高能束流加工技術在航空領域的應用及發展

高能束流加工技術是21世紀最重要的先進制造技術之一，具有非接觸、能量精確可控、材料適應性廣、柔性強、質量優、資源節約、環境友好等綜合優勢，既可用于大批量高效自動化生產，又適用于多品種、小批量加工，甚至個性化產品的訂制，因此成為傳統制造業改造升級不可或缺的重要技術。高能束流加工技術在工業中所占的比重已成為衡量一個國家工業制造水平高低的重要指標之一，是研制生產高、精、尖武器裝備的關鍵技術，對保障國家安全具有重要意義。經過多年的發展，高能束流加工技術已經發展為焊接、切割、制孔、快速成型、刻蝕、微納加工、表面改性、噴涂及氣相沉積等多種門類，在航空、航天、船舶、兵器、核能、交通、醫療等諸多領域發揮著重要的作用。

本文以為高能束流加工技術在航空領域發展為背景，重點介紹了高能束焊接、高能束快速成型和高能束表面工程技術當前的技術現狀及重點應用，同時，針對新型飛機及發動機技術新需求，闡述高能束在航空制造中的發展趨勢。

高能束流焊接技術應用及發展趨勢

高能束焊接在提高材料利用率、減輕鈦合金結構重量、降低成本方面獨具優勢，這使得以高能束流為熱源的先進焊接技術——電子束焊接、激光焊接、激光復合熱源焊接技術成為航空整體結構連接制造的發展趨勢，應用范圍也逐漸擴大。國際先進航空制造公司空客、波音、洛克希德·馬丁、Eclipse 等在軍民機制造中，都相繼采用電子束焊接、激光焊接技術作為飛機結構的連接方法。

電子束焊接是制造飛機主、次承力結構件和機翼骨架的必選技術，也是衡量飛機制造水平的一把標尺，如美國F-14戰機鈦合金中央翼盒、F-22戰機后機身鈦合金梁、機翼梁、A380的發動機鈦合金托架均為電子束焊接。此外，電子束焊接也是航空發動機制造的關鍵技術之一，如：發動機機匣、壓氣機整體葉盤、渦輪、燃燒室等部件的焊接。而激光焊接則是實現大尺寸、薄壁機身結構件焊接的優選方案，具有焊接效率高、變形小、接頭質量高等優點。如空中客車公司在A380機身壁板上的首次成功應用激光焊接技術，與鉚接結構相比，其減重約18%，降低成本約21.4%～24.3%。另外，激光焊接在發動機部件焊接與修復上也有重要應用，激光焊接修復技術利于近凈成形，減少裂紋產生，已應用的有航空發動機渦輪葉片、導向葉片和氣路封嚴系統的零部件，如：歐盟第六框架研究項目AROSATEC就開展了壓氣機定子與葉柵、高壓和低壓葉片出口與蓋板連接，以及渦輪機匣的激光焊接技術研究。美國通用電氣公司成功地完成了噴氣發動機的導流板和導向葉片的激光焊接組裝，有效地解決了鎳基合金小型零件激光焊接變形與裂紋等問題。美國霍尼韋爾公司修復的葉片已累計飛行2千萬個飛行小時。美國伍德集團公司利用激光粉末合金熔焊技術可以修理過去認為不可修的單晶和DS合金零部件。

隨著高能束焊接技術發展，新束源研發方面不斷進步，在航空結構制造上發揮的作用也越來越大，如在電子束焊接方面，注重大功率、高可靠性的電子束槍的研制，目前國外電子束焊接設備功率一般大于60kW，最高可達到200kW，加速電壓在150kV以上，同時利用先進的高壓逆變電源技術提高了高壓性能、設備穩定性，降低了噪聲；在激光焊接方面，目前，CO2激光和YAG（注）激光這兩類激光器的功率增大已達到極限，難以實現大型結構中厚板焊接。以盤式激光和光纖激光為代表的高亮度大功率激光技術，尤其是光纖激光，束流品質高，其功率也已超過50kW，且還有提高潛力，可實現薄板高效焊接，20mm以上厚板的高質量焊接，和現場移動焊接，因此，光纖激光焊接大有替代CO2激光和YAG激光之勢。

