激光增材制造技術在航空航天領域的應用與發展

朱泊霖 曹成

（1.空軍工程大學，陜西西安 710000；2.航空工程學院，陜西西安 710000）

0.引言

增材制造的概念是在1980年代后期引入的，相關研究于1990年代初在中國開始。經過短短20年的時間，該技術發展迅速，在航空航天、微納米生產和生物醫學工程等諸多領域具有廣泛的潛在應用。航空航天工業在1980年代后期開始使用層壓成型技術，最初，層壓建模在航空航天工業的快速原型制作中發揮了很小的作用。近年來的發展趨勢表明，該技術在整個航空業中具有戰略地位。

1.激光增材制造技術原理與特點

激光增材制造技術是集計算機軟件、材料、機器、控制等交叉學科知識為一體的綜合系統技術。產品的3DCAD模型可以使用離散的逐點或逐層疊加原理快速打印產品部件，這改變了傳統金屬零件的處理方式[1]。性能、結構復雜的金屬部件，激光層壓成型技術主要用于航空領域結構性和功能性金屬零件的快速生產，迄今為止，最成熟的技術包括激光熔融沉積技術和選擇性激光熔化技術。

LMD技術是激光金屬層壓技術的典型工藝，它結合了層壓的累積原理和激光熔覆技術，以金屬粉末為原料進行處理，利用高速激光熔化固化。高激光能量用于熔化金屬粉末和基體，在基體上形成熔池，將熔融粉末沉積在熔池上并在表面形成涂層。冷卻固化后的基材表面，運動控制系統根據被加工零件CAD模型的分層盤信息，控制X、Y、Z軸工作臺上激光頭和供粉噴嘴的運動，制作出一定高度和寬度的金屬，按點、線、層重疊，最終形成整個金屬部件[2]。

SLM技術起源于選擇性激光熔煉和燒結技術。逐層粉末擴散法和逐層熔體堆積法使該技術能夠實現幾乎任何復雜零件的高效率和致密成型。由于SLM工藝的層厚較小，一般為30μm～60μm。因此，成型精度高，表面質量好。2000年后，基于SLS技術的發展迅速，國內外許多公司、大學和研究機構迅速推進可持續土地管理設備系統、工藝改進和新材料開發。

LMD技術一般采用大激光功率、大可調范圍和大激光光斑尺寸，因此調制效率高，通過控制參數可以獲得各種結構。同軸送粉工藝的特點決定了澆注量不受限制。可在同一零件內實現多材料復合分步加工，可用于高性能損壞零件的加工和修復。在開發過程中，形成了許多名稱，例如直接金屬沉積、激光工程、近網格形式、激光增材制造和快速激光原型。民機工業的一大優勢是所有飛機材料和制造方法都必須通過適航認證，并了解經過驗證的應用。該命令允許材料規格和相應的實用規格，并負責授權軍方展示和批準軍方。目前，國外在相關標準的制定中處于領先地位[3]。

2.激光熔化沉積（LMD）

激光選區熔化技術最早由德國研究所于1995年提出，激光選區熔化技術與激光熔融沉積的主要區別在于激光電源和處理材料。為確保金屬粉末材料的快速熔化，SLM技術需要高強度激光將光斑聚焦到數十至數百微米，掃描振鏡根據鑄件3DCAD模型的分層圓盤信息，控制激光束作用于鑄筒內的粉末，清層后，活塞在活塞筒內上升一定的厚度距離，然后送粉筒上升一定的厚度距離[4]。粉末涂裝系統中的滾筒噴出一層厚厚的粉末并掉落在模具層上，然后重復上面的兩個整形過程，直到3DCAD模型盤中的所有圖層都被擦除，這樣就可以將3DCAD模型逐層組裝起來，直接形成金屬零件。

直接沉積層壓技術缺乏明確的備件、鍛造加工或大型鍛鑄工業基礎設施及相關配套設施，材料利用率高，工藝量低，數控加工具有時間短、生產周期短、多步驟、操作簡單、靈活性高和反應能量快的特點。該技術還可以根據不同零件的工作條件和特殊性能要求，直接生產功能梯度材料制成的高性能金屬，這使得大型建筑零件和功能特別復雜，適用于非零件的處理。激光選擇性熔化技術可以直接轉換為最新的金屬產品，無需許多中間過渡鍵，尺寸精度零件高，表面質量好（約10μm～30μm），適用于各種復雜形狀的工件，尤其是傳統工件，這種方法不允許生產具有復雜和特殊形狀結構的復雜工件，適用于復雜結構零件的簡單小批量非導電高速響應加工[5]。

3.激光增材制造材料體系及應用

（1）可用于激光增材制造技術的航空航天材料。航空航天用鈦合金零件具有體積大、成形性差、制造工藝復雜等特點，品種多、批量小、響應快，用常規處理方法加工難度極大，激光層壓鑄造技術可以滿足這些要求。TC4鈦合金主要用于航空航天工業的框架、橫梁、接頭和刀具等零件，這種合金具有優異的熱彈性和焊接性，非常適合生產激光添加劑。此外，先進飛機大型集成主載重能力的主要結構部件采用TA15、TC21、TC18、TC2等鈦合金材料和集成鈦合金葉片等氣動執行器的主要部件。TC11、TC17、Ti60等都使用激光器，高速處理，它還用于飛機的開發和生產。

