溫學(xué)，何志平

中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001

增材制造技術(shù)又稱3D 打印技術(shù)，是一種通過三維CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，采用材料逐層累加原理制造實(shí)體零件的技術(shù)，本質(zhì)是焊接技術(shù)[1]。相比傳統(tǒng)的材料去除成形技術(shù)，增材制造技術(shù)對(duì)原材料的利用率更高，可以降低鈦合金材料零部件的成本；同時(shí)，增材制造支持個(gè)性化設(shè)計(jì)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形制造，可以滿足結(jié)構(gòu)減重需求。因此，增材制造概念自20 世紀(jì)80 年代被提出以來，迅速受到航空航天、醫(yī)療器械等行業(yè)的重視并不斷發(fā)展，目前已實(shí)現(xiàn)多種金屬材料、樹脂材料、復(fù)合材料等零部件的增材制造[2]。高質(zhì)量、高效率、低成本逐漸成為增材制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向，業(yè)界越發(fā)關(guān)注增材制造零件的尺寸精度、表面粗糙度、力學(xué)性能；對(duì)于致密零件會(huì)關(guān)注致密度、抗拉強(qiáng)度、延伸率；對(duì)于多孔零件會(huì)關(guān)注孔隙率和抗壓強(qiáng)度。直升機(jī)與其他飛行器的顯著區(qū)別在于旋翼系統(tǒng)及其帶來的全機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)問題，不斷有改進(jìn)的新構(gòu)型被研發(fā)出來以滿足運(yùn)輸、反潛、預(yù)警、通信、搜救、消防等領(lǐng)域的需求，增材制造技術(shù)為直升機(jī)復(fù)雜精密的零部件輕量化設(shè)計(jì)和制造提供了實(shí)現(xiàn)途徑。

1 金屬材料增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 金屬材料增材制造技術(shù)的分類

金屬材料增材制造技術(shù)于20世紀(jì)90年代進(jìn)入我國，到2017年金屬材料增材制造產(chǎn)值約為23億元，約占增材制造產(chǎn)業(yè)的31%[3]，目前金屬材料增材制造技術(shù)的熱源主要有激光、電子束、電弧等。

金屬材料增材制造技術(shù)按工藝不同可以分為：（1）粉床熔融工藝，包括激光選區(qū)熔融法（SLM）、直接金屬激光燒結(jié)法（DMLS）、激光束熔融法（LBM）、激光選區(qū)燒結(jié)法（SLS）、金屬黏合劑噴射成形法（MBJ）、電子束熔融法（EBM）等；（2）直接能量沉積工藝，包括激光直接沉積工藝（DLMD）、電弧熔絲增材制造（WAAM）、噴墨液態(tài)金屬法、冷噴涂沉積法等。

其按原材料物理狀態(tài)不同可以分為：（1）基于粉末的激光粉末床熔融工藝、電子束粉末床熔融工藝、送粉式激光能量沉積工藝、冷噴涂工藝、金屬激光燒結(jié)工藝等；（2）基于絲材的等離子弧沉積工藝、電弧沉積工藝、電子束沉積工藝、送絲式激光沉積工藝、金屬熔融沉積成形工藝；（3）融合電阻焊、攪拌摩擦焊等工藝的復(fù)合增材制造技術(shù)，基于焊棒的液體金屬打印工藝，基于分散劑的納米粒子噴射工藝，基于金屬顆粒的金屬熔融沉積成形工藝等。

每種工藝都有其固有的優(yōu)缺點(diǎn)，如金屬直接沉積法中的激光熔化沉積技術(shù)，其原理是同軸送粉、激光熔覆，優(yōu)點(diǎn)在于成形尺寸較大，但是成形精度低、殘余應(yīng)力大的問題較為突出。而電子束熔絲成形（EBF）工藝，原理是金屬絲材的電子束融化和層層堆積，其優(yōu)點(diǎn)是沉積速率高（20kg/h）、成形尺寸大，缺點(diǎn)是成形尺寸精度低。因此，需要根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征和服役特點(diǎn)選擇較為適合的增材工藝。

