航空材料增材制造特征和影響要素

張學軍

在航空領域，金屬增材制造目前主要有五種方法：激光選區技術、激光直接沉積成形技術、電子束選區技術、電子束熔絲技術、電弧熔絲技術。飛機和發動機由于追求大載荷、高可靠、長壽命，因而要求材料要輕質、高強、耐高溫，結構要低缺陷、高穩定性。而材料在追求輕質、耐高溫、高強的同時，往往導致低塑性和高熱裂紋敏感性，這將降低材料的焊接性能。

我們知道，金屬材料增材制造的基本原理就是焊接，低塑性和高熱裂紋敏感性材料可焊性差，極易出現焊接裂紋，可見，航空領域追求材料的先進性與增材制造成形工藝的要求是一對矛盾。

這是航空材料增材制造的特點，也是應用增材制造技術時必須要解決的問題。我們通過研究發現，金屬材料增材制造的組織、缺陷、表面粗糙度、結構應力集中是影響結構綜合力學性能的四個要素，粉末材料、打印設備、結構設計、打印工藝和后處理都會影響這四個要素。

組織：有明顯方向性

在組織方面，激光選區熔化成形技術的原理是由若干層焊道疊加起來，最后制成材料。如果我們把該材料切割出一個剖面，從垂直切面看，就是一條條焊道堆積起來的，從水平切面看，就是各條焊道互相交叉形成的。

鈦合金激光選區熔化技術制成的材料，其組織狀態在縱向和橫向存在顯著的差異。在縱向上，組織具有比較明顯的方向性。我們知道，鎳基高溫合金的枝晶組織會穿過兩個或幾個焊道向上生長。激光直接沉積成形技術打印的高強鋼組織，與鎳基合金相似，也有明顯的方向性。

但同一類材料的不同牌號組織，其生產方向性不同。由于合金成分影響，同種成形方法其組織的定向生長是不一樣的。同一牌號合金，不同打印方法形成的組織定向生長傾向也不同，電子束和電弧熔絲技術制成的材料，其組織生長方向性最強，激光選區熔化制成的材料，組織生長方向性最弱。這主要是熔池的尺寸帶來的影響，電子束熔絲熔池的尺寸要遠大于激光選區熔化熔池。

組織會影響材料的力學性能。在研究激光選區熔化成形技術時，我們發現，垂直方向、水平方向和45度方向的力學性能均存在差異。例如，鈦合金激光選區熔化成形制成的材料，多表現出縱向性能要低于橫向性能，但是通過工藝調整，也可以獲得縱向性能大于橫向性能的材料。這就是工藝影響組織，組織影響性能。

激光直接沉積技術制成的鈦合金材料，其組織縱向生長傾向大，一般理解為縱向性能比橫向性能高，但是實際上大多情況下縱向性能比橫向低。激光選區熔化成形制成的高溫合金材料，與鍛件材料比較，其力學性能絕對數值并不低，但數據分散性較大，且縱向、橫向、45度方向數據差異較大。

缺陷：氣孔尺寸影響裂紋起源

激光選區熔化技術最明顯的缺陷就是有氣孔。鈦合金和鎳合金氣孔量比較少，致密度能達到99.98%以上水平，鋁合金氣孔量多一些，致密度大概能做到99.5%左右水平。我們對氣孔進一步分析后發現，這些氣孔有不規則的，也有近球形的，而且鋁合金氣孔內表面都存在一定程度的氧化。我們對氣孔進行了測量，發現其尺寸主要集中在20～60微米范圍內，超過400微米的氣孔很少見。

還有一類缺陷就是熱裂紋。鎳基合金、鈷基合金形成的熱裂紋一般尺寸較小，是在熔池結晶過程中產生的。激光選區熔化技術形成的微裂紋為微米級，而電子束熔絲技術形成的熱裂紋可達幾個甚至幾十個毫米。鈦合金主要產生的是大尺寸敞開性裂紋，這是由于打印過程中累積的殘余應力過大，超過了材料的強度極限而導致的開裂。

激光直接沉積成形技術的缺陷主要有未熔合、裂紋、氣孔，電子束熔絲技術的缺陷也主要是氣孔和裂紋。電子束熔絲技術形成的氣孔空洞會更大，可以達到毫米級甚至是幾毫米的孔洞，熱裂紋的尺寸也是比較大的。

氣孔會影響材料的疲勞性能。我們對缺陷進行了力學性能影響的統計，發現缺陷在表面開口和埋在內部對疲勞性能影響差距非常顯著，也就是說表面開口的氣孔會顯著影響疲勞性能，材料內部的微小氣孔對疲勞性能影響較小，而較大尺寸的氣孔對疲勞性能有顯著影響。

我們做了一個統計，激光直接熔化成形材料，疲勞試樣產生的裂紋70%以上是從內部的氣孔起源的，而鍛造件的裂紋90%以上是從表面起源的。因此，可以說，氣孔尺寸影響了裂紋的起源，甚至會影響它未來在結構中的斷裂模式。激光選區熔化制成的材料，其裂紋大概97%是從表面起源，也就是說，激光選區熔化技術造成的氣孔對于疲勞性能的影響相對來說要小得多。

