大型金屬構件增材制造技術在航空航天制造中的應用及其發展趨勢

朱忠良　趙凱　郭立杰　楊洋　趙維剛　郝云波　楊萍

摘要：增材制造是一種具有極大潛力的先進制造技術，適合應用于要求輕質高強的航空航天制造領域。對不同種類增材制造的原理及其特點進行簡單闡述，介紹了增材制造在成形裝備、成形組織與性能調控、拓撲設計和優化、成形過程模擬仿真、熱源規劃控制軟件、在線檢測與控制、殘余應力與裂紋氣孔控制、輔助制造措施等關鍵技術方向的研究現狀，列舉大型復雜金屬構件的增材制造應用實例，探討大型金屬構件增材制造技術應用于航空航天制造存在的問題與發展趨勢。

關鍵詞：增材制造;航空航天;大型金屬構件

中圖分類號：TG457 文獻標志碼：C 文章編號：1001-2303（2020）01-0001-14

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.01

0 前言

增材制造（Additive Manufacturing，AM）是一種新型的、極具潛力的先進制造技術，其與通常的切削加工制造方式不同，其通過逐層增加材料的方式實現零件的制造[1]。該技術是一個多專業多方向的高度融合體，包含設計、仿真、加工、成形工藝、成形軟件、成形過程在線監測、智能閉環控制等內容。與傳統制造技術相比，該技術為非接觸式加工，不受刀具和零件結構的束縛，能夠實現薄壁、封閉內腔等復雜零件的制造[2]。增材制造技術在國內外已經開展了多年的研究，積累了豐富而堅實的技術基礎，并在多個領域內逐步開展了有廣度且有深度的工程應用。

國內外航空航天行業對生產制造和加工工藝水平提出的要求越來越高。結構復雜、制造一體化、成本低、研制周期短的航空航天結構件很可能成為未來航空航天部件制造的發展方向。為適應時代及市場的全新需求，應開展增材制造的創新應用，積極尋求替代傳統制造的可能性[3]。

1 增材制造技術原理及特點

通常按照熱源種類、原材料狀態和成形方式來區分金屬增材制造技術。根據熱源種類的不同，可分為激光增材制造、電子束增材制造和電弧增材制造;根據原材料狀態不同，可分為粉末式增材制造和絲材式增材制造;根據成形方式不同，可分為鋪粉式燒結成形和送料式熔化成形[4-5]。

1.1 激光增材制造

激光增材制造具有功率密度高、速度快、熱輸入量小等特點[6]，既可應用于金屬構件整體的直接成形，也可應用于金屬構件失效或磨損部位的局部修復。其過程為：（1）對待加工或待修復金屬構件的三維數模進行分層切片，降維處理，得到各個平面內的坐標信息，生成加工軌跡;（2）激光器產生的激光通過光纖傳遞至激光加工頭，經過激光加工頭內部光學鏡組的準直和聚焦形成需求光束質量的加工激光;（3）粉末或絲材通過相應的送粉器或送絲機進行遞送;（4）在惰性氣氛保護箱體內，利用數控系統控制運動部分實現激光加工頭按照生成的加工軌跡進行運動，同時加工激光在同軸或旁軸惰性氣體保護下對粉末或絲材進行熔化，最終得到高質量的金屬構件。大型金屬構件激光增材制造主要有激光熔覆成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）和激光填絲成形（Laser Metal Wire Deposition，LMWD），相應技術原理分別如圖1、圖2所示。

1.2 電子束增材制造

電子束是一種高能量密度熱源，能量密度能夠達到100 W/cm2以上，具有功率高、功率調節范圍大、能量利用率極高（>90%）、焦距調節方便（聚束透鏡）、掃描頻率快（20 kHz）、不受金屬部件材料反射影響等優點[9]，使用時需做好X射線防護工作。電子束增材制造多應用于金屬構件或毛坯的直接成形，其過程與激光增材制造過程類似：（1）對待加工金屬構件的三維數模進行分層切片，對加工軌跡進行規劃;（2）電子槍將電子進行加速和聚焦后形成極細的電子束流;（3）絲材通過送絲機進行遞送;（4）在真空箱體內，利用數控系統控制運動部分使電子槍按照預先規劃的加工軌跡進行運動，同時電子束沖擊到金屬絲材表面，電子的動能大部分轉化為熱能，熔化金屬絲材，逐漸沉積，最終實現金屬構件或毛坯的成形。大型金屬構件電子束增材制造主要為電子束填絲沉積（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3）工藝[10]，其技術原理如圖3所示。