1.2 原材料

金屬增材制造的原材料研制一直是國際級(jí)難題，也是增材制造技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”。金屬增材制造技術(shù)所用的原材料主要為合金粉末和合金絲材，金屬粉末的形狀、粒度、氧含量、雜質(zhì)成分、松裝密度等因素對(duì)材料成形的質(zhì)量有較大影響[4]；絲材的直徑均勻度和元素含量波動(dòng)度對(duì)成形中熔融沉積的穩(wěn)定和整體化學(xué)元素的均勻分布有明顯影響。高質(zhì)量、多種類的原材料制備技術(shù)一直是增材制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)研發(fā)方向。

1.3 設(shè)備

增材制造技術(shù)的主要工藝都集成在設(shè)備中，因此設(shè)備的性能直接影響增材制造零件成品的質(zhì)量。一臺(tái)增材制造設(shè)備通常會(huì)集成多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，因此設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)難度較大，國內(nèi)外只有少數(shù)廠家擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的增材制造設(shè)備。以我國的激光融化沉積設(shè)備為例（見圖1），其硬件主要包括光學(xué)系統(tǒng)、粉末系統(tǒng)以及保護(hù)系統(tǒng)三大部分，其主要控制參數(shù)包括掃描速度、掃描路徑、激光功率、鋪粉厚度等。設(shè)備的主要成本來自激光器的價(jià)格，且主要元器件均為進(jìn)口。由于相關(guān)技術(shù)理論還不成熟，最優(yōu)增材制造工藝參數(shù)主要通過大量試驗(yàn)獲得，而能否提供豐富的材料成形數(shù)據(jù)庫也是衡量增材制造設(shè)備是否成熟的重要標(biāo)識(shí)?？刂葡到y(tǒng)也是設(shè)備的主要難點(diǎn)，燒結(jié)路徑的不同對(duì)零件殘余應(yīng)力分布、零件致密度等主要性能都有重要影響。

圖1 激光融化沉積系統(tǒng)Fig.1 System of laser metal deposition

目前國產(chǎn)化設(shè)備主要存在設(shè)備批次穩(wěn)定性較難控制的問題，與進(jìn)口設(shè)備相比，打印尺寸、效率、精度等還存在技術(shù)差距[5]，缺乏打印過程的質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。

國內(nèi)外知名企業(yè)也在不斷推出速度更快、成形質(zhì)量更好、成形尺寸更大、價(jià)格更低的設(shè)備，增材制造設(shè)備的研發(fā)逐漸向著較少后處理量、低能源消耗、產(chǎn)品零殘余應(yīng)力方向發(fā)展。內(nèi)部缺陷的控制、成形過程中的變形開裂預(yù)防、產(chǎn)品的質(zhì)量一致性等方面有待進(jìn)一步提升。

1.4 后處理

增材制造雖然是一種“近終形”成形工藝，但目前還很難實(shí)現(xiàn)工件成形后直接應(yīng)用，往往還需要一些后處理輔助工序。如在成形后首先需要采用線切割等方法去除基板和支撐；對(duì)于成形工件表面粗糙、尺寸精度不夠的問題，往往還需要對(duì)工件進(jìn)行機(jī)械加工；對(duì)于工件存在孔隙等微觀組織缺陷問題，需要采用熱等靜壓（HIP）技術(shù)降低工件的孔隙率，提升工件的機(jī)械性能；對(duì)于熔覆順序帶來的工件組織力學(xué)性能不一致問題，需要對(duì)工件進(jìn)行熱處理；對(duì)疲勞性能有特殊要求的工件，在對(duì)工件進(jìn)行機(jī)械加工后還需進(jìn)行噴丸等表面強(qiáng)化處理，引入有益于工件疲勞強(qiáng)度的表面殘余壓應(yīng)力[6]。后處理工序會(huì)顯著增加制造時(shí)間和成本，因此縮減甚至取消后處理工序是增材制造技術(shù)未來的發(fā)展方向之一。

1.5 產(chǎn)品檢測與性能評(píng)價(jià)