高能束流快速成形技術應用及發展趨勢

高能束流快速制造技術是基于離散/堆積原理的增材成型技術，由零件的3D模型可直接制造出任意復雜形狀的金屬零件，能夠大大減少制造工序、縮短生產周期，節省材料、降低成本等特點。自上世紀90年代中期以來，該技術已發展為多種門類，如激光選區熔化（SLM）、電子束熔化制造（EBM）、激光近凈形制造（LENS）、金屬直接沉積（DMD）、形狀沉積制造（SDM）以及電子束自由成形（EBFFF）等。采用的熱源主要為激光、電子束和電弧等束源，該技術根據材料在沉積時的不同狀態可以分為：熔覆沉積技術，材料在沉積反應時才送入沉積位置，由高能束在沉積區域產生熔池并高速移動，熔化后沉積下來；選區沉積技術，材料在沉積反應前已位于沉積位置上，再用高能束逐點逐行燒結或熔化。

熔覆沉積快速成形技術

同軸送粉激光快速成形技術，可制備疊層材料、功能復合材料、裁縫式地制成"變成分"的材料或零件和修復鈦合金葉片、整體葉盤等構件，且其力學性能達到鍛件的水平。其相關成果已應用在武裝直升機、波音787客機、F/A-18E/F及F-22戰機上，如：AeroMet公司利用Lasform技術制造了F-22戰機的TC4鈦合金接頭，滿足疲勞壽命2倍要求；F/A-18E/F的翼根吊環，滿足疲勞壽命4倍要求且靜力加載到225%仍未破壞。

金屬絲材高能束熔融沉積技術是在高能束送絲焊接基礎上發展起來的，其中熔化絲材的電子束自由成型快速制造技術，由于在真空環境工作，其冶金質量高，特別是鈦合金等材料的快速制造，其發展速度非常快。1995年，美國麻省理工學院首次試制了In718合金渦輪盤。目前，已可以制造出形狀比較復雜的零件，最大沉積速率3500cm3/h，性能達到鍛件水平，另外，西雅基公司利用該項技術制造了F-22上的鈦合金AMAD支座、吊耳和萬向節以及直升機的螺旋槳支架等。

選區熔化沉積成形技術

激光選區燒結技術（SLS），由于光斑或熔池較小，無需附加支撐，因此該技術制造的零件精度較高且形狀較復雜。激光選區熔化技術（SLM）是在SLS技術的基礎上發展起來的，兩者的不同之處在于后者所采用的是一種金屬材料與另一種低熔點材料（可以是低熔點金屬或有機粘接材料）的混合物，在加工過程中，低熔點材料熔化或部分熔化，但熔點較高的金屬材料被已熔化的低熔點材料包覆黏結在一起，從而形成類似于粉末冶金燒結坯件的原型。但這種零件還需要經過高溫重熔或滲金屬填補孔隙等后處理以后才能使用。

電子束選區熔化技術（EBM）與SLS/SLM技術相比，具有獨特的優點：無反射、可加工激光不易加工的金、銀、銅、鋁等材料；成形環境為真空，特別有利于鈦等活潑金屬的成形，然而EBM技術成形精度較差，為后續表面光整帶來極大困難。

激光選區熔化凈成形技術無需模具，直接利用金屬粉末成形任意復雜零件，特別是點陣夾芯與復雜型腔結構件，可解決中小型復雜金屬構件的難加工、周期長、成本高等問題。國外的羅羅、GE、普惠、MTU、波音、EADS、空客等公司利用此技術開發了商業化的金屬零部件。由于此技術在點陣夾芯結構領域具備優勢，可為我國航空武器裝備研制提供一種快速響應和精確制造的快速驗證先進技術。

高能束流表面工程技術應用及發展趨勢

我國新型武器零部件的性能、可靠性和使用壽命要求越來越苛刻，以航空發動機為例，未來軍用發動機空中停車率要達到0.01‰～0.06‰飛行小時，民用發動機達到0.002‰～0.02‰飛行小時，同時軍用發動機的壓氣機出口溫度將達到650℃，渦輪進口溫度將達到1650～1750℃，熱端壽命為5000次循環，為達到這些壽命、可靠性和抗疲勞等性能的技術要求， 迫切需要對零部件進行高能束表面加工處理，按照工件處理表面的厚度不同可以將其劃分為三類：表面改性、薄膜及涂層技術。

