǒng)性地梳理了高強鋁合金增材制造工藝的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與技術進展，并對鋁合金增材制造技術在航空航天領域的具體應用進行了綜合歸納。大型高強鋁合金增材制造技術未來的研究與發(fā)展，仍需重點開展以下幾個方面研究：

（1）以形性可控為驅(qū)動的高強鋁合金增材制造基礎研究。

高強鋁合金中存在的Zn、Li、Mg等元素屬于低沸點元素，極易在熔化增材過程中蒸發(fā)形成氣孔缺陷與元素燒損，影響結(jié)構(gòu)件性能。雖然添加易燒損元素能夠解決元素蒸發(fā)造成的性能下降問題，但元素蒸發(fā)形成的氣孔缺陷依然存在。目前采用軋制的方法能大幅度減少構(gòu)件內(nèi)部氣孔量，但該方法處于試驗階段，過程繁瑣，不適用于成形復雜薄壁結(jié)構(gòu)件，且尺寸精度難以把控。從基礎理論研究的角度看，需要對氣孔形成與逃逸機理進行深入研究，進而通過開發(fā)新型或優(yōu)化現(xiàn)有熱源—工藝—成分的方法抑制結(jié)構(gòu)件內(nèi)部氣孔形成或促進氣孔逃逸。另外，鋁合金對激光的吸收率低，過低的功率會導致未熔合缺陷，過高的功率則會降低成形精度與質(zhì)量。因此需要對激光與鋁合金的作用機理進行研究，通過引入輔助手段、優(yōu)化激光熱源、改善原材料的方法，降低鋁合金對激光的反射率，提高構(gòu)件性能。固相增材技術雖然能夠有效解決熔化增材制造件內(nèi)部的缺陷問題，得到性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)件，但攪拌摩擦增材和超聲增材難以實現(xiàn)凈成形，而MELD成形過程由于壓緊力較大，難以實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)與薄壁結(jié)構(gòu)的直接成形，有待于進一步的技術突破達到控制成形精度的目的。

（2）以服役需求為靶向的鋁合金增材制造創(chuàng)新結(jié)構(gòu)—原/增強材料—適配工藝設計。

隨著服役條件日趨嚴苛，航空航天鋁合金構(gòu)件面臨著快批產(chǎn)、高效率、低成本的制造挑戰(zhàn)，增材制造成為提升航空航天設計與制造能力的一項關鍵核心技術。增材制造技術利用逐層堆積的原理，能夠?qū)崿F(xiàn)任意復雜構(gòu)件成形與多材料一體化制造，突破了傳統(tǒng)制造技術對結(jié)構(gòu)尺寸、復雜程度、成形材料的限制，為功能化構(gòu)件的制造提供了變革性的技術途徑。從結(jié)構(gòu)設計方面來看，借助增材制造復雜構(gòu)件與一體化成形能力，設計復雜拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)、超大型整體結(jié)構(gòu)、仿生化功能結(jié)構(gòu)等面向服役需求的高效能結(jié)構(gòu)件，可為輕量化—功能化—一體化結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)提供技術支撐。從材料體系方面來看，目前需要建立完善的增材制造專用鋁合金材料體系，基于服役性能與加工性能對增材專用鋁合金材料與表面增強材料進行設計，建立材料成分與構(gòu)件性能之間的關系，旨在于根據(jù)結(jié)構(gòu)件目標性能，設計或選出滿足要求的材料成分。從工藝調(diào)控方面來看，成形工藝與前后處理工藝都會對成形件性能產(chǎn)生影響，因此需要建立鋁合金增材工藝/前后處理工藝與結(jié)構(gòu)性能/缺陷之間的數(shù)據(jù)庫，為工藝規(guī)劃和產(chǎn)品研發(fā)提供數(shù)據(jù)支持，這對于主動實現(xiàn)航空航天結(jié)構(gòu)件的多功能化具有重要意義。基于前述結(jié)構(gòu)—材料—工藝的研究，最終建立基于靶向服役需求的“ 結(jié)構(gòu)—材料—工藝 ”參數(shù)反推模型，主動實現(xiàn)由功能需求驅(qū)動的鋁合金增材制造材料—結(jié)構(gòu)—工藝一體化設計。

（3）面向快批產(chǎn)-高質(zhì)量航空航天結(jié)構(gòu)件的智能化鋁合金增減材復合制造技術。

增材制造技術雖然能加工任意形狀—尺寸的結(jié)構(gòu)件，但是其加工精度無法滿足應用需求，而增減材復合制造技術將增材過程與減材過程進行有機集成，避免了構(gòu)件在多加工平臺上夾持與取放帶來的誤差積累與時間消耗，能大幅度提高制造精度與生產(chǎn)效率。由于現(xiàn)有的軟件系統(tǒng)一般是基于快速成型制造改進或集成的，無法發(fā)揮復合制造的優(yōu)勢，需要致力于開發(fā)針對復合制造的軟件系統(tǒng)，將模型設計—離散分層—路徑規(guī)劃與精細加工的過程進行系統(tǒng)性的融合。此外，需進一步開發(fā)復合制造設備的集成化檢測技術與智能化控制系統(tǒng)。為了保證制造過程中的成形質(zhì)量與穩(wěn)定性，需要開發(fā)集光學、熱學、聲學、電學于一體的制造過程監(jiān)控體系，將被采集的信號實時反饋給控制系統(tǒng);將實時數(shù)據(jù)—模擬數(shù)據(jù)—測試數(shù)據(jù)提煉成數(shù)據(jù)集，并通過機器學習算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法等智能機器算法等預測最佳參數(shù)，為成形質(zhì)量、成形效率與成形風險提供判斷依據(jù);建立加工參數(shù)、過程監(jiān)控、成形指標的評判標準，為鋁合金增減材制造工藝優(yōu)化、質(zhì)量保障、制造過程調(diào)控提供預判方法與現(xiàn)場技術支撐。

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