1.3 電弧增材制造

電弧增材制造技術（Wire Arc Additive Manufa-cture，WAAM），又稱SMD（Shaped Metal Deposition）利用送絲機對絲材進行遞送，采用熔化極惰性氣體保護焊接（MIG）、鎢極惰性氣體保護焊接（TIG）以及等離子體焊接電源（PA）等產生的電弧為熱源，在預先規劃的加工軌跡下運動的同時熔化絲材，并逐層熔覆，最終成形金屬構件[11-14]。電弧增材制造絲材利用率接近100%，成形效率極高，能夠大幅縮短金屬構件的加工周期，降低加工成本。大型金屬構件電弧增材制造主要有熔化極氣體保護焊（GMAW）、非熔化極氣體保護焊（GTAW）和等離子弧焊（PAW），相應的技術原理如圖4所示[15]。與激光和電子束增材制造技術相比，電弧增材制造不需考慮惰性氣氛保護箱和真空箱的尺寸限制及附加成本[16]，可以較小成本下實現大型金屬構件的制造成形，但成形件表面較為粗糙，熱輸入量較大，變形較為明顯，后續需要進行機加工以達到理想狀態。

2 增材制造關鍵技術研究現狀

2.1 成形裝備

增材制造成形裝備自身的精度及可靠性會對金屬構件的成形精度及質量產生直接影響，而成形裝備的研制是一個多學科多系統的高度集成工程。為研制出高水平智能化的增材制造成形裝備，集成商不僅要具備一定的結構設計和數字控制能力，還要求其對激光、電子束和電弧的專用技術具有深刻的認識，同時對于材料的工藝特性及檢測技術等都要有深度研究。目前激光設備和電子束設備需設計相應的惰性氣氛保護箱和真空箱，使得裝備結構復雜，并提高了裝備成本，在一定程度上影響了裝備的市場占有率。

2.1.1 激光增材制造裝備

目前，美國Optomec[17]、韓國InssTek[18]、法國Beam[19]、西安鉑力特[20]、南京煜宸[21]、航天科技集團八院149廠等多家公司均已研發出工業級LENS裝備，在市面上發售并投入使用。國內外典型LENS裝備如圖5所示，其主要特性如表1所示。

此外，日本松浦（Matsuura）、日本沙迪克（Sodick）、德國德馬吉（DMG）和日本山崎馬扎克（Mazak）等多家公司均已研發出增減材復合機床[22-23]。

德國DMG Mori 率先將LENS與五軸銑削加工集成在一起，研制出增減材一體化機床LaserTec 65[24]（見圖6），其能夠實現增材制造和高精度切削加工的自由切換，能完成復雜形狀工件的加工并保證工件表面達到極高的精度。同時，LaerTec 65具備工藝監測和自適應工藝閉環控制，確保得到成形均勻一致的高質量工件。

日本山崎馬扎克（Mazak）的Integrex i-400AM[25]混合多任務設備同時具備金屬增材制造和機械切削加工的功能（見圖7），能夠進行精細金屬沉積和高速切削的狀態快速自由切換。根據用戶實際需求，設備可選配多個高速成形用熔覆頭或高精度成形用熔覆頭，熔覆頭放在刀庫里，根據加工需要調取。

激光填絲成形裝備大多處于實驗室階段，增材制造的零件多為小尺寸試件，主要用于成形表面質量和性能的分析，具體工程應用的相對較少。英國GKN航空公司與美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）共同研發出一臺絲材激光金屬沉積裝備（見圖8），致力于機翼翼梁、隔板和框架等大型航空航天鈦合金整體部件的制造[26]。上海產業技術研究院研發出一臺同軸送絲激光金屬3D打印機，其材料利用率極高（將近100%），將會促進修復再制造領域的產業化應用[27]。

2.1.2 電子束增材制造裝備

美國西亞基（Sciaky）公司在海軍、空軍、國防部、NASA等機構支持與合作下，開展了EBF3工藝和裝備的研究，并處于國際領先地位[28]。在2014年，該公司開始為商業市場提供直接交付使用的電子束增材制造系統，可實現高效率、低成本的增材加工制造。2016年，該公司研發了一套基于電子束增材制造系統的閉環控制系統，對制造過程進行在線監測和數據處理，能夠有效地提升加工零件的質量和性能[29]。西亞基公司的EBAM300是目前市面上最大的EBF3裝備，加工成形范圍約5.8 m，最大制造速度為18 kg/h，如圖9所示。

在國內，北京航空制造工程研究所對EBF3相關工藝與裝備的研究起步較早，并研發出國內首臺EBF3裝備。目前，該研究所研發出真空室46 m3的五軸聯動EBF3裝備，成形空間為1.5 m×0.8 m×3 m，高能束功率15～60 kW，采用雙通道送絲，成形效率高，具備零部件批量生產能力[7]，如圖10所示。

