金屬材料增材制造技術在直升機中的應用發展研究

溫學，何志平

中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001

增材制造技術又稱3D 打印技術，是一種通過三維CAD設計數據，采用材料逐層累加原理制造實體零件的技術，本質是焊接技術[1]。相比傳統的材料去除成形技術，增材制造技術對原材料的利用率更高，可以降低鈦合金材料零部件的成本；同時，增材制造支持個性化設計和復雜結構的成形制造，可以滿足結構減重需求。因此，增材制造概念自20 世紀80 年代被提出以來，迅速受到航空航天、醫療器械等行業的重視并不斷發展，目前已實現多種金屬材料、樹脂材料、復合材料等零部件的增材制造[2]。高質量、高效率、低成本逐漸成為增材制造領域的熱點研究方向，業界越發關注增材制造零件的尺寸精度、表面粗糙度、力學性能；對于致密零件會關注致密度、抗拉強度、延伸率；對于多孔零件會關注孔隙率和抗壓強度。直升機與其他飛行器的顯著區別在于旋翼系統及其帶來的全機動力學設計問題，不斷有改進的新構型被研發出來以滿足運輸、反潛、預警、通信、搜救、消防等領域的需求，增材制造技術為直升機復雜精密的零部件輕量化設計和制造提供了實現途徑。

1 金屬材料增材制造技術發展現狀

1.1 金屬材料增材制造技術的分類

金屬材料增材制造技術于20世紀90年代進入我國，到2017年金屬材料增材制造產值約為23億元，約占增材制造產業的31%[3]，目前金屬材料增材制造技術的熱源主要有激光、電子束、電弧等。

金屬材料增材制造技術按工藝不同可以分為：（1）粉床熔融工藝，包括激光選區熔融法（SLM）、直接金屬激光燒結法（DMLS）、激光束熔融法（LBM）、激光選區燒結法（SLS）、金屬黏合劑噴射成形法（MBJ）、電子束熔融法（EBM）等；（2）直接能量沉積工藝，包括激光直接沉積工藝（DLMD）、電弧熔絲增材制造（WAAM）、噴墨液態金屬法、冷噴涂沉積法等。

其按原材料物理狀態不同可以分為：（1）基于粉末的激光粉末床熔融工藝、電子束粉末床熔融工藝、送粉式激光能量沉積工藝、冷噴涂工藝、金屬激光燒結工藝等；（2）基于絲材的等離子弧沉積工藝、電弧沉積工藝、電子束沉積工藝、送絲式激光沉積工藝、金屬熔融沉積成形工藝；（3）融合電阻焊、攪拌摩擦焊等工藝的復合增材制造技術，基于焊棒的液體金屬打印工藝，基于分散劑的納米粒子噴射工藝，基于金屬顆粒的金屬熔融沉積成形工藝等。

每種工藝都有其固有的優缺點，如金屬直接沉積法中的激光熔化沉積技術，其原理是同軸送粉、激光熔覆，優點在于成形尺寸較大，但是成形精度低、殘余應力大的問題較為突出。而電子束熔絲成形（EBF）工藝，原理是金屬絲材的電子束融化和層層堆積，其優點是沉積速率高（20kg/h）、成形尺寸大，缺點是成形尺寸精度低。因此，需要根據零件的結構特征和服役特點選擇較為適合的增材工藝。

1.2 原材料

金屬增材制造的原材料研制一直是國際級難題，也是增材制造技術發展的“瓶頸”。金屬增材制造技術所用的原材料主要為合金粉末和合金絲材，金屬粉末的形狀、粒度、氧含量、雜質成分、松裝密度等因素對材料成形的質量有較大影響[4]；絲材的直徑均勻度和元素含量波動度對成形中熔融沉積的穩定和整體化學元素的均勻分布有明顯影響。高質量、多種類的原材料制備技術一直是增材制造領域的熱點研發方向。

1.3 設備

增材制造技術的主要工藝都集成在設備中，因此設備的性能直接影響增材制造零件成品的質量。一臺增材制造設備通常會集成多項關鍵技術，因此設備研發生產難度較大，國內外只有少數廠家擁有完全自主知識產權的增材制造設備。以我國的激光融化沉積設備為例（見圖1），其硬件主要包括光學系統、粉末系統以及保護系統三大部分，其主要控制參數包括掃描速度、掃描路徑、激光功率、鋪粉厚度等。設備的主要成本來自激光器的價格，且主要元器件均為進口。由于相關技術理論還不成熟，最優增材制造工藝參數主要通過大量試驗獲得，而能否提供豐富的材料成形數據庫也是衡量增材制造設備是否成熟的重要標識。控制系統也是設備的主要難點，燒結路徑的不同對零件殘余應力分布、零件致密度等主要性能都有重要影響。

