任慧嬌，周冠男，從保強，馬慧君，董文啟

（1. 中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，沈陽 110043； 2. 北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191； 3. 航空高端裝備智能制造工信部重點實驗室，北京 100191）

航空航天工業(yè)是國家高端裝備制造業(yè)的典型代表，其產品具有結構復雜、工序多、小批量的特點。隨著航空發(fā)動機、大飛機、新一代運載火箭等航空航天典型構件產品的日益復雜以及新材料的不斷涌現(xiàn)，零件結構趨向復雜化、大型化，而傳統(tǒng)鑄造、鍛造結合機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（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，進而實現(xiàn)金屬零件直接制造的新興技術[1–2]。與傳統(tǒng)制造技術相比，金屬材料增材制造技術能夠實現(xiàn)復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、小批量零件生產成本低等特點，可解決型號研制階段的快速響應難題，將成為滿足現(xiàn)代飛行器快速低成本研制的關鍵制造方法之一，近些年在航空航天等諸多領域取得了快速發(fā)展[3–7]。

目前，增材制造技術原材料主要有金屬粉末和金屬絲材兩種，在航空航天領域具有應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、激光熔融沉積（Laser melting deposition，LMD）技術、電子束選區(qū)熔化（Electron beam selective melting，EBSM）技術、電子束熔絲 沉 積（Electron beam freeform fabrication，EBF3）技術和電弧熔絲增材制造（Wire + arc additive manufacturing，WAAM）技術。

基于金屬粉末的增材制造 技術

1 SLM技術

SLM技術是利用高能密度激光束流對已獲得零件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，實現(xiàn)金屬零件的直接制造，該技術零件成形精度高且具有良好的力學性能，因此可用于成形形狀結構復雜且對表面質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Fraunhofer激光研究所首次提出了SLM技術，從而開辟了激光粉末增材制造技術的新方向。國外對SLM技術的研究主要有德國、美國、英國、日本和比利時等國家，目前這些國家均有專業(yè)生產SLM設備的公司，如德國的EOS、SLM Solutions公司，美國的3D Systems公司和日本的Matsuura公司等[8–9]。圖1所示為采用EOS公司生產的SLM裝備制造的航空發(fā)動機零件。此外日本Oskada實驗室、法國DIPI實驗室、英國Leeds大學、Liverpool大學以及比利時Leuven大學等高校也在SLM理論、工藝和應用方面開展了深入研究。美國發(fā)動機制造公司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)團隊，在航空發(fā)動機和燃氣輪機金屬零件的直接增材制造方面已走在國際前列，2013年底GE公司宣布采用SLM技術為其下一代的GE Leap發(fā)動機生產噴油嘴，預計在2020年其發(fā)動機生產過程中將有超過10萬個終端零件采用激光選區(qū)熔化技術制造。國內華中科技大學、華南理工大學[10]、西北工業(yè)大學和西安交通大學等高校在SLM設備研制方面做了大量研究工作。其中，華中科技大學武漢光電國家實驗室的激光先進制造研究團隊率先在國際上研制出成形尺寸為500mm×500mm×530mm 的四光束大尺寸SLM設備，首次在SLM設備中引入雙向鋪粉技術使得成形效率顯著提高。華南理工大學激光加工實驗室與北京隆源自動化成形設備有限公司及武漢楚天工業(yè)激光設備有限公司合作研制出了新款SLM設備，可成形致密度近乎100%的金屬零件，尺寸精度達±0.01mm。

2 LMD技術

LMD技術是快速成形技術和激光熔覆技術的有機結合，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現(xiàn)金屬零件的整體制造，該技術成形效率較高，成形尺寸不受限制，可實現(xiàn)對受損或失效零件定向組織的修復與再制造，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，成形零件必須經過后續(xù)大量的機械加工才能使用。目前適用于制造整體葉盤環(huán)形件以及零部件修復等。在國外，英國利物浦大學、英國伯明翰大學、美國密西根大學、美國Sandia國家實驗室、美國Los–Alamos國家實驗室、美國Aeromet公司、美國賓州大學、加拿大國家研究委員會集成制造技術研究所、瑞士洛桑理工學院、GE、Rolls-Royce和波音等大學和企業(yè)研究機構均對飛機和航空發(fā)動機等關鍵構件的LMD制造關鍵技術進行了深入研究[11–13]（圖2）。國內研究工作主要集中在北京航空航天大學、西北工業(yè)大學、華中科技大學、清華大學、北京有色金屬研究總院等單位。北京航空航天大學王華明院士團隊在鈦合金大型/超大型整體復雜承力構件、超高強度鋼大型整體復雜承力構件增材制造工藝、裝備研發(fā)及裝機應用等方面取得重要進展，成功制造出了飛機大型整體主承力關鍵結構件、鈦合金整體葉盤等航空發(fā)動機關鍵部件并成功得以應用[14–17]。西北工業(yè)大學自1995年開始在國內首先提出以獲得極高力學性能為目標的金屬增材成形技術構思，目前已建立起了包含材料、工藝和裝備技術的完整技術體系[18–19]。

3 EBSM技術

圖1 采用EOS公司生產的SLM裝備制造的航空發(fā)動機零件Fig.1 Aircraft engine parts made with EOS SLM equipment