2.1.3 電弧增材制造裝備

近年來，國內外諸多高校、企業、研究機構搭建了不同形式的WAAM裝備來制造大型金屬構件，并開展了相關的工藝研究。WAAM裝備主要由運動執行機構、成形熱源和送絲系統組成;國內外采用的WAAM裝備硬件構成如表2所示[30]。

增材制造公司Norsk Titanium（NTi）依托其快速等離子沉積的專利技術，迭代研發出工業級WAAM裝備MERKE IV，如圖11所示。MERKE IV成形空間為900 mm×600 mm×300 mm，成形效率為5～10 kg/h，成形零件與最終使用零件相似度約為80%，成形件力學性能與鍛件相當，能夠滿足航空航天零件嚴格的使用要求[31]。

2.2 成形組織與性能調控

2.2.1 激光增材制造

目前，國內外專家學者對激光增材制造成形的不銹鋼、鈦合金、高溫合金等金屬零部件進行了深入研究，著重分析了工藝參數對成形組織結構和性能的影響。結果表明，激光增材制造技術制造的金屬零件內部組織細小致密，力學性能與鍛件相當[32]。

西北工業大學對TC4、TAl5等鈦合金[33]、Rene88DT、IN718等鎳基高溫合金X337[34]、NiTi合金[35]及Ti/Ni梯度材料[36]等進行了大量激光熔化沉積增材制造和修復工藝、組織結構和性能的研究，并于2012年為大型客機研制機翼上下緣條等大型鈦合金構件。

唐楊杰等人[37]對激光增材制造成形的Ti-22Al-25Nb鈦合金薄壁樣件進行了力學性能和微觀組織分析，研究了掃描速度對不同溫度下樣件抗拉強度和微觀組織的影響，結果表明在5 mm/s的掃描速度下樣件的抗拉強度最高、微觀組織最為細化，如圖12所示。

史淑文[38]通過對鋁合金的激光增材制造成形工藝參數進行研究，得出最優的工藝參數組合，成形出Al-12Si合金樣件，并對樣件的內部金相組織和力學性能進行觀察檢測，微觀組織如圖13所示。通過對比激光增材成形和鑄造成形鋁合金的力學性能檢測結果可知，激光增材制造成形樣件的強度更高、韌性更好。

2.2.2 電子束增材制造

激光增材制造成形過程中O、C、N等間隙元素會對材料的污染，對于活性稀有金屬構件的制備存在不足。而電子束增材制造過程中為真空環節無污染，在某些方面可解決激光增材制造存在的問題[39]。

目前報道的EBM成形材料，除TiAl金屬間化合物，均具有如圖14a所示的柱狀晶組織[40]。

對于航空航天領域關注的鎳基高溫合金，2014年，美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員報道，對于航空航天領域應用最為廣泛的Inconel 718合金，成形材料的靜態力學性能己經與鍛件技術水平相當[41]。

2.2.3 電弧增材制造

根據近年來國內外科研人員對電弧增材制造成形樣件的研究結果表明，利用WAAM技術成形樣件的微觀組織和力學性能均優于鑄件，其力學強度略低于鍛件[16]。金屬材料的內部組織結構將直接影響零件的力學性能，晶粒大小和不同晶體結構都對應著不同的力學性能。

Colegrove等人[42]在利用WAAM技術成形TC4鈦合金樣件時，研究了外部壓力對成形樣件內部顯微組織的影響，通過準確控制外部壓力得到內部晶粒均勻的鈦合金樣件。Wang等人[43]利用WAAM技術成形TC4鈦合金樣件，并對其疲勞壽命、延伸率、屈服強度、斷裂強度等力學性能指標進行檢測，并與鍛件進行對比分析，結果表明WAAM成形樣件韌性好但強度低。

孫紅葉等人[44]利用復合超高頻脈沖方波變極性鎢極氬弧焊電弧（HPVP-GTAW）作為熱源，對Al-6.3Cu合金樣件進行電弧填絲增材制造，其顯微組織如圖15所示。同時，對不同電弧增材制造方法成形樣件的力學性能進行檢測，通過對比發現，采用HPVP-GTAW的鋁合金樣件強度最高。

2.3 成形路徑規劃控制軟件

增材制造軟件主要用于對待加工樣件三維模型的分層切面和路徑規劃，其是增材制造技術中的關鍵環節，將直接影響樣件的成形質量和性能。目前，國外增材制造設備集成商均自主開發專用的軟件系統，并對軟件進行過多輪工業應用測試，具備極高的可靠度。表3為國外部分增材制造設備自帶的軟件系統。同時，市面上還存在許多第三方增材制造軟件，能夠處理CAD模型數據，并轉譯給指定的增材制造設備，例如：Magic、LAMCAM2、Brige Works、STL-Manager等[45]。