表面粗糙度：處理方法不理想

增材制造材料的表面粗糙度也會對結構性能帶來影響。比如，激光選區熔化成形技術制成的材料，其表面狀態和精密鑄造加工而成的材料大不一樣。以鎳合金為例，精密鑄造鎳合金的表面粗糙度是2.5～3.2微米，而激光選區熔化鎳合金的上表面粗糙度可達2～3微米，側表面粗糙度可達4～5微米，下表面粗糙度更可達12μm以上。可見，激光選區熔化鎳合金的表面粗糙度較大，當其位于應力集中區時，容易出現開裂。

對于增材制造材料表面的處理，有若干種方法，包括磨粒流、電磁拋光、電化學拋光、化學拋光、機械拋光等，但是對于復雜內流道結構，這些方法的實際效果并不理想。例如，磨粒流方法往往會把不需要加工的地方磨多了，而需要加工的地方沒有加工到。目前增材制造材料內流道表面處理成了關鍵性的問題，尚待解決。

和常規的鑄造材料不同，關于增材制造材料表面粗糙度對材料疲勞性能的定量影響，我們還需要深入研究，獲得可靠數據才行。特別是在具有內流道的結構上，增材制造材料的表面粗糙度對疲勞壽命、氣動性能和沉積異物的影響，我們目前的認識還很淺。

結構應力集中：避開成形不理想區域

在結構方面，增材制造的優勢是可以進行減重設計。整體設計甚至是復合化設計給設計者提供了很大的自由空間，但是我們把幾個因素結合在一起，就會發現這種自由度是很有限的。

對增材制造材料采用輕量化設計時，要考慮結構成形方向，結構應力集中區域應避開成形不理想區域，或者有針對性地進行尺寸、圓弧過渡等減少應力集中的設計，所以我們要把結構設計納入到增材制造坐標系里面進行設計。

總之，增材制造材料的組織、缺陷、表面狀態、結構應力集中等，是影響材料結構疲勞性能的四要素，都會對增材制造的疲勞性能帶來顯著的影響。

增材制造材料的質量控制

增材制造材料的質量控制，實際上就是控制影響上文所講四個要素的因素，主要包括粉末、設備、結構設計、工藝、后處理等方面。

以粉末來說，目前有多種制備粉末的方法，每種方法所制成的粉末的表面狀態是不一樣的。這種表面狀態的不同，會影響到材料的缺陷，尤其是會影響到氣孔的形成。比如，空心粉末有些孔洞是光滑的，還有大球套小球的狀態，在打印出來的材料中，其內部氣孔在形態上與粉末的孔洞有些相似，那么這里面可能有一個對應的關系，也就是說粉末的孔洞會影響到材料的氣孔。

在設備方面，穩定性是關鍵。設備穩定性在激光選區熔化技術上有重大的影響，因此，設備結構的穩定、控制系統的穩定以及激光器等的穩定是至關重要的。另外，從工程應用的角度來說，對設備還應該有智能化的要求，包括實時校準、過程的監視，甚至要求具備反饋的功能。我們現在采用熔池監控等辦法，對于能量的不均勻分布，以及顯示缺陷進行檢測，這對于評價質檢的質量至關重要。對于不同廠家生產的不同型號的設備，也要進行認證，而且這種認證需要規范化。

在結構設計方面，采用拓撲優化方法可以設計更復雜的輕量化結構，但這不能是完全自由的，應該有一個標準。目前我們正在開展這項工作，把結構細分成結構單元，并對結構單元提出標準化設計要求。這個工作完成后，就能指導或者是約束結構的設計。

工藝的優化大致包含兩類：工藝設計和工藝實施，這里面包含的內容比較多，實施過程中會嚴重影響增材制造材料缺陷的產生和控制。這方面內容比較多，限于字數本文無法一一展開了。

最后一個方面是后處理，包括熱處理、熱等靜壓處理、表面處理等。熱處理能影響改變組織狀態、力學性能。激光選區熔化成形的材料，通過熱處理甚至可以使組織達到類似于等軸晶組織狀態。激光直接熔化成形制成的材料，通過熱處理也可以改變它的狀態，但是達不到激光選區熔化成形材料的狀態。而電子束熔絲由于初始的組織較粗大，后續的熱處理很難從根本上改變它的組織狀態。也就是說，不同的增材制造方法制成的材料，后期通過熱處理，在改變其組織和性能方面，所能達到的效果是不一樣的。

熱等靜壓處理之后，材料的氣孔會顯著地減少，尺寸也會縮小。因此，從結果上來看，熱等靜壓處理對閉合氣孔類的缺陷是非常有效的，但是熱等靜壓處理之后，有一些機理的問題還需要研究。例如缺陷閉合處，材料服役時會不會從這一處率先萌生裂紋，目前還是未知的，需要做更深入的研究。

綜上所述，對于飛機和航空發動機所用的材料和結構，我們應該研究它的全流程，關注全流程的關鍵技術，只有這些技術問題都解決了，才能確保所打印零件的性能，保證它的可靠性。

我們目前關注的往往是能不能通過增材制造方法打印出材料來，實際上它背后還有很多的基礎性問題需要解決，應該把最基礎的機理問題研究清楚、研究透，最終制成的零件才能放心應用。