朱泊霖 曹成

（1.空軍工程大學(xué)，陜西西安 710000；2.航空工程學(xué)院，陜西西安 710000）

0.引言

增材制造的概念是在1980年代后期引入的，相關(guān)研究于1990年代初在中國開始。經(jīng)過短短20年的時間，該技術(shù)發(fā)展迅速，在航空航天、微納米生產(chǎn)和生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用。航空航天工業(yè)在1980年代后期開始使用層壓成型技術(shù)，最初，層壓建模在航空航天工業(yè)的快速原型制作中發(fā)揮了很小的作用。近年來的發(fā)展趨勢表明，該技術(shù)在整個航空業(yè)中具有戰(zhàn)略地位。

1.激光增材制造技術(shù)原理與特點

激光增材制造技術(shù)是集計算機軟件、材料、機器、控制等交叉學(xué)科知識為一體的綜合系統(tǒng)技術(shù)。產(chǎn)品的3DCAD模型可以使用離散的逐點或逐層疊加原理快速打印產(chǎn)品部件，這改變了傳統(tǒng)金屬零件的處理方式[1]。性能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬部件，激光層壓成型技術(shù)主要用于航空領(lǐng)域結(jié)構(gòu)性和功能性金屬零件的快速生產(chǎn)，迄今為止，最成熟的技術(shù)包括激光熔融沉積技術(shù)和選擇性激光熔化技術(shù)。

LMD技術(shù)是激光金屬層壓技術(shù)的典型工藝，它結(jié)合了層壓的累積原理和激光熔覆技術(shù)，以金屬粉末為原料進行處理，利用高速激光熔化固化。高激光能量用于熔化金屬粉末和基體，在基體上形成熔池，將熔融粉末沉積在熔池上并在表面形成涂層。冷卻固化后的基材表面，運動控制系統(tǒng)根據(jù)被加工零件CAD模型的分層盤信息，控制X、Y、Z軸工作臺上激光頭和供粉噴嘴的運動，制作出一定高度和寬度的金屬，按點、線、層重疊，最終形成整個金屬部件[2]。

SLM技術(shù)起源于選擇性激光熔煉和燒結(jié)技術(shù)。逐層粉末擴散法和逐層熔體堆積法使該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎任何復(fù)雜零件的高效率和致密成型。由于SLM工藝的層厚較小，一般為30μm～60μm。因此，成型精度高，表面質(zhì)量好。2000年后，基于SLS技術(shù)的發(fā)展迅速，國內(nèi)外許多公司、大學(xué)和研究機構(gòu)迅速推進可持續(xù)土地管理設(shè)備系統(tǒng)、工藝改進和新材料開發(fā)。

LMD技術(shù)一般采用大激光功率、大可調(diào)范圍和大激光光斑尺寸，因此調(diào)制效率高，通過控制參數(shù)可以獲得各種結(jié)構(gòu)。同軸送粉工藝的特點決定了澆注量不受限制。可在同一零件內(nèi)實現(xiàn)多材料復(fù)合分步加工，可用于高性能損壞零件的加工和修復(fù)。在開發(fā)過程中，形成了許多名稱，例如直接金屬沉積、激光工程、近網(wǎng)格形式、激光增材制造和快速激光原型。民機工業(yè)的一大優(yōu)勢是所有飛機材料和制造方法都必須通過適航認(rèn)證，并了解經(jīng)過驗證的應(yīng)用。該命令允許材料規(guī)格和相應(yīng)的實用規(guī)格，并負責(zé)授權(quán)軍方展示和批準(zhǔn)軍方。目前，國外在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定中處于領(lǐng)先地位[3]。

2.激光熔化沉積（LMD）

激光選區(qū)熔化技術(shù)最早由德國研究所于1995年提出，激光選區(qū)熔化技術(shù)與激光熔融沉積的主要區(qū)別在于激光電源和處理材料。為確保金屬粉末材料的快速熔化，SLM技術(shù)需要高強度激光將光斑聚焦到數(shù)十至數(shù)百微米，掃描振鏡根據(jù)鑄件3DCAD模型的分層圓盤信息，控制激光束作用于鑄筒內(nèi)的粉末，清層后，活塞在活塞筒內(nèi)上升一定的厚度距離，然后送粉筒上升一定的厚度距離[4]。粉末涂裝系統(tǒng)中的滾筒噴出一層厚厚的粉末并掉落在模具層上，然后重復(fù)上面的兩個整形過程，直到3DCAD模型盤中的所有圖層都被擦除，這樣就可以將3DCAD模型逐層組裝起來，直接形成金屬零件。