金屬增材制造的本質(zhì)是焊接，氣孔、夾雜、未熔合、裂紋等焊接缺陷幾乎不可避免，由于增材制造工件多為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，無損檢測難度大。常見的無損檢測方法可以分為離線檢測與在線檢測兩類。離線檢測的特點(diǎn)是制造與檢測過程分離，傳統(tǒng)的超聲波探傷、X 射線探傷、渦流探傷等都是常用的離線檢測方法。隨著金屬增材制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，增材制造零件逐漸呈現(xiàn)出復(fù)雜化、精細(xì)化的特點(diǎn)，這對(duì)無損檢測技術(shù)提出了更高的要求，CT檢測技術(shù)和激光超聲檢測技術(shù)也開始應(yīng)用于成形件的無損檢測。

為了降低成本、提高成材率，研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)開始尋求金屬增材制造過程中的無損檢測方法，簡稱在線檢測技術(shù)。它通過實(shí)時(shí)監(jiān)控成形過程中的組織變化、缺陷產(chǎn)生等現(xiàn)象，隨時(shí)做出工藝調(diào)整。目前，國外公司（如美國國家航空航天局（NASA）、英國焊接研究所（TWI）、德國的MTU公司等）已經(jīng)開展增材制造過程在線檢測方法的研究工作，國內(nèi)相關(guān)工作目前還未見報(bào)道。

在增材制造產(chǎn)品檢測的標(biāo)準(zhǔn)化方面，國內(nèi)雖然開展了相關(guān)無損檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，但尚未形成完整的標(biāo)準(zhǔn)體系。國外在這方面的工作進(jìn)展較大，目前AMS 4999A標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)3D 打印TC4 鈦合金的無損檢測驗(yàn)收要求做出明確規(guī)定，但并未詳細(xì)說明如何實(shí)施，而是直接引用了AMS2631、ASTM E1742 等通用的金屬制件檢測方法。美國NIST 正在制定標(biāo)準(zhǔn)ASTM WK47031《航空用增材制造金屬制件無損檢測指南》，ASTM還制訂了增材制造產(chǎn)品無損檢測系列標(biāo)準(zhǔn)研究計(jì)劃。

金屬增材制造產(chǎn)品的力學(xué)性能評(píng)價(jià)方面，主要進(jìn)行了拉伸、蠕變、疲勞及其與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的鍛件的對(duì)比等力學(xué)性能方面的研究。研究表明，金屬增材制造產(chǎn)品的熔融沉積態(tài)性能呈現(xiàn)各向異性，具體表現(xiàn)為平行于沉積方向抗拉強(qiáng)度低而塑性好，垂直于沉積方向抗拉強(qiáng)度高而塑性差。經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，在成形參?shù)設(shè)置合適時(shí)，材料的力學(xué)性能與疲勞壽命可以與鍛件相當(dāng)。因此，在進(jìn)行金屬增材制造產(chǎn)品的力學(xué)性能測試時(shí)，可以依據(jù)常規(guī)金屬材料的力學(xué)性能測試標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 228.1、GB/T 4161、GB/T 2039、GB/T 3075）進(jìn)行。

2 金屬增材制造在直升機(jī)零件制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀和技術(shù)難點(diǎn)

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）輔助型號(hào)設(shè)計(jì)定形

在型號(hào)研制階段，經(jīng)常會(huì)遇到一個(gè)零件多種設(shè)計(jì)構(gòu)型的選擇問題，這時(shí)需要將設(shè)計(jì)構(gòu)型的實(shí)物制造出來進(jìn)行考核驗(yàn)證，如果采用傳統(tǒng)的制造工藝，則要考慮原材料加工、模具準(zhǔn)備等工序，經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本較高，而采用增材制造技術(shù)，可以快速完成多個(gè)構(gòu)型試驗(yàn)件生產(chǎn)，縮短試驗(yàn)件加工周期，從而保證型號(hào)研制進(jìn)度。

（2）制造機(jī)體結(jié)構(gòu)的非承力部件

俄直公司將增材制造技術(shù)用于制造通風(fēng)系統(tǒng)部件、內(nèi)部裝飾設(shè)備、多媒體系統(tǒng)的固定裝置等；米里直升機(jī)廠應(yīng)用增材制造技術(shù)制造了符合人機(jī)工程學(xué)的米-38直升機(jī)控制桿，如圖2所示。