目前，國內成熟的、可工業應用的增材制造軟件較少，但是軟件整體或其中的部分功能模塊在國內也己有大量研究，部分高校和科研機構己取得一些研究成果。上海航天設備制造總廠有限公司開發了智能化分層成型軟件，如圖16所示，實現了基本幾何造型和標準工程文件導入導出、幾何測量和計算、工程模型的拓撲描述/修復、工藝變截面切片設計和切片輪廓CLI文件的規范化。

2.4 在線檢測與控制

增材制造過程中需要一些傳感器對制作過程實施在線監測。

（1）高溫計。

增材制造很多工藝都采用集中的熱源來熔化金屬，因此熱源溫度的在線檢測就顯得很重要。Zeng等人[46]在制造過程中發現均勻的溫度場能得到更好的零件質量。監控熔池可以提供寶貴的溫度信息，可以用來控制工藝參數，保證零件質量。

在增材制造過程的熱監測中主要引用了光電二極管和紅外線敏感CCD兩種類型的測溫儀。通過使用監控裝置可以控制增材制造過程，而不僅僅是顯示監控過程變量。Berumen S等人[47]使用CCD監控每層的粉末涂層步驟，并開發算法來檢測諸如過低或過量的粉末問題。Kleszczynski S等人[48]提出利用安裝在試驗臺之外的高分辨率CCD攝像機錯誤檢測系統。借助圖像處理，該系統能夠檢測過程穩定性中的誤差（如粉末不足、支架不良或涂層損壞）和零件質量。Kruth J P等人[49]設計了一種反饋控制系統，該系統使用CMOS相機和光電二極管，可以穩定熔池到同軸激光束中的溫度分布。

（2）熱電偶。

相對于高溫計，熱電偶測溫儀是一種與工件真實接觸的溫度測量裝置。雖然監測溫度較高的增材制造過程主要使用高溫計，但一些研究工作仍需要采用熱電偶。如Shishkovsky I[50]等人在監測六種不同金屬間化合物粉末的生成時使用熱電偶測量粉末層的溫度。

（3）位移傳感器。

位移傳感器是不通過物理接觸測量物體位置的裝置。測量信號發射后從待測物體表面發射接收器所需的時間。然后換算成為傳感器和待測表面之間的距離。許多研究工作，特別是在直接能量沉積的增材制造中，通常使用位移傳感器監測制造過程中的層高度。Tang L等人[51]利用溫度傳感器和位移傳感器來測量熔池高度剖面，以便分析和控制每層的溫度和高度分布。Boddu M R等人[52]使用高溫計、位移傳感器和同軸CCD的裝置得到的信息來控制增材制造過程，改善表面光潔度、冷點和孔隙度。

2.5 殘余應力與裂紋氣孔控制

為了無損檢測增材制造產品中的殘余應力和裂紋氣孔并進行控制，可以采用中子衍射、激光超聲波和X射線進行檢測。

Watkins等人[53]利用中子衍射確定了由定向能量沉積和激光粉床融合制造的增材制造部件的殘余應變和應力，將X射線計算機斷層掃描與中子計算機斷層掃描進行比較，中子的穿透深度更優。兩種方法都使用衍射理論來描述單晶、粉末或多晶固體的散射，但X射線散射發生在幾微米或幾毫米內，而中子可以穿透到幾厘米。使用LiF/ZnS閃爍體制造中子射線照相術，將中子轉化為光，然后可以通過CCD攝像機檢測。

激光超聲波是另一種正在開發用于增材制造部件的缺陷檢測技術。激光超聲波使用激光器來生成和檢測超聲波，并可用于檢測材料的不連續性，用于材料表征和確定材料厚度。脈沖激光用于產生超聲波，而連續波激光干涉儀檢測波到達檢測點時的小面積位移。可以分析表面波、縱波和橫波判斷有無缺陷和位置大小等信息。激光超聲波是非接觸式的，可用于普通方法難以檢測到的區域，適用于增材制造的產品。

X射線反向散射技術（XBT）也可以用于檢查增材制造部件，因為它不易受表面粗糙度的影響。由于X射線源和檢測器位于物體的同一側，所以可以測試大型結構。Shedlock等人[54]概述了X射線反向散射技術應用于航空航天領域的可能，例如腐蝕檢測、異物損傷檢測、流體入侵以及發現裂縫和空洞。

3 增材制造應用實例

近年來，隨著增材制造技術理論基礎研究的深度積累，波音（Boeing）、空客（Airbus）、洛克希德·馬丁（Lockheed Martin）、龐巴迪（Bombardier）、Rolls-Royce公司、英國BAE系統公司、歐洲防務集團（EADS）下屬子公司阿斯特里姆（Astrium）、歐洲導彈生產商（MBDA）、中航工業（AVIC）、航天科技（CASC）、航天科工（CASIC）等國內外多家航空航天公司也對一些重要零部件進行了增材制造試驗研究與應用。