高能束表面改性加工技術，主要包括激光沖擊強化、離子注入、電子束毛化及表面完整性技術等，在激光沖擊強化方面，歐美等發達國家的技術已經較為成熟，已應用于F101、F110 、F414 和F119等發動機葉片上，通用電氣公司自1997年直到目前累計強化葉片100000片以上，提高葉片高周疲勞壽命5～6倍，截至2008年年底，波音公司和空客公司的寬弦風扇葉片強化數量超過35000片。在離子注入方面，美歐國家已實現一些軍工零部件上的應用。如：莫斯科航空研究所用離子注入技術處理鈦合金壓氣機葉片，使葉片的疲勞強度提高5%～20%，耐熱氣腐蝕的性能提高2倍以上， 耐顆粒沖蝕的性能提高20%～50%，耐壓縮氣體沖蝕的性能提高3倍以上。

高能束表面薄膜加工技術，主要包括航空產品防護薄膜、光電功能薄膜、透明隱身薄膜等加工技術，其在航空航天產品中已得到廣泛應用，作為耐磨耐蝕防護薄膜已應用于航空發動機傳動系統、導彈及衛星上，作為激光防護膜應用于飛機及導彈制導裝置上，作為隱身薄膜已應用于飛行器透明窗口上，作為光電功能膜已應用于各種軍用武器傳感器、主要控制芯片上。如：美國古德里奇公司在直升機發動機傳動軸上沉積了一層摻碳化鎢類金剛石薄膜，使用壽命提高4倍以上， 普惠公司開發了多層梯度TiN薄膜，在JT9D壓氣機葉片上得到應用。

高能束表面涂層加工技術，主要包括熱障涂層、封嚴涂層、隱身涂層、防護涂層。在熱障涂層方面，主要發展新元素摻雜和新型復合工藝制備隔熱溫度更高的長壽命熱障涂層，如：美國海軍實驗室的研究表明，在1400℃時，La2O3、Sc2O3、Y2O3共同穩定的ZrO2相穩定性比6%～8%Y2O3部分穩定的ZrO2好得多，可作為1200～1400℃隔熱涂層使用。德國研發了可以大幅度降低涂層熱導率的離子束輔助EBPVD沉積熱障涂層技術。在封嚴涂層方面，正在進行具有良好的結合力、抗熱震性能、可磨耗性和抗沖蝕能力可磨耗涂層開發，其中真空等離子體噴涂技術及熱壓燒結技術被廣泛采用。如：美國Sulzer Plasma Technik公司研制的可磨耗陶瓷基封嚴涂層最高使用溫度已達1300℃；目前歐美發達國家已經做到可磨耗涂層與高壓渦輪基體間界面冶金結合，壽命在2000小時以上。在防護涂層方面，冷噴涂技術已在航空領域應用已嶄露頭角，其主要特點是噴射溫度低于被噴射材料的熔化和軟化溫度。美國多家公司利用該技術生產飛機用的新型韌性涂層，美歐已將該技術應用與發動機鎂合金附件機匣防腐涂層制備上。在隱身涂層方面，雷達波及紅外隱身涂層已逐步使用在各類飛行器上，并逐步采用新工藝新技術向“薄、輕、寬”涂層和復合隱身涂層方向發展。

總結

隨著技術的更新與發展，高能束流加工已不再是一種單純意義上的加工制造技術，已發展成為高能束流能量場與品質、材料冶金、結構力學、自動化、計算機等多學科集成的工程制造技術，顯現出極高的技術附加值，高能束流加工技術的發展方向更趨于加工過程的自動化和智能化、虛擬制造、復合束源和集成化，并向著高品質、高功率、高效率、多功能和結構功能一體化方向發展，同時隨著其在航空領域及其他領域的應用愈加廣泛和成熟，高能束流加工技術必將為我國航空事業和其他軍工領域的進步做出更大貢獻。