直接沉積層壓技術(shù)缺乏明確的備件、鍛造加工或大型鍛鑄工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)配套設(shè)施，材料利用率高，工藝量低，數(shù)控加工具有時間短、生產(chǎn)周期短、多步驟、操作簡單、靈活性高和反應(yīng)能量快的特點。該技術(shù)還可以根據(jù)不同零件的工作條件和特殊性能要求，直接生產(chǎn)功能梯度材料制成的高性能金屬，這使得大型建筑零件和功能特別復(fù)雜，適用于非零件的處理。激光選擇性熔化技術(shù)可以直接轉(zhuǎn)換為最新的金屬產(chǎn)品，無需許多中間過渡鍵，尺寸精度零件高，表面質(zhì)量好（約10μm～30μm），適用于各種復(fù)雜形狀的工件，尤其是傳統(tǒng)工件，這種方法不允許生產(chǎn)具有復(fù)雜和特殊形狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜工件，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的簡單小批量非導(dǎo)電高速響應(yīng)加工[5]。

3.激光增材制造材料體系及應(yīng)用

（1）可用于激光增材制造技術(shù)的航空航天材料。航空航天用鈦合金零件具有體積大、成形性差、制造工藝復(fù)雜等特點，品種多、批量小、響應(yīng)快，用常規(guī)處理方法加工難度極大，激光層壓鑄造技術(shù)可以滿足這些要求。TC4鈦合金主要用于航空航天工業(yè)的框架、橫梁、接頭和刀具等零件，這種合金具有優(yōu)異的熱彈性和焊接性，非常適合生產(chǎn)激光添加劑。此外，先進飛機大型集成主載重能力的主要結(jié)構(gòu)部件采用TA15、TC21、TC18、TC2等鈦合金材料和集成鈦合金葉片等氣動執(zhí)行器的主要部件。TC11、TC17、Ti60等都使用激光器，高速處理，它還用于飛機的開發(fā)和生產(chǎn)。

長期以來，鋁合金一直是航天工業(yè)中最重要的建筑材料之一，然而，鋁合金在生產(chǎn)中作為添加劑面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，高導(dǎo)熱性、流動性差和輕的粉末重量提供高反射，這一技術(shù)難題于2013年由德國弗勞恩霍夫研究所解決，并得到EOS、ConceptLaser等世界級金屬3D打印公司的積極推動，可用于3D激光打印的鋁合金材料有AlSi10Mg、A6061、AlSi12、AlSi12Mg[6]。此外，還對鋁硅7Mg、鋁硅9Cu3、鋁硅4.5Mn4、6061等鋁硅合金進行了研究和應(yīng)用，它是除了發(fā)動機燃燒室和其他零件的最佳材料。然而，這一特點給銅合金添加劑的生產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn)，銅粉反射率高，易氧化，用激光連續(xù)熔化銅合金粉較困難。因此，在銅粉中加入元素來改變粉末的熱性能對于激光添加劑的形成是非常重要的。Inconel718含有鈮和鉬等元素，它在700℃下具有優(yōu)異的強度、韌性和耐磨性，常用于汽輪機部件和液體火箭燃料，這種合金具有良好的可焊性，焊后不易產(chǎn)生裂紋，特別適用于生產(chǎn)激光添加劑。此外，Inconel600、Inconel690和Inconel713也被用于研究激光層壓成型技術(shù)的形成。

因瓦合金被譽為礦物之王，它具有非常穩(wěn)定的物理性能，不會因極端溫度變化而收縮或膨脹[7]。因此，它是光學(xué)設(shè)備平臺和穩(wěn)定性要求高的設(shè)備平臺的理想生產(chǎn)材料，廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。Goddard航天中心的技術(shù)專家Tim-Stephenson與EOSNorthAmerica合作，首次使用選擇性激光熔化技術(shù)開發(fā)了因瓦合金的結(jié)構(gòu)。