3.1 激光增材制造

美國AeroMet公司在波音、洛克希德·馬丁、諾斯羅普·格魯曼等美國三大軍用飛機制造商的支持和合作下，開展了大量的鈦合金飛機零部件的激光增材制造技術研究工作，同時還完成了對增材制造鈦合金零部件應用的關鍵技術研究，取得了豐富成果[55]。在2000年9月利用激光增材制造技術成形鈦合金機翼次承力結構件，并對零件的靜強度和疲勞強度進行檢測，結果表明兩項指標均滿足設計要求。在2001年又利用激光增材制造技術為波音公司加工成形出F/A-l8E/F戰機的發動機艙推力拉梁、翼根吊環、翼梁等鈦合金次承力結構件，如圖17所示。并在2002年將激光增材制造的鈦合金次承力結構件安裝于F/A-l8等戰機，對零件的性能進行試驗考核，試驗結果表明其疲勞壽命遠高于壽命譜，滿足使用要求。

LENS技術不僅被應用于零部件的直接成形，也被應用于關鍵零部件的修復與鍍層。美國Optomec公司應用LENS技術對發動機葉片和T700一級渦輪整體葉盤進行修復，如圖18所示，修復部分少量機加工后即可達到最終狀態，且修復部分性能滿足或高于原始材料性能[56]。在歐洲，弗勞恩霍夫激光技術研究所（Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT）在LENS修復方面也有一些工業應用案例，如圖19所示，完成了某航空發動機的機殼和某型飛機的機翼修復，并對大型曲軸進行了金屬包層和修復[57]。

北京航空航天大學與國內多家航空主機廠開展了長期緊密合作，在2005年利用激光增材制造成形出鈦合金小型、次承力金屬結構件，并將所成形零件在型號飛機上安裝搭載，實現了裝機應用[28]。在此基礎上，2007年，通過對飛機鈦合金大型、主承力構件激光增材制造工藝參數進行試驗研究，得出了各工藝參數對零件內部組織和力學性能的影響關系，研制出了具有系列核心技術、構件制造能力達4 000 mm×3 000 mm×2 000 mm的飛機鈦合金構件激光增材制造成套裝備系統，并制造出大型、整體、復雜的鈦合金主承力飛機加強框及主風擋整體窗框等關鍵構件，以及A100等超高強度鋼飛機起落架等關鍵構件，如圖20所示[32]。

西北工業大學黃衛東教授帶領的團隊利用激光增材制造C919的中央翼緣條（見圖21）[58]，最大制造尺寸達2.83 m，最大變形量小于1 mm，填補了我國無法制作大型鈦合金結構件的空白。

中航工業北京航空制造工程研究所利用激光增材制造技術完成了某航空發動機鈦合金斜流整體葉輪損傷部位的修復，如圖22所示，并已成功通過試車考核，各項指標滿足要求[7]。

上海航天設備制造總廠有限公司對某型號衛星鈦合金球形燃料貯箱進行增材制造，如圖23所示，避免了傳統制造方式中模具的使用，能提高生產效率，縮短交付周期，降低生產成本，貯箱性能滿足使用要求。同時，還對汽輪機閥門閥座進行了修復，閥座的材料為20鋼，為保證閥座的硬度和密封效果，修復材料選用球形Inconel625粉末，如圖24所示，并測試表面質量及力學性能，均符合要求。

3.2 電子束增材制造

美國西亞基公司在多家機構和公司的支持與合作下，針對大型航空金屬零部件的電子束增材制造開展了大量的研究工作，成形的航空金屬零部件如圖25所示[59]。同時，西亞基公司研制的電子束增材制造設備，最大成形效率高達18 kg/h（鈦合金），力學性能滿足AMS4999標準要求。洛克希德·馬丁公司利用EBF3技術對F-35戰機的襟副翼梁進行增材制造成形，與鍛件加工相比，零件成本降低1/3～2/3，利用EBF3所加工的襟副翼梁已安裝與F-35戰機上，完成裝機驗證考核。

2018年，洛克希德·馬丁公司完成了燃料衛星的大型高壓油箱的制造與質量測試，油箱圓頂直徑1 016 mm，與原來相比，效率提高了一倍，成本降低了一半[60]，如圖26所示。

中航工業北京航空制造工程研究所開展了大量的EBF3研究工作，并開發出多套EBF3設備。完成了EBF3成形鈦合金樣件和超高強度鋼樣件的力學性能分析研究，在此基礎上，制造成形出許多鈦合金試件，如圖27所示[7]。中航工業北京航空制造工程研究所在2012年將采用EBF3成形的鈦合金零件安裝到國產戰機上，并進行性能考核。