圖1 激光融化沉積系統Fig.1 System of laser metal deposition

目前國產化設備主要存在設備批次穩定性較難控制的問題，與進口設備相比，打印尺寸、效率、精度等還存在技術差距[5]，缺乏打印過程的質量監控系統。

國內外知名企業也在不斷推出速度更快、成形質量更好、成形尺寸更大、價格更低的設備，增材制造設備的研發逐漸向著較少后處理量、低能源消耗、產品零殘余應力方向發展。內部缺陷的控制、成形過程中的變形開裂預防、產品的質量一致性等方面有待進一步提升。

1.4 后處理

增材制造雖然是一種“近終形”成形工藝，但目前還很難實現工件成形后直接應用，往往還需要一些后處理輔助工序。如在成形后首先需要采用線切割等方法去除基板和支撐；對于成形工件表面粗糙、尺寸精度不夠的問題，往往還需要對工件進行機械加工；對于工件存在孔隙等微觀組織缺陷問題，需要采用熱等靜壓（HIP）技術降低工件的孔隙率，提升工件的機械性能；對于熔覆順序帶來的工件組織力學性能不一致問題，需要對工件進行熱處理；對疲勞性能有特殊要求的工件，在對工件進行機械加工后還需進行噴丸等表面強化處理，引入有益于工件疲勞強度的表面殘余壓應力[6]。后處理工序會顯著增加制造時間和成本，因此縮減甚至取消后處理工序是增材制造技術未來的發展方向之一。

1.5 產品檢測與性能評價

金屬增材制造的本質是焊接，氣孔、夾雜、未熔合、裂紋等焊接缺陷幾乎不可避免，由于增材制造工件多為復雜結構，無損檢測難度大。常見的無損檢測方法可以分為離線檢測與在線檢測兩類。離線檢測的特點是制造與檢測過程分離，傳統的超聲波探傷、X 射線探傷、渦流探傷等都是常用的離線檢測方法。隨著金屬增材制造技術的不斷進步，增材制造零件逐漸呈現出復雜化、精細化的特點，這對無損檢測技術提出了更高的要求，CT檢測技術和激光超聲檢測技術也開始應用于成形件的無損檢測。

為了降低成本、提高成材率，研究機構和企業已經開始尋求金屬增材制造過程中的無損檢測方法，簡稱在線檢測技術。它通過實時監控成形過程中的組織變化、缺陷產生等現象，隨時做出工藝調整。目前，國外公司（如美國國家航空航天局（NASA）、英國焊接研究所（TWI）、德國的MTU公司等）已經開展增材制造過程在線檢測方法的研究工作，國內相關工作目前還未見報道。

在增材制造產品檢測的標準化方面，國內雖然開展了相關無損檢測標準的制定工作，但尚未形成完整的標準體系。國外在這方面的工作進展較大，目前AMS 4999A標準中對3D 打印TC4 鈦合金的無損檢測驗收要求做出明確規定，但并未詳細說明如何實施，而是直接引用了AMS2631、ASTM E1742 等通用的金屬制件檢測方法。美國NIST 正在制定標準ASTM WK47031《航空用增材制造金屬制件無損檢測指南》，ASTM還制訂了增材制造產品無損檢測系列標準研究計劃。

金屬增材制造產品的力學性能評價方面，主要進行了拉伸、蠕變、疲勞及其與傳統工藝生產的鍛件的對比等力學性能方面的研究。研究表明，金屬增材制造產品的熔融沉積態性能呈現各向異性，具體表現為平行于沉積方向抗拉強度低而塑性好，垂直于沉積方向抗拉強度高而塑性差。經過適當的熱處理后，在成形參數設置合適時，材料的力學性能與疲勞壽命可以與鍛件相當。因此，在進行金屬增材制造產品的力學性能測試時，可以依據常規金屬材料的力學性能測試標準（如GB/T 228.1、GB/T 4161、GB/T 2039、GB/T 3075）進行。