（2）具體應(yīng)用。航天飛機更精確、更輕、更機動。結(jié)構(gòu)部件對輕量化、集成化、長壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)與功能一體化、運行成本低等方面提出了更好的規(guī)定。技術(shù)應(yīng)用是實現(xiàn)這一要求的通用方式。大中型一體化零件和承重零件的生產(chǎn)加工，可縮短生產(chǎn)加工周期，降低生產(chǎn)成本。鋁合金一體式船體已在世界各地機場廣泛應(yīng)用，以提高結(jié)構(gòu)效率，減輕結(jié)構(gòu)凈重，簡化生產(chǎn)工藝。然而，這種整體設(shè)計是制造中的一個主要問題。如今，英國F35的主滾動軸承架在壓制了數(shù)萬噸的液壓活塞桿后，經(jīng)過激光切割和拋光，不僅制造時間長，而且消耗大量原材料。大約70%的鋁合金正在凝結(jié)。過程中被破壞。未來，由于在裝配過程中會消耗額外的粘合劑原材料，最終鑄件將比使用添加劑制成的零件重約30%。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，顯著減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省昂貴的航材，降低搬運成本，減輕結(jié)構(gòu)重量是對空間最重要的技術(shù)要求之一。傳統(tǒng)制造技術(shù)正在接近極限，而高性能疊層鑄造技術(shù)可以在達到可比或更好性能的基礎(chǔ)上優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從而顯著減輕金屬結(jié)構(gòu)件的重量。加工復(fù)雜形狀和薄壁功能部件打破了傳統(tǒng)加工技術(shù)強加的設(shè)計限制，生產(chǎn)很可能會改變設(shè)計，而層壓建模技術(shù)不可避免地會導(dǎo)致對CAD模型的新設(shè)計要求和創(chuàng)新設(shè)計變化，為了更好的溫度控制和更好的機械結(jié)構(gòu)，新的航天器往往不得不產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)部流路結(jié)構(gòu)，以避免危險的共振效應(yīng)和同一組件不同部分的不同電壓狀態(tài)。添加劑生產(chǎn)不同于傳統(tǒng)的處理方法，由于零件的形狀，幾乎沒有限制，最合理復(fù)雜的內(nèi)部流路結(jié)構(gòu)，提供最合理的壓力分布結(jié)構(gòu)，達到最佳的溫度控制方式，通過混合不同的材料，可以實現(xiàn)同一部件不同部件的功能要求[8]。一方面，激光增材制造技術(shù)可以實現(xiàn)異種材料的高性能混合。通過鑄造、鍛造、機加工等傳統(tǒng)工藝制造的零件可以任意添加到精密結(jié)構(gòu)中，使其具有與整體制造相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能；另一方面，激光增材制造技術(shù)可以生產(chǎn)毛坯，然后采用材料減薄的方法進行后續(xù)加工。因此，增材制造技術(shù)在形成接近于直接晶格的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)和形狀方面的優(yōu)勢，可以與傳統(tǒng)制造技術(shù)在高效、低成本、高精度和優(yōu)異的表面質(zhì)量等方面的優(yōu)勢相結(jié)合，形成最好的制造戰(zhàn)略。航空功能部件的快速維護。飛機維修中經(jīng)常需要更換零件，單是拆卸時間就可以長達1～3個月。使用增材制造技術(shù)將損壞的零件作為基體生長材料進行加工，不僅可以實現(xiàn)在線修復(fù)，而且修復(fù)后的零件性能仍然可以達到或超過鍛件的標(biāo)準(zhǔn)[9]。

4.結(jié)語

激光層壓模型在航空領(lǐng)域的研究和應(yīng)用越來越廣泛，隨著先進生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，也促進了結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的自由化和完善，他們的相互營銷將對航空業(yè)的未來產(chǎn)生重大影響。激光增材制造是一種新興的跨學(xué)科技術(shù)，包括激光、機器、數(shù)控、材料等跨學(xué)科技術(shù)，開發(fā)時間很短，與鑄造、鍛造、焊接、粉末冶金和機械加工等傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)相比，但技術(shù)準(zhǔn)備水平仍有較大差距，需要系統(tǒng)細致的研究和工程研究。此外，幾個團隊之間的真誠合作也是保證疊層模型進一步發(fā)展的基礎(chǔ)，疊層模型在航空領(lǐng)域發(fā)揮著更大的作用。高速、高機動性、長壽命、安全、高效、合理運行等嚴(yán)峻的工況，對機身的設(shè)計、材料和生產(chǎn)提出了很高的要求，增材制造使飛機盡可能輕、集成、壽命長、可靠、整潔、實用。