3.3 電弧增材制造

在鈦合金WAAM 技術應用研究方面，英國克蘭菲爾德大學走在國際前列，與歐洲航天局、洛克希德·馬丁公司和龐巴迪公司開展了廣泛合作，成功制造出飛機機翼翼梁和起落架支撐外翼肋，并能成形高復雜度的零件，如圖28所示[16]。目前，其鈦合金沉積效率達1～2 kg/h，構件力學性能達到鍛件水平，鈦合金零件最大單方向成形尺寸達1.5 m。洛克希德·馬丁利用WAAM技術制造成形出了高380 mm的大型錐形筒體，如圖29所示。龐巴迪利用WAAM技術在平板上直接成形出2.5 m×1.2 m的大型飛機肋板。

克蘭菲爾德大學還開展了大量的鋁合金WAAM技術應用研究，試制了諸多鋁合金零件，如圖30所示，處于國際領先水平[61]。

針對航天領域的鋁合金支座、艙段、框梁、網格等典型結構，首都航天機械有限公司、北京航星機器制造公司、華中科技大學等單位分別開展了應用試制，如圖31所示，目前均處于探索研究階段[31]。

4 存在問題與發展趨勢

增材制造技術是先進制造領域具有極大潛力的新興技術，各國政府、軍工單位和科研院所都給予了高度關注，投入了大量資源，開展鈦合金、鋁合金、不銹鋼、高溫合金等金屬材料的增材制造技術研究，在此基礎上，逐步將增材制造零部件進行工程化應用，并在航空航天領域內完成了多次裝機應用和驗證考核，未來將實現其在太空中的應用。

增材制造所用原材料的高成本、低制造效率和低利用率導致增材制造技術成本較高，且增材制造工藝對原材料性能提出了更高的性能，這將會影響增材制造技術的推廣和應用。在金屬零部件增材制造過程中，伴隨著溫度的劇烈變化，導致零部件內應力較大且不均勻，其力學性能和穩定性較差，必須加以控制。有限元模擬的精度問題、各向異性問題、成形中難以消除的氣孔問題以及表面粗糙度問題等等，都亟待解決。

增材制造未來可能向高集成度、高精度、快速化、材料通用、專用、多樣化的方向發展。同時，增材制造過程中的關鍵工藝參數和在線實時監測、反饋閉環控制將是研究的重點方向。而面向增材制造零件的專用精加工、去應力和連接技術同樣需要開展相應研究。

5 結論

本文介紹了大型金屬構件增材制造技術及其在航空航天制造中的應用并舉例說明，闡述了增材制造過程中的一些關鍵技術，分析了我國增材制造技術發展過程中存在的問題，并對增材制造未來發展趨勢提出展望。

通過對增材制造關鍵共性技術進行突破，開展更為深入的增材制造工藝研究，投入力量研制航空航天領域專用增材制造設備，為解決制約航空航天發展的問題奠定堅實基礎，提高我國航空航天型號產品更新迭代的速度，綜合提升航空航天制造水平，助力航空航天制造的跨越式發展。

參考文獻：

[1] Alcisto J，Enriquez A，Garcia H，et al. Tensile Properties and Microstructures of Laser-Formed Ti-6Al-4V[J]. Jou-rnal of Materials Engineering & Performance，2011，20（2）：203-212.

[2] Frazier W E. Metal Additive Manufacturing：A Review[J].Journal of Materials Engineering & Performance，2014，23（6）：1917-1928.

[3] 楊浩亮，郭鳳明，萬李，等. 增材制造技術在我國航天領域的發展與應用需求分析[J]. 航天制造技術，2016（5）：1-4.

[4] 李懷學，孫帆，黃柏穎. 金屬零件激光增材制造技術的發展及應用[J]. 航空制造技術，2012，55（20）：26-31.

[5] Birger E M，Moskvitin G V，Polyakov A N，et al. Industrial laser cladding： current state and future[J]. Welding Inter-national，2011，25（3）：234-243.

[6] 譚霆. 激光增材制造鈦合金成分探測與顯微組織分析[D].湖南：湖南大學，2014.

[7] 鞏水利，鎖紅波，李懷學. 金屬增材制造技術在航空領域的發展與應用[J]. 航空制造技術，2013，56（13）：66-71.

[8] 李洪遠. 激光光內同軸送絲熔覆快速制造技術研究[D].江蘇：蘇州大學，2012.

[9] 邢希學，潘麗華，王勇，等. 電子束選區熔化增材制造技術研究現狀分析[J]. 焊接，2016（7）：22-26.

[10] 樹西. 304不銹鋼電子束熔絲沉積工藝及穩定性研究[D].黑龍江：哈爾濱工業大學，2016.

