增材制造及航空航天領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀

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摘要：本文闡述了增材制造的基本概念和不同種類增材制造技術(shù)的原理、特點(diǎn)，并對(duì)不同種類增材制造技術(shù)在航空航天和軍事領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了介紹，歸納總結(jié)了當(dāng)前該技術(shù)所存在的問題與不足，最后對(duì)增材制造的發(fā)展應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：增材制造；航空航天領(lǐng)域；發(fā)展現(xiàn)狀

1金屬增材制造的種類和原理

金屬增材制造（AdditiveManufacturing，簡(jiǎn)稱AM）技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的鑄、鍛、焊等熱加工“等材成形”技術(shù)及車、銑、磨等冷加工“減材成形”技術(shù)的一種全新的制造方法，是采用材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術(shù)，是一種自下而上的制造方法[2]。它是融合了計(jì)算機(jī)軟件、材料、機(jī)械、控制等多學(xué)科知識(shí)的系統(tǒng)性、綜合性的技術(shù)。增材制造按照不同的加工方法可分為激光增材制造、電子束增材制造、電弧增材制造等，有的加工方法仍可細(xì)化成兩種或多種不同的具體方式。下面將對(duì)各種不同增材制造方法的原理和特點(diǎn)進(jìn)行闡述，并對(duì)各自的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

2激光增材制造

激光增材制造分為激光選區(qū)熔化技術(shù)和激光直接沉積技術(shù)，激光選區(qū)熔化成形技術(shù)原理：它是以激光作為熱源，一層一層熔化金屬粉末，直接制造出近形的金屬零件。激光快速成形技術(shù)打破了傳統(tǒng)材料去除或變形加工成形方法的限制，利用“離散+堆積”的増材成形思想，通過(guò)同步送粉(送絲)或激光熔覆數(shù)字化成形一步實(shí)現(xiàn)工件的精確成形；屬近凈成形制造技術(shù)。激光直接沉積技術(shù)是在快速原型技術(shù)和激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)是基于離散/堆積原理，通過(guò)對(duì)零件的三維CAD模型進(jìn)行分層處理，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成加工路徑，在惰性氣體保護(hù)環(huán)境中，以高能量密度的激光作為熱源，按照預(yù)定的加工路徑，將同步送進(jìn)的粉末或絲材逐層熔化堆積，從而實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接制造與修復(fù)。約翰霍普金斯大學(xué)、賓州大學(xué)和MTS公司開發(fā)出一項(xiàng)大功率CO2激光“鈦合金的柔性制造”技術(shù)，并成立AeroMet公司。該公司的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)具有高性能、大體積鈦合金零件的制造，尤其是大型整體加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)鈦合金零件的快速成形。公司的主要研究方向?yàn)檐娛骂I(lǐng)域的航空航天用鈦合金部件的激光增材制造。該公司制造的鈦合金零部件已實(shí)現(xiàn)裝機(jī)使用。已使用零件分別為F-22戰(zhàn)斗機(jī)的某接頭、F-18戰(zhàn)斗機(jī)的翼跟加強(qiáng)板的連接吊環(huán)和起落架連接桿。其中，F(xiàn)-22的接頭件能夠達(dá)到要求疲勞壽命的兩倍以上，翼根加強(qiáng)筋達(dá)到要求疲勞壽命的四倍以上，起落架連桿疲勞壽命超過(guò)原件的30%。美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Griffith研究組提出以激光熔覆沉積成形為基礎(chǔ)的激光凈成形（LaserEngineeredNetShaping）技術(shù)，并將此技術(shù)用于修復(fù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件。研究的材料種類包括不銹鋼、鈦合金、高溫合金等，成型件的強(qiáng)度和塑性均比鍛造件得到顯著地提高。研究小組還通過(guò)對(duì)控制軟件的研究和改進(jìn)，將加工精度提升了一個(gè)等級(jí)。其水平方向加工精度達(dá)到0.05mm，垂直方向加工精度達(dá)到0.4mm，加工后零件的表面光潔度達(dá)到6.25μm。但是成型精度的提高會(huì)影響到成形效率。特別值得一提的是，研究組通過(guò)改變金屬粉末的成分，實(shí)現(xiàn)了材料成分在一個(gè)零件上的梯度變化，從而使得零件的不同部位具有了不同的力學(xué)性能，這就為零件的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了一種新的方法。國(guó)內(nèi)的增材制造相關(guān)研究雖然起步較晚，但是一些相關(guān)的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)已有異軍突起之勢(shì)，在某些方面甚至達(dá)到國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的地步。西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東教授的團(tuán)隊(duì)在快速原型制造技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了激光增材制造技術(shù)的研究思路，進(jìn)行了相關(guān)的研究探索。并成功運(yùn)用激光立體成形技術(shù)制造出了大型飛機(jī)的鈦合金翼梁緣條和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫合金空心葉片，綜合力學(xué)性能優(yōu)于同等條件下的鍛件。北京航空航天大學(xué)的王華明教授采用激光增材技術(shù)制造出大尺寸金屬零件，并應(yīng)用于新型飛機(jī)的研制過(guò)程中，不但提高了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且大大縮短了飛機(jī)的研制周期，并于2012年獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。但是激光增材制造也存在一些問題[3]。比如：球化現(xiàn)象、裂紋敏感性、殘余應(yīng)力等，而且設(shè)備較昂貴、能量利用率低、低熔點(diǎn)金屬材料的受熱變形、速度與精度之間的矛盾等問題也尤為突出。尤其對(duì)鋁合金而言，由于液態(tài)鋁的光反射率很高，激光照射在液體表面大部分反射掉，導(dǎo)致其能量損失嚴(yán)重；而且鋁合金熔點(diǎn)較低，激光的能量密度很高，對(duì)大型薄壁零件或者殼體增材時(shí)，翹曲變形較嚴(yán)重。