2 金屬增材制造在直升機零件制造中的應用現狀和技術難點

2.1 應用現狀

（1）輔助型號設計定形

在型號研制階段，經常會遇到一個零件多種設計構型的選擇問題，這時需要將設計構型的實物制造出來進行考核驗證，如果采用傳統的制造工藝，則要考慮原材料加工、模具準備等工序，經濟和時間成本較高，而采用增材制造技術，可以快速完成多個構型試驗件生產，縮短試驗件加工周期，從而保證型號研制進度。

（2）制造機體結構的非承力部件

俄直公司將增材制造技術用于制造通風系統部件、內部裝飾設備、多媒體系統的固定裝置等；米里直升機廠應用增材制造技術制造了符合人機工程學的米-38直升機控制桿，如圖2所示。

圖2 3D打印的控制桿Fig.2 3D printing lever

（3）發動機組件的制造

2017 年賽峰直升機引擎公司推出的AW189K 直升機用Aneto-1K 發動機，其燃燒室由增材制造部件組成，且其導向葉片為增材制造；黑鷹直升機民用版機型發動機A-CT7中段部分通過采用增材制造技術，制造工人由原來的60人減少到1人，將300個零部件整合成了一個零件。

2.2 直升機承力零件增材制造應用技術難點

（1）疲勞性能較低

增材制造技術之所以尚未大范圍用于制造直升機機體的承力部件，主要是因為存在三個方面的技術難點。首先，力學性能方面，直升機零部件的耐疲勞性能是設計人員關注的重要指標之一，而增材制造產品的疲勞強度一般低于傳統工藝（如鍛造加工制造的產品）。這是因為增材制造技術逐層累加成形過程中存在“臺階效應”，如果不經后續機械加工處理，增材制造產品的表面通常比較粗糙，粗糙的表面通常被認為是疲勞裂紋萌生的位置。但也有研究表明，經過機械加工處理的鈦合金增材制造試件可以與傳統鍛壓工藝鈦合金試件有相當的疲勞強度[7]。另外，增材制造系統包含大量的變量，這些系統變量會在零件中引發氣孔等缺陷[8]，降低零件的力學性能，目前尚未全部研究清楚這些系統變量對產品微觀組織和力學性能的影響，而如何降低這些變量引發缺陷的概率，從而提高增材制造產品的力學性能，也需要進一步研究探討。

（2）尺寸調控難度較大

成形精度方面，直升機零部件有嚴格的尺寸精度要求和裝配精度要求，但是目前增材制造零件的成形精度還很難實現一次成形就尺寸達標[9-10]，打印設備、成形方向、材料性能、工藝參數、后處理過程都會對增材制造零件的尺寸精度產生影響[11-12]，因此成形后往往還需要進行機械加工以保證產品尺寸滿足設計要求。另外，金屬材料由熔融態到凝固成形，材料狀態變化引起的尺寸收縮會使零件產生內部應力，導致被打印零件可能出現形變彎曲問題[13]，且打印零件的尺寸越大則變形控制難度越大。

（3）成本較高

成本控制方面，成本是直升機尤其是民用直升機考慮的主要因素之一，而目前增材制造零件存在成本較高的問題。主要原因有：（1）高質量原材料的成本較高，如鈦合金粉末的價格高達7000元/kg，而普通鈦合金材料的價格只要每千克幾百元[14]；（2）增材制造設備較貴，尤其是進口工業級設備的售價可以達到每臺2000萬元，而且零件采用傳統增材制造工藝成形效率較低；（3）前后處理步驟也會增加增材制造零件的時間和經濟成本。

3 金屬增材制造在直升機中的應用前景和應用策略

3.1 應用前景

（1）結構拓撲優化設計

結構拓撲優化設計技術，又稱創成式設計技術，經過幾十年的發展，已經被證實是一種高效的結構設計方法，在航空航天結構輕量化、高性能設計領域具有廣闊應用前景，但受限于現有加工技術，其實際應用面臨巨大挑戰。郭文杰[15]等對某型無人機翼梁結構開展剛度拓撲優化設計，優化后的結構滿足強度、剛度設計要求，同時減重達到6%。胡添翼[16]等對飛機典型雙耳結構連接件進行拓撲優化設計，如圖3所示，優化后的雙耳結構連接件滿足強度設計要求，且可減重26.8%。柴象海[17]等對航空發動機風扇葉片進行拓撲優化設計，優化后葉片空心率提高到45%以上，并基于增材制造技術試驗驗證了優化后風扇葉片的抗沖擊性能有顯著提升。