圖2 3D打印的控制桿Fig.2 3D printing lever

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)組件的制造

2017 年賽峰直升機(jī)引擎公司推出的AW189K 直升機(jī)用Aneto-1K 發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃燒室由增材制造部件組成，且其導(dǎo)向葉片為增材制造；黑鷹直升機(jī)民用版機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)A-CT7中段部分通過采用增材制造技術(shù)，制造工人由原來的60人減少到1人，將300個(gè)零部件整合成了一個(gè)零件。

2.2 直升機(jī)承力零件增材制造應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)

（1）疲勞性能較低

增材制造技術(shù)之所以尚未大范圍用于制造直升機(jī)機(jī)體的承力部件，主要是因?yàn)榇嬖谌齻€(gè)方面的技術(shù)難點(diǎn)。首先，力學(xué)性能方面，直升機(jī)零部件的耐疲勞性能是設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重要指標(biāo)之一，而增材制造產(chǎn)品的疲勞強(qiáng)度一般低于傳統(tǒng)工藝（如鍛造加工制造的產(chǎn)品）。這是因?yàn)樵霾闹圃旒夹g(shù)逐層累加成形過程中存在“臺(tái)階效應(yīng)”，如果不經(jīng)后續(xù)機(jī)械加工處理，增材制造產(chǎn)品的表面通常比較粗糙，粗糙的表面通常被認(rèn)為是疲勞裂紋萌生的位置。但也有研究表明，經(jīng)過機(jī)械加工處理的鈦合金增材制造試件可以與傳統(tǒng)鍛壓工藝鈦合金試件有相當(dāng)?shù)钠趶?qiáng)度[7]。另外，增材制造系統(tǒng)包含大量的變量，這些系統(tǒng)變量會(huì)在零件中引發(fā)氣孔等缺陷[8]，降低零件的力學(xué)性能，目前尚未全部研究清楚這些系統(tǒng)變量對(duì)產(chǎn)品微觀組織和力學(xué)性能的影響，而如何降低這些變量引發(fā)缺陷的概率，從而提高增材制造產(chǎn)品的力學(xué)性能，也需要進(jìn)一步研究探討。

（2）尺寸調(diào)控難度較大

成形精度方面，直升機(jī)零部件有嚴(yán)格的尺寸精度要求和裝配精度要求，但是目前增材制造零件的成形精度還很難實(shí)現(xiàn)一次成形就尺寸達(dá)標(biāo)[9-10]，打印設(shè)備、成形方向、材料性能、工藝參數(shù)、后處理過程都會(huì)對(duì)增材制造零件的尺寸精度產(chǎn)生影響[11-12]，因此成形后往往還需要進(jìn)行機(jī)械加工以保證產(chǎn)品尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。另外，金屬材料由熔融態(tài)到凝固成形，材料狀態(tài)變化引起的尺寸收縮會(huì)使零件產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致被打印零件可能出現(xiàn)形變彎曲問題[13]，且打印零件的尺寸越大則變形控制難度越大。

（3）成本較高

成本控制方面，成本是直升機(jī)尤其是民用直升機(jī)考慮的主要因素之一，而目前增材制造零件存在成本較高的問題。主要原因有：（1）高質(zhì)量原材料的成本較高，如鈦合金粉末的價(jià)格高達(dá)7000元/kg，而普通鈦合金材料的價(jià)格只要每千克幾百元[14]；（2）增材制造設(shè)備較貴，尤其是進(jìn)口工業(yè)級(jí)設(shè)備的售價(jià)可以達(dá)到每臺(tái)2000萬元，而且零件采用傳統(tǒng)增材制造工藝成形效率較低；（3）前后處理步驟也會(huì)增加增材制造零件的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