[11] Ding J，Colegrove P，Mehnen J，et al. Thermo-mechanical analysis of wire and arc additive layer manufacturing pro-cess on large multi-layer pares[J]. Computational MaterialsScience，2011（50）：3315-3322.

[12] Wang F D，Williams S，Rush M. Morphology investigation on direct current pulsed gas tungsten arc welded additive layer manufactured Ti6Al4V alloy[J]. International journal of Manufacture Technology，2011（57）：597-603.

[13] Martina F，Mehnen J，Williams S W，et al. Investigation of the benefits of plasma deposition for the additive layer ma-nufacture of Ti-6Al-4V[J]. Journal of Materials Processing Technology，2012，212（6）：1377-1386.

[14] Ding J，Colegrove P，Mehnen J，et al. A computationally efficient finite element model of wire and arc additive ma-nufacture[J]. International Journal of Advanced Manufact-ure Technology，2014（70）：227-236.

[15] 任麗麗，劉金平，馮英超. 金屬部件送絲增材制造工藝研究現狀[J]. 金屬加工（熱加工），2017（12）：64-68.

[16] 田彩蘭，陳濟輪，董鵬，等. 國外電弧增材制造技術的研究現狀及展望[J]. 航天制造技術，2015（2）：57-60.

[17] 3D打印世界. Optomec：研發投入3500萬美元 是時候收割了[EB/OL]. https：//www.sohu.com/a/107768733_254021，2016-07-27.

[18] 3D打印世界. 韓國最大金屬3D打印公司InssTek宣布進軍歐洲市場[EB/OL]. http：//www.sohu.com/a/64695520_254021，2016-03-21.

[19] 3D打印世界. 法國BeAM公司正迅速成為金屬3D打印不可忽視的力量[EB/OL]. http：//www.sohu.com/a/115339050_254021，2016-09-30.

[20] 西安鉑力特. 產品與服務[EB/OL]. http：//www.xa-blt.com/home/product/index.

[21] 南京中科煜宸. RC-LDM8060送粉式金屬3D打印裝備[EB/OL]. http：//www.raycham.com/product/1.html.

[22] 夏偉. 金屬增材/減材復合成形裝備控制系統設計與研發[D]. 湖北：華中科技大學，2016.

[23] 王運鋒. 日本金屬部件增材制造技術的最新狀況[J]. 新材料產業，2017（11）：47-50.

[24] 創想智造3D打印. DMG MORI LASERTEC 65金屬3D打印復合加工機介紹[EB/OL]. http：//www.sohu.com/a/139253926_641609，2017-05-09.

[25] ISE. 跨界融合！當金屬3D打印遇上五軸復合加工[EB/OL]. http：//www.simmtime.com/news.htm？dId=896，2018-08-24.

[26] GKN航宇公司開發大型鈦合金激光金屬沉積工藝[J]. 特種鑄造及有色合金，2017（7）：17.

[27] 激光谷. 國內第一臺同軸送絲激光金屬3D打印機研制成功[EB/OL]. http：//livenews.ofweek.com/news/2019-02/30303329.html，2019-02-01.

[28] 王華明. 高性能金屬構件增材制造技術 開啟國防制造新篇章[J].國防制造技術，2013（3）：5-7.

[29] Kira. Sciaky to highlight faster and scalable metal additivemanufacturing system at Euromold[EB/OL]. 2015.http：//www.3ders.org/articles/20150921-sciaky-tohighlight-faster-and-scalable-metal-additive-manufacturing-system-at-euromold.html.

[30] 熊江濤，耿海濱，林鑫，等. 電弧增材制造研究現狀及在航空制造中應用前景[J]. 航空制造技術，2015（Z2）：80-85.

[31] 李權，王福德，王國慶，等. 航空航天輕質金屬材料電弧熔絲增材制造技術[J]. 航空制造技術，2018，61（3）：74-82，89.

[32] 王華明. 高性能大型金屬構件激光增材制造：若干材料基礎問題[J]. 航空學報，2014，35（10）：2690-2698.

[33] Zhang S，Lin X，Huang W D，et al.? Heat treatment micr-ostructure and mechanical properties of laser solid forming Ti-6A1-4V alloy[J]. Rare Metals，2009，28（6）：537-544.

[34] Liu F，Lin X，Leng H，et al. Microstructure changes in a laser solid forming Inconel718 superalloy thin wall in the-deposition direction[J]. Optics and Laser Technology，2013（4）：330-335.

[35] Xu X，Lin X，Yang M，et al. Microstructure evolution in laser solid forming of Ti-50wt% Ni alloy[J]. Journal of Al-loys & Compounds，2009，480（2）：782-787.

[36] Qu H P，Zhang S Q，Li A，et al. Microstructure and mec-hanical properties of laser melting deposition（LMD） Ti/TiAI structural gradient material[J]. Materials and Design，2010，31（1）：574-582.