圖3 典型雙耳接頭結構Fig.3 Double-ear joint of aircraft

拓撲優化設計后結構往往會變得復雜，很難應用傳統的加工工藝精確制造，這嚴重制約了直升機零部件的最優化設計。而增材制造技術可以比較容易實現復雜結構的制造，使直升機設計人員不需要顧慮零件加工難度，可以按最優方案完成直升機設計。

（2）結構整體化設計

主體框架與結構整體化是工業產品形態的趨勢之一，是指將由多個零件連接而成的裝配組件變成單件整體結構，實現結構效率最優化。結構整體化設計可以大幅減少工業產品零部件的數量，并隨之帶來可觀的經濟效益。如一輛傳統汽車的零部件數量大約為20000個，而美國Local Motors公司采用結構整體化設計的兩座家用汽車——斯特拉提，整個車身僅由40 個部件組成，且重量大幅降低[18]。再如GE公司生產的LEAP燃油噴嘴，如圖4所示，采用結構一體化設計后，部件數量由20 個縮減為1 個，同時減重25%，成本降低30%，部件壽命提升5倍。

圖4 LEAP發動機燃油噴嘴Fig.4 Fuel nozzle of LEAP engine

直升機零部件數量眾多，通常為15000個以上，受限于目前的加工制造技術，結構整體化設計尚未得到推廣應用。目前，這些零件通過裝配、焊接、鉚接、膠結等多種方法連接起來構成直升機的部件。而接頭部位由于存在幾何應力集中和連接工藝引入的缺陷和殘余應力，往往是結構承載時優先發生破壞的位置。而增材制造技術可以實現結構的一體化成形，從而大幅減少直升機零部件數量，進而有效降低結構在接頭部位失效的風險，同時也減少了設計人員和零件加工制造人員的工作量，縮短直升機交付周期。如“黑鷹”直升機民用版機型發動機A-CT7中斷結構采用增材制造一體成形技術，將300 個零部件整合成1 個零件，實現減重超過4.5kg，如圖5所示。

圖5 “黑鷹”發動機A-CT7中斷結構Fig.5 Interception structure of A-CT7

（3）結構功能一體化設計

結構功能一體化設計，通常是指將功能元件嵌入平臺結構中形成既可作為力學承載結構，同時又可以實現某些功能的結構。如結構功能一體化天線將集成微帶天線陣列的射頻功能件嵌入武器平臺結構中，既可以作為力學承載的蒙皮結構，又可作為收發電磁波的微波天線，還能夠滿足結構輕量化、武器裝備隱蔽性的需求。

結構功能一體化設計在直升機中應用前景廣闊，如直升機的抗墜毀、抗沖擊能力對于飛行員生命保障有著非常重大的意義，但是增加過多的吸能設備會增加直升機重量，反而不利于直升機的戰場生存能力，而結構功能一體化設計可以在不增加重量甚至減重的情況下滿足結構抗沖擊的需求。如直升機的緩沖器/壓潰支撐部件如果采用孔隙結構或者格柵結構，可大幅提高其抗沖擊吸能性能。但是結構功能一體化設計的零部件由于結構復雜很難通過傳統工藝制造出來，而增材制造技術能夠解決這一問題，實現復雜結構直接制造，促進結構設計創新，如增材制造的空間點陣夾芯結構，重量輕、剛性好，而且散熱性能優異，可以同時滿足裝備減重和散熱的需求，如圖6所示。

圖6 空間點陣夾芯結構Fig.6 Space lattice sandwich structure

（4）直升機維護保障

直升機由于技術復雜、零部件繁多，加之戰損機理多變，其對維修保障技術的要求較高。現代戰爭的突發性要求軍隊具備快速反應和強機動能力，這同時要求軍事裝備維修保障能力必須與戰爭的迫切需要相適應，不斷向快速化、自動化、綜合化方向發展。應用增材制造技術可以實現直升機部件的即用即打，修復發動機葉片、整體葉盤、框梁、鈦合金槳轂等高價值零件，在降低維修成本的同時提高直升機的戰場效能，從而順應裝備維修保障能力的發展趨勢。另外，隨著直升機型號的不斷發展更新，老型號的直升機生產線逐漸被改裝拆除，可能導致老型號直升機的零部件無法供應，而增材制造技術可以解決這一問題，并且顯著縮短零件供應周期、降低生產成本。