3 金屬增材制造在直升機(jī)中的應(yīng)用前景和應(yīng)用策略

3.1 應(yīng)用前景

（1）結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，又稱創(chuàng)成式設(shè)計(jì)技術(shù)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)被證實(shí)是一種高效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在航空航天結(jié)構(gòu)輕量化、高性能設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，但受限于現(xiàn)有加工技術(shù)，其實(shí)際應(yīng)用面臨巨大挑戰(zhàn)。郭文杰[15]等對(duì)某型無人機(jī)翼梁結(jié)構(gòu)開展剛度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)要求，同時(shí)減重達(dá)到6%。胡添翼[16]等對(duì)飛機(jī)典型雙耳結(jié)構(gòu)連接件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，如圖3所示，優(yōu)化后的雙耳結(jié)構(gòu)連接件滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，且可減重26.8%。柴象海[17]等對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后葉片空心率提高到45%以上，并基于增材制造技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化后風(fēng)扇葉片的抗沖擊性能有顯著提升。

圖3 典型雙耳接頭結(jié)構(gòu)Fig.3 Double-ear joint of aircraft

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)往往會(huì)變得復(fù)雜，很難應(yīng)用傳統(tǒng)的加工工藝精確制造，這嚴(yán)重制約了直升機(jī)零部件的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。而增材制造技術(shù)可以比較容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，使直升機(jī)設(shè)計(jì)人員不需要顧慮零件加工難度，可以按最優(yōu)方案完成直升機(jī)設(shè)計(jì)。

（2）結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計(jì)

主體框架與結(jié)構(gòu)整體化是工業(yè)產(chǎn)品形態(tài)的趨勢之一，是指將由多個(gè)零件連接而成的裝配組件變成單件整體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)效率最優(yōu)化。結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計(jì)可以大幅減少工業(yè)產(chǎn)品零部件的數(shù)量，并隨之帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。如一輛傳統(tǒng)汽車的零部件數(shù)量大約為20000個(gè)，而美國Local Motors公司采用結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計(jì)的兩座家用汽車——斯特拉提，整個(gè)車身僅由40 個(gè)部件組成，且重量大幅降低[18]。再如GE公司生產(chǎn)的LEAP燃油噴嘴，如圖4所示，采用結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)后，部件數(shù)量由20 個(gè)縮減為1 個(gè)，同時(shí)減重25%，成本降低30%，部件壽命提升5倍。

圖4 LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴Fig.4 Fuel nozzle of LEAP engine

直升機(jī)零部件數(shù)量眾多，通常為15000個(gè)以上，受限于目前的加工制造技術(shù)，結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計(jì)尚未得到推廣應(yīng)用。目前，這些零件通過裝配、焊接、鉚接、膠結(jié)等多種方法連接起來構(gòu)成直升機(jī)的部件。而接頭部位由于存在幾何應(yīng)力集中和連接工藝引入的缺陷和殘余應(yīng)力，往往是結(jié)構(gòu)承載時(shí)優(yōu)先發(fā)生破壞的位置。而增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的一體化成形，從而大幅減少直升機(jī)零部件數(shù)量，進(jìn)而有效降低結(jié)構(gòu)在接頭部位失效的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也減少了設(shè)計(jì)人員和零件加工制造人員的工作量，縮短直升機(jī)交付周期。如“黑鷹”直升機(jī)民用版機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)A-CT7中斷結(jié)構(gòu)采用增材制造一體成形技術(shù)，將300 個(gè)零部件整合成1 個(gè)零件，實(shí)現(xiàn)減重超過4.5kg，如圖5所示。

圖5 “黑鷹”發(fā)動(dòng)機(jī)A-CT7中斷結(jié)構(gòu)Fig.5 Interception structure of A-CT7

（3）結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)，通常是指將功能元件嵌入平臺(tái)結(jié)構(gòu)中形成既可作為力學(xué)承載結(jié)構(gòu)，同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)某些功能的結(jié)構(gòu)。如結(jié)構(gòu)功能一體化天線將集成微帶天線陣列的射頻功能件嵌入武器平臺(tái)結(jié)構(gòu)中，既可以作為力學(xué)承載的蒙皮結(jié)構(gòu)，又可作為收發(fā)電磁波的微波天線，還能夠滿足結(jié)構(gòu)輕量化、武器裝備隱蔽性的需求。