[37] 唐楊杰，趙霄昊，劉彥濤，等. 激光增材制造Ti_2AlNb基合金的組織與性能[J]. 金屬熱處理，2016（4）：1-6.

[38] 史淑文. 激光增材制造Al-12Si合金成形工藝與性能研究[D]. 湖南：湖南大學，2016.

[39] 湯慧萍，王建，逯圣路，等. 電子束選區熔化成形技術研究進展[J]. 中國材料進展，2015，34（3）：225-235.

[40] Tang H，Lu S，Jia W，et al. Selective electron beam melting of titanium and titanium aluminide alloys[J]. International Journal of Powder Metallurgy，2014，50（1）：57-64.

[41] Medina F. EBM Development on Inconel 718 for Use in Aerospace Components[C]. 2014.

[42] Colegrove P A，Coules H E，Fairman J，et al. Microstruct-ure and residual stress improvement in wire and arc addi-tively manufactured parts through high-pressure rolling[J].Journal of Materials Processing Tech，2013，213（10）：1782-1791.

[43] Wang F，Williams S，Colegrove P，et al. Microstructure and Mechanical Properties of Wire and Arc Additive Manufa-ctured Ti-6Al-4V[J]. Metallurgical & Materials Transact-ions A，2013，44（2）：968-977.

[44] 孫紅葉，從保強，蘇勇，等. Al-6.3Cu鋁合金電弧增材制造成形與組織性能[J]. 航空制造技術，2017（14）：1-5.

[45] 蒲英釗. 機器人弧焊增材制造離線編程系統研究[D]. 黑龍江：哈爾濱工業大學，2014.

[46] Zeng K，Pal D，Stucker B. A Review of Thermal Analysis Methods in Laser Sintering and Selective Laser Melting[M].Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium，2014：796-814.

[47] Berumen S，Bechmann F，Craeghs T. Quality control system for the coating process in laser and powder bed-based ad-ditive manufacturing technologies[C]. Direct Digital Man-ufacturing Conference，2012：15-16.

[48] Kleszczynski S，Jacobsmühlen J Z，Sehrt J T，et al. Errordetection in laser beam melting systems by high resolutionimaging[C]. International Solid Freeform Fabrication Sym-posium An Additive Manufacturing Conference，2012：975-987.

[49] Kruth J P，Mercelis P. Procedure and Apparatus for In-SituMonitoring and Feedback Control of Selective Laser PowderProcessing[P]. US Patent No. 12/308，2009：32.

[50] Shishkovsky I，Scherbakov V，Morozov Y，et al. SurfaceLaser Sintering of Exothermic Powder Compositions[J]. Th-erm Anal Calorim，2008：427-436.

[51] Tang L，Landers R G. Melt Pool Temperature Control for Laser Metal Deposition Processes-Part II：Layer-to-Layer Temperature Control[J]. Manuf Sci Eng.，2010：11.

[52] Boddu M R，Musti S，Landers R G，et al. Empirical Mod-eling and Vision Based Control for Laser Aided Metal De-position Process[M]. Proceedings of the Solid Freeform Fa-brication Symposium，2001：452-459.

[53] Watkins T R，Bilheux H Z，An K，et al. Neutron Charact-erization for Additive Manufacturing[J]. Advanced Materials& Processes，2013，171（3）：23.

[54] Shedlock D，Edwards T，Toh C. X-ray Backscatter Imaging for Aero-space Applications[C]. American Institute of Ph-ysics，2011：509-516.

[55] 鄧賢輝，楊治軍. 鈦合金增材制造技術研究現狀及展望[J]. 材料開發與應用，2014，29（5）：113-119.

[56] 宋文清，李曉光，曲伸，等. 金屬增材制造技術在航空發動機中的應用展望[J]. 金屬加工（熱加工），2016（2）：44-46.

[57] 仲崇亮. 基于Incone1718的高沉積率激光金屬沉積增材制造技術研究[D]. 吉林：中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所），2015.

[58] 黃衛東. 材料3D 打印技術的研究進展[J]. 新型工業化，2016（3）：53-70.

[59] 陳國慶，樹西，張秉剛，等. 國內外電子束熔絲沉積增材制造技術發展現狀[J]. 焊接學報，2018，39（8）：123-128，134.

[60] 王征. 洛克希德·馬丁3D打印最大航空航天零件[EB/OL].http：//3dp.zol.com.cn/693/6935934.html，2018-07-17.

[61] GU J L，DING J L，WILLIAMS S W，et al. High perform-ance aluminium properties for space applications usingwire+arc additive manufacturing[C]//Proceedings of the 1stMetallic Materials and Processes：Industrial Challenges，Deauville，2015.