同時，在保障物資運輸環節，增材制造技術優勢明顯。婁穎達[19]等以維護保障中的保障物資運輸環節為例，通過對比分析應用增材制造技術情況下，擺放方向約束等物資裝載約束條件相較傳統約束條件的大幅簡化，以及所帶來的構件物資配置算法的復雜度的大幅減小，證明了在現有集裝箱總裝載容積一定的前提下，以打印原材料的運輸替代傳統保障中的成品備品備件運輸，可以將箱容率從78%提高到90%以上，運輸效率顯著提升，便于軍事裝備維修保障部門以最短時間將平時積聚的保障力量轉化成戰時保障能力。

利用增材制造技術省時、節約、高效率的優勢，BAE系統公司預測未來前線特種部隊甚至可以在執行任務途中使用便攜的，在任務結束后這些無人機可以快速熔解回收的原材料[20]。

3.2 應用策略

充分考慮目前增材制造技術的成熟度以及直升機零部件的結構特征和服役工況，增材制造技術在直升機上的應用分為三個階段。

（1）夯實技術基礎

針對直升機現有的采用傳統鑄、鍛工藝制造的零件，探索拓撲優化設計加增材制造成形技術，實現零件減重的目標。需要型號設計單位和國內增材制造優勢單位通力合作，在突破關鍵技術問題過程中，力爭在原材料、設備、后處理、檢測與性能評價等基礎研究領域有所突破，為增材制造進一步的型號應用打好技術和理論基礎。

（2）實現直升機一般承力件的增材制造

針對直升機機體結構上有一定疲勞性能要求的金屬零部件，根據材料和特征結構的疲勞裂紋萌生擴展特性，探索增材制造加表層微鍛造（表面強化技術）加表面改性（激光熔覆技術）等技術對成形件疲勞性能的改善效果，實現疲勞性能優于傳統工藝制造的零部件，從而在型號上推廣應用。

（3）實現直升機重要承力件的增材制造

對于旋翼系統中對疲勞性能有苛刻要求的金屬零部件，結構特征更為復雜，服役環境更為多樣，需要在前兩步工作的研究基礎上，視技術成熟情況，適時推進型號應用。

4 結論與展望

增材制造技術是直升機先進構型設計制造和高效維護保障能力的重要支撐技術之一，因此俄直公司預測未來10年，增材制造技術在直升機零部件制造市場具有廣闊前景，或將用于制造機體、旋翼的承力部件，并計劃從增材制造技術角度對各零部件進行重新設計，對其進行耐久性試驗以確定增材制造零部件的性能與被替換的類似零部件具有等同或者更優秀的性能。據Asiatimes網站2020年10月19日報道，美國陸軍正對“黑鷹”直升機約20000 個結構零件進行增材制造產品替換評估，這種按需打印零件可以使一線部隊擺脫后勤挑戰，并使其更具機動性。

但也要清楚地看到，增材制造技術在直升機零件制造領域還存在制件疲勞強度低、成形精度差、成形效率不高，以及舊粉的利用率較低等技術問題，這些技術問題的根源在于原材料質量控制[21-22]、設備工藝控制[23-24]、產品后處理技術及產品檢測與性能評價等基礎研究領域的研究還不夠深入，而解決這些問題將是增材制造領域未來的發展方向。目前，國內外已經有很多公司和研究機構開展相關方向的研究工作，如針對增材制造零件精度較低、需要機械加工、次品率較高、成形效率較低的問題，有研究人員提出集成更先進的打印精度控制算法[25-26]，從而減少后處理步驟，降低后處理難度，提升制造效率；也有人提出將數控加工等后處理步驟集成到增材制造系統中，實現“打印—加工”一體化[18]，從而縮短增材制造與后處理流程間的時間。

此外，亟須開展面向直升機增材制造工件的在線缺陷檢測、綜合性能評價、結構考核驗證、損傷評估與修復等技術研究工作，并制定相關工藝規范，形成典型結構件和配套材料、工藝、裝備和適航技術標準體系[27-30]，為增材制造在直升機設計、制造、維護中的應用推廣提供技術支撐。