3電子束增材制造

電子束增材制造分為熔絲沉積成形和電子束選區(qū)熔化成形，電子束熔絲沉積技術(shù)又稱為電子束自由成形制造技術(shù)（ElectronBeamFreeformFabrication，EBF）。在真空環(huán)境中，電子束轟擊金屬表面形成熔池，金屬絲材通過(guò)送絲裝置送入熔池并熔化，同時(shí)熔池按照預(yù)先規(guī)劃的路徑運(yùn)動(dòng)，熔池金屬逐層凝固堆疊，達(dá)到致密的冶金結(jié)合，從而制造出金屬毛坯件，最后進(jìn)行表面精加工和熱處理。特點(diǎn)：沉積效率高、真空環(huán)境有利于零件的保護(hù)、內(nèi)部質(zhì)量好、可實(shí)現(xiàn)多功能加工。電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)[4](Electronbeamselectivemelting,EBSM)的工藝原理。先在鋪粉平面上鋪展一層粉末并壓實(shí)；然后，電子束在計(jì)算機(jī)的控制下按照斷面輪廓的信息進(jìn)行有選擇的熔化，層層堆積，直至整個(gè)零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末得到所需的三維零件。特點(diǎn)：成形精度高，成形件表面質(zhì)量較好，光潔度較好，可用于近成型增材制造。Calcam公司[5]采用電子束熔絲沉積增材制造技術(shù)，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)和控制系統(tǒng)的把控，制造出了綜合力學(xué)性能優(yōu)于鍛件的TC4鈦合金葉輪部件，并成功應(yīng)用于某型飛機(jī)上。2001年瑞典的Arcam公司成立以來(lái)，以電子束增材制造技術(shù)在粉末近凈成形精度、效率、成本和力學(xué)性能等方面具有的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)它的研究很快成為了國(guó)外科學(xué)前沿的研究熱點(diǎn)。德國(guó)紐倫堡大學(xué)、英國(guó)華威大學(xué)、美國(guó)北卡羅萊納大學(xué)以及美國(guó)波音公司、Synergeering集團(tuán)、德國(guó)FAruth公司、瑞典VOLVO公司等都陸續(xù)開展了相關(guān)的研究。美國(guó)Sciaky公司聯(lián)合LockheedMartin、Boeing公司等也在同時(shí)期合作開展了研究，成形鈦合金時(shí)，最大成形速度可達(dá)18kg/h，力學(xué)性能滿足適航要求。意大利AVIO公司[8]采用其自行制造設(shè)備開發(fā)出航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜TiAl基合金構(gòu)件，并成功應(yīng)用在新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。2006年北京航空制造工程研究所開始對(duì)電子束熔絲沉積成形技術(shù)進(jìn)行深入研究。設(shè)計(jì)并制造了國(guó)內(nèi)首臺(tái)電子束熔絲沉積成形設(shè)備，對(duì)TC4、TC18、TA15、等鈦合金以及A100超高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研制了大量鈦合金零件和試驗(yàn)件。2012年，采用電子束熔絲成形制造的鈦合金零件在國(guó)內(nèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)上率先實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)應(yīng)用。目前電子束增材制造仍面臨著一系列技術(shù)問題，吹粉、球化現(xiàn)象、變形及殘余應(yīng)力控制、表面粗糙度等。而且，電子束增材設(shè)備十分昂貴，設(shè)備維護(hù)成本較高。因?yàn)殡娮邮庸ば枰婵毡Ｗo(hù)，所以其制造周期較長(zhǎng)。對(duì)輕合金薄壁件的增材制造而言，同樣存在著變形嚴(yán)重的難題。