結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)在直升機(jī)中應(yīng)用前景廣闊，如直升機(jī)的抗墜毀、抗沖擊能力對(duì)于飛行員生命保障有著非常重大的意義，但是增加過多的吸能設(shè)備會(huì)增加直升機(jī)重量，反而不利于直升機(jī)的戰(zhàn)場生存能力，而結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)可以在不增加重量甚至減重的情況下滿足結(jié)構(gòu)抗沖擊的需求。如直升機(jī)的緩沖器/壓潰支撐部件如果采用孔隙結(jié)構(gòu)或者格柵結(jié)構(gòu)，可大幅提高其抗沖擊吸能性能。但是結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)的零部件由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜很難通過傳統(tǒng)工藝制造出來，而增材制造技術(shù)能夠解決這一問題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)直接制造，促進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，如增材制造的空間點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，重量輕、剛性好，而且散熱性能優(yōu)異，可以同時(shí)滿足裝備減重和散熱的需求，如圖6所示。

圖6 空間點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)Fig.6 Space lattice sandwich structure

（4）直升機(jī)維護(hù)保障

直升機(jī)由于技術(shù)復(fù)雜、零部件繁多，加之戰(zhàn)損機(jī)理多變，其對(duì)維修保障技術(shù)的要求較高?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭的突發(fā)性要求軍隊(duì)具備快速反應(yīng)和強(qiáng)機(jī)動(dòng)能力，這同時(shí)要求軍事裝備維修保障能力必須與戰(zhàn)爭的迫切需要相適應(yīng)，不斷向快速化、自動(dòng)化、綜合化方向發(fā)展。應(yīng)用增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)直升機(jī)部件的即用即打，修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、整體葉盤、框梁、鈦合金槳轂等高價(jià)值零件，在降低維修成本的同時(shí)提高直升機(jī)的戰(zhàn)場效能，從而順應(yīng)裝備維修保障能力的發(fā)展趨勢。另外，隨著直升機(jī)型號(hào)的不斷發(fā)展更新，老型號(hào)的直升機(jī)生產(chǎn)線逐漸被改裝拆除，可能導(dǎo)致老型號(hào)直升機(jī)的零部件無法供應(yīng)，而增材制造技術(shù)可以解決這一問題，并且顯著縮短零件供應(yīng)周期、降低生產(chǎn)成本。

同時(shí)，在保障物資運(yùn)輸環(huán)節(jié)，增材制造技術(shù)優(yōu)勢明顯。婁穎達(dá)[19]等以維護(hù)保障中的保障物資運(yùn)輸環(huán)節(jié)為例，通過對(duì)比分析應(yīng)用增材制造技術(shù)情況下，擺放方向約束等物資裝載約束條件相較傳統(tǒng)約束條件的大幅簡化，以及所帶來的構(gòu)件物資配置算法的復(fù)雜度的大幅減小，證明了在現(xiàn)有集裝箱總裝載容積一定的前提下，以打印原材料的運(yùn)輸替代傳統(tǒng)保障中的成品備品備件運(yùn)輸，可以將箱容率從78%提高到90%以上，運(yùn)輸效率顯著提升，便于軍事裝備維修保障部門以最短時(shí)間將平時(shí)積聚的保障力量轉(zhuǎn)化成戰(zhàn)時(shí)保障能力。

利用增材制造技術(shù)省時(shí)、節(jié)約、高效率的優(yōu)勢，BAE系統(tǒng)公司預(yù)測未來前線特種部隊(duì)甚至可以在執(zhí)行任務(wù)途中使用便攜的，在任務(wù)結(jié)束后這些無人機(jī)可以快速熔解回收的原材料[20]。

3.2 應(yīng)用策略

充分考慮目前增材制造技術(shù)的成熟度以及直升機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)特征和服役工況，增材制造技術(shù)在直升機(jī)上的應(yīng)用分為三個(gè)階段。

（1）夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)