圖2 LDM技術成形零件Fig.2 Parts made by LDM

EBSM技術是指在10–2Pa以上的真空狀態(tài)下，電子束在偏轉線圈驅動下依照零件CAD模型切片分層的輪廓數(shù)據(jù)逐層熔化預先鋪放的金屬粉末實現(xiàn)金屬零件的直接制造。該技術通過電磁場控制電子束的掃描，可靠性高，控制靈活且反應速度快，腔體的真空環(huán)境可以避免金屬粉末在燒結過程中氧化，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)動機或導彈用小型發(fā)動機多聯(lián)葉片的制造。EBSM源于20世紀90年代初的瑞典，2003年Arcam公司獨立開發(fā)出EBSM設備并逐漸形成系列，兼顧技術開發(fā)。美國、德國、英國、意大利等諸多研究機構與企業(yè)，國內西北有色金屬研究總院、中科院金屬研究所、北京航空航天大學等科研院所均購置了Arcam公司的EBSM設備開展相關工作并已取得了較好的研究成果[20–26]。2007年以來，中國航空制造技術研究院針對航空應用重點開展了針對鈦合金、TiAl合金的EBSM技術及裝備研究[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，研制出了部分典型鈦合金結構件（圖3）。

圖3 中國航空制造技術研究院EBSM制備的鈦合金結構試件Fig.3 Parts made by EBSM from AVIC Manufacturing Technology Institute

基于金屬絲材的增材制造 技術

1 EBF3技術

EBF3技術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動，同時金屬絲材通過外部送絲裝置送入熔池并逐層凝固堆積，實現(xiàn)金屬零件或毛坯的制造。該技術最大優(yōu)點是成形效率高，對大型金屬構件的增材制造，可在數(shù)十千瓦高功率下達到幾至十幾kg/h的沉積速率，在真空環(huán)境下適合活性金屬加工，同時電子束掃描可對熔池形成旋轉攪拌的效果，進而有利于減少氣孔等缺陷。國外EBF3技術開發(fā)方面主要有美國航空航天局蘭利研究中心（NASA Langley Research Center）、美國西亞基公司（Sciaky）、英國謝菲爾德大學的核技術先進制造研究中心（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理論、應用基礎到應用研究的技術體系，并形成了針對金屬直接成形技術的標準AMS4999[28]。西亞基公司聯(lián)合弗吉尼亞大學等研究機構，針對EBF3成形過程中的若干關鍵技術基礎開展研究，該公司目前已形成多個系列EBF3金屬3D打印設備，成形零件尺寸最大可達5.79m（圖4）。國內中國航空制造技術研究院于2006年開始進行EBF3技術的研究，著重開展電子束熔絲沉積增材制造裝備、鈦合金結構成形工藝、性能可靠性等方面的研究[29–32]，開發(fā)了國內首臺電子束熔絲成形設備（圖5），并于2012年和2016年在某型飛機上首次實現(xiàn)了電子束熔絲沉積增材制造鈦合金次承力結構和主承力構件的裝機應用。

2 WAAM技術

圖4 美國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技術是采用熔化極惰性氣體保護焊（MIG）、鎢極惰性氣體保護焊（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，具有成形尺寸大、設備簡單、制造成本低、材料利用率和沉積效率高等優(yōu)勢，已成為可實現(xiàn)高質量金屬零件經濟快速成形的方法之一[33]。目前，WAAM技術材料主要包括鈦合金、高溫合金、高強鋼、不銹鋼和高強鋁合金等。

英國克蘭菲爾德大學在WAAM技術研究與應用方面已走在國際的前沿，Stewart Williams教授領導的研究團隊與歐洲航天局、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1.5m的飛機機翼翼梁、起落架支撐外翼肋等鈦合金構件以及整體框梁和肋板（最大長度6m）等鋁合金構件（圖6）。除此之外， Stewart Williams教授研究團隊針對絲材質量、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WAAM構件內部缺陷、外部成形及內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，國內北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、天津大學、華中科技大學、西北工業(yè)大學、首都航天機械公司、北京航星機器制造公司等單位陸續(xù)開展了針對不同金屬材料構件（鈦合金、鋁合金、高溫合金等）的WAAM制造關鍵技術研究[37–41]。值得關注的是，目前國內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，因而應考慮研發(fā)高品質的弧焊工藝方法，例如北京航空航天大學齊鉑金研究團隊研發(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生強烈的攪拌作用，可顯著降低WAAM構件的氣孔敏感性，同時細化晶粒組織而有利于構件性能的各向同性[42–43]。

圖6 英國克蘭菲爾德大學研究團隊制造的WAAM構件Fig.6 Parts made by WAAM from Kleinfeld University

結論

金屬增材制造技術實現(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，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们熬啊２贿^，增材制造技術仍面臨著標準體系不健全、部件適航認證不完善、工藝裝備研發(fā)不全面等系列挑戰(zhàn)，需要國內外不同學科背景的科研團隊共同研究，突破傳統(tǒng)設計思維，掌握增材制造專用材料創(chuàng)新、內部質量與性能改善、成形過程在線監(jiān)控等系列關鍵技術，與此同時，兼顧成形質量、效率和成本三者的協(xié)調統(tǒng)一，加快實現(xiàn)航空航天產品“設計—材料—制造”的一體化、產業(yè)化發(fā)展。