長期以來，鋁合金一直是航天工業中最重要的建筑材料之一，然而，鋁合金在生產中作為添加劑面臨技術挑戰，高導熱性、流動性差和輕的粉末重量提供高反射，這一技術難題于2013年由德國弗勞恩霍夫研究所解決，并得到EOS、ConceptLaser等世界級金屬3D打印公司的積極推動，可用于3D激光打印的鋁合金材料有AlSi10Mg、A6061、AlSi12、AlSi12Mg[6]。此外，還對鋁硅7Mg、鋁硅9Cu3、鋁硅4.5Mn4、6061等鋁硅合金進行了研究和應用，它是除了發動機燃燒室和其他零件的最佳材料。然而，這一特點給銅合金添加劑的生產帶來了挑戰，銅粉反射率高，易氧化，用激光連續熔化銅合金粉較困難。因此，在銅粉中加入元素來改變粉末的熱性能對于激光添加劑的形成是非常重要的。Inconel718含有鈮和鉬等元素，它在700℃下具有優異的強度、韌性和耐磨性，常用于汽輪機部件和液體火箭燃料，這種合金具有良好的可焊性，焊后不易產生裂紋，特別適用于生產激光添加劑。此外，Inconel600、Inconel690和Inconel713也被用于研究激光層壓成型技術的形成。

因瓦合金被譽為礦物之王，它具有非常穩定的物理性能，不會因極端溫度變化而收縮或膨脹[7]。因此，它是光學設備平臺和穩定性要求高的設備平臺的理想生產材料，廣泛應用于航空領域。Goddard航天中心的技術專家Tim-Stephenson與EOSNorthAmerica合作，首次使用選擇性激光熔化技術開發了因瓦合金的結構。

（2）具體應用。航天飛機更精確、更輕、更機動。結構部件對輕量化、集成化、長壽命、高可靠性、結構與功能一體化、運行成本低等方面提出了更好的規定。技術應用是實現這一要求的通用方式。大中型一體化零件和承重零件的生產加工，可縮短生產加工周期，降低生產成本。鋁合金一體式船體已在世界各地機場廣泛應用，以提高結構效率，減輕結構凈重，簡化生產工藝。然而，這種整體設計是制造中的一個主要問題。如今，英國F35的主滾動軸承架在壓制了數萬噸的液壓活塞桿后，經過激光切割和拋光，不僅制造時間長，而且消耗大量原材料。大約70%的鋁合金正在凝結。過程中被破壞。未來，由于在裝配過程中會消耗額外的粘合劑原材料，最終鑄件將比使用添加劑制成的零件重約30%。

優化結構設計，顯著減輕結構重量，節省昂貴的航材，降低搬運成本，減輕結構重量是對空間最重要的技術要求之一。傳統制造技術正在接近極限，而高性能疊層鑄造技術可以在達到可比或更好性能的基礎上優化結構，從而顯著減輕金屬結構件的重量。加工復雜形狀和薄壁功能部件打破了傳統加工技術強加的設計限制，生產很可能會改變設計，而層壓建模技術不可避免地會導致對CAD模型的新設計要求和創新設計變化，為了更好的溫度控制和更好的機械結構，新的航天器往往不得不產生復雜的內部流路結構，以避免危險的共振效應和同一組件不同部分的不同電壓狀態。添加劑生產不同于傳統的處理方法，由于零件的形狀，幾乎沒有限制，最合理復雜的內部流路結構，提供最合理的壓力分布結構，達到最佳的溫度控制方式，通過混合不同的材料，可以實現同一部件不同部件的功能要求[8]。一方面，激光增材制造技術可以實現異種材料的高性能混合。通過鑄造、鍛造、機加工等傳統工藝制造的零件可以任意添加到精密結構中，使其具有與整體制造相當的力學性能；另一方面，激光增材制造技術可以生產毛坯，然后采用材料減薄的方法進行后續加工。因此，增材制造技術在形成接近于直接晶格的復雜微結構和形狀方面的優勢，可以與傳統制造技術在高效、低成本、高精度和優異的表面質量等方面的優勢相結合，形成最好的制造戰略。航空功能部件的快速維護。飛機維修中經常需要更換零件，單是拆卸時間就可以長達1～3個月。使用增材制造技術將損壞的零件作為基體生長材料進行加工，不僅可以實現在線修復，而且修復后的零件性能仍然可以達到或超過鍛件的標準[9]。

4.結語

激光層壓模型在航空領域的研究和應用越來越廣泛，隨著先進生產技術的發展，也促進了結構設計思想的自由化和完善，他們的相互營銷將對航空業的未來產生重大影響。激光增材制造是一種新興的跨學科技術，包括激光、機器、數控、材料等跨學科技術，開發時間很短，與鑄造、鍛造、焊接、粉末冶金和機械加工等傳統生產技術相比，但技術準備水平仍有較大差距，需要系統細致的研究和工程研究。此外，幾個團隊之間的真誠合作也是保證疊層模型進一步發展的基礎，疊層模型在航空領域發揮著更大的作用。高速、高機動性、長壽命、安全、高效、合理運行等嚴峻的工況，對機身的設計、材料和生產提出了很高的要求，增材制造使飛機盡可能輕、集成、壽命長、可靠、整潔、實用。