針對(duì)直升機(jī)現(xiàn)有的采用傳統(tǒng)鑄、鍛工藝制造的零件，探索拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)加增材制造成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零件減重的目標(biāo)。需要型號(hào)設(shè)計(jì)單位和國內(nèi)增材制造優(yōu)勢單位通力合作，在突破關(guān)鍵技術(shù)問題過程中，力爭在原材料、設(shè)備、后處理、檢測與性能評(píng)價(jià)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有所突破，為增材制造進(jìn)一步的型號(hào)應(yīng)用打好技術(shù)和理論基礎(chǔ)。

（2）實(shí)現(xiàn)直升機(jī)一般承力件的增材制造

針對(duì)直升機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)上有一定疲勞性能要求的金屬零部件，根據(jù)材料和特征結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋萌生擴(kuò)展特性，探索增材制造加表層微鍛造（表面強(qiáng)化技術(shù)）加表面改性（激光熔覆技術(shù)）等技術(shù)對(duì)成形件疲勞性能的改善效果，實(shí)現(xiàn)疲勞性能優(yōu)于傳統(tǒng)工藝制造的零部件，從而在型號(hào)上推廣應(yīng)用。

（3）實(shí)現(xiàn)直升機(jī)重要承力件的增材制造

對(duì)于旋翼系統(tǒng)中對(duì)疲勞性能有苛刻要求的金屬零部件，結(jié)構(gòu)特征更為復(fù)雜，服役環(huán)境更為多樣，需要在前兩步工作的研究基礎(chǔ)上，視技術(shù)成熟情況，適時(shí)推進(jìn)型號(hào)應(yīng)用。

4 結(jié)論與展望

增材制造技術(shù)是直升機(jī)先進(jìn)構(gòu)型設(shè)計(jì)制造和高效維護(hù)保障能力的重要支撐技術(shù)之一，因此俄直公司預(yù)測未來10年，增材制造技術(shù)在直升機(jī)零部件制造市場具有廣闊前景，或?qū)⒂糜谥圃鞕C(jī)體、旋翼的承力部件，并計(jì)劃從增材制造技術(shù)角度對(duì)各零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行耐久性試驗(yàn)以確定增材制造零部件的性能與被替換的類似零部件具有等同或者更優(yōu)秀的性能。據(jù)Asiatimes網(wǎng)站2020年10月19日?qǐng)?bào)道，美國陸軍正對(duì)“黑鷹”直升機(jī)約20000 個(gè)結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行增材制造產(chǎn)品替換評(píng)估，這種按需打印零件可以使一線部隊(duì)擺脫后勤挑戰(zhàn)，并使其更具機(jī)動(dòng)性。

但也要清楚地看到，增材制造技術(shù)在直升機(jī)零件制造領(lǐng)域還存在制件疲勞強(qiáng)度低、成形精度差、成形效率不高，以及舊粉的利用率較低等技術(shù)問題，這些技術(shù)問題的根源在于原材料質(zhì)量控制[21-22]、設(shè)備工藝控制[23-24]、產(chǎn)品后處理技術(shù)及產(chǎn)品檢測與性能評(píng)價(jià)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的研究還不夠深入，而解決這些問題將是增材制造領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有很多公司和研究機(jī)構(gòu)開展相關(guān)方向的研究工作，如針對(duì)增材制造零件精度較低、需要機(jī)械加工、次品率較高、成形效率較低的問題，有研究人員提出集成更先進(jìn)的打印精度控制算法[25-26]，從而減少后處理步驟，降低后處理難度，提升制造效率；也有人提出將數(shù)控加工等后處理步驟集成到增材制造系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)“打印—加工”一體化[18]，從而縮短增材制造與后處理流程間的時(shí)間。

此外，亟須開展面向直升機(jī)增材制造工件的在線缺陷檢測、綜合性能評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)考核驗(yàn)證、損傷評(píng)估與修復(fù)等技術(shù)研究工作，并制定相關(guān)工藝規(guī)范，形成典型結(jié)構(gòu)件和配套材料、工藝、裝備和適航技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系[27-30]，為增材制造在直升機(jī)設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)中的應(yīng)用推廣提供技術(shù)支撐。