增材制造概念