4其他增材制造方法

4.1電弧增材制造

電弧增材制造又叫做形狀金屬沉積（shapedmetaldepositionSMD）技術(shù)。它采用的是鎢級(jí)氣體保護(hù)焊技術(shù)和高密度絲材。工件在保護(hù)氣環(huán)境下被層層疊加制造，同時(shí)焊接機(jī)器人直接由電腦CAD模型控制。通常情況下，精度和表面質(zhì)量都不如激光或電子束增材制造。但是，它可以制造大到1m3的工件并且沉積速率可以達(dá)到1kg/h。因此，高速的電弧增材制造大型高密度部件的能力在這方面使得它比其他方法具有巨大優(yōu)勢(shì)。英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的貝恩等人用六軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)器人在兩軸的平臺(tái)上對(duì)銅絲材進(jìn)行電弧增材制造，獲得了厚度為20mm的箱體坯件。組織性能接近同等條件下激光增材的性能。天津大學(xué)的尹玉環(huán)等人使用TIG電弧作為熱源對(duì)5356鋁合金零件的增材成形進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：同一層成形時(shí)通過(guò)對(duì)道次間冷卻時(shí)間的控制可以獲得較好的增材成形效果，而對(duì)整個(gè)成形件而言不同層之間冷卻時(shí)間的合理控制對(duì)獲得良好的增材成形效果也起著至關(guān)重要的作用。還發(fā)現(xiàn)在后續(xù)焊接中采用不同的焊接速度雖然可以有效的控制熱輸入量，但是如果焊接速度的差異過(guò)大將導(dǎo)致增材成形過(guò)程的穩(wěn)定性變差。華中科技大學(xué)的王桂蘭[7]等研究了電磁場(chǎng)對(duì)電弧熔積快速成形溫度場(chǎng)及參與應(yīng)力的影響，研究結(jié)果表明：添加磁場(chǎng)之后，成形件表面溫度場(chǎng)各溫度區(qū)域范圍增大，熔積層表面熱循環(huán)峰值溫度升高，冷卻速度降低，成形件表面的縱向和橫向殘余應(yīng)力均減小。電弧增材制造也存在一些不可回避的難題[8]：吹粉和球化現(xiàn)象嚴(yán)重造成成形穩(wěn)定性差、成形材料種類的局限性、成型零件易發(fā)生開裂和變形綜合力學(xué)性能較差、組織差異大和需要較多的后期精加工等。

4.2超聲增材制造

超聲增材制造Ultrasonicadditivemanufacturing(UAM)作為一種固態(tài)金屬成形加工方式，它是運(yùn)用超聲波焊接方法，通過(guò)周期性的機(jī)械操作，將多層金屬帶加工成三維形狀，最后成形為精確的金屬部件。下面是滾軸式超聲焊接系統(tǒng)，它是由兩個(gè)超聲傳感器和一個(gè)焊接觸角組成，傳感器的振動(dòng)傳遞到磁盤型的焊接觸角上，能夠在金屬帶與基板之間進(jìn)行周期性的超聲固態(tài)焊接，進(jìn)而觸角的連續(xù)滾動(dòng)將金屬帶焊在基板上。這種技術(shù)能夠使鋁合金、銅、不銹鋼和鈦合金達(dá)到高密度的冶金結(jié)合。若將它與切削加工做比較，UAM可以做出深縫、空穴、格架和蜂巢式內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及其他的傳統(tǒng)的切削加工無(wú)法加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

5展望

增材制造技術(shù)經(jīng)過(guò)二三十年的探索發(fā)展，目前正處于蒸蒸日上的時(shí)期，一方面期待在技術(shù)上有新的突破，提高增材制造在材料、精度和效率上的要求；另一方面是基于現(xiàn)有技術(shù)的新應(yīng)用，拓寬增材制造的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。相信在不久的將來(lái)，一定能看到增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的更大范圍的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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作者：王忻凱 王乾俸 單位：空軍第一航空學(xué)院航空機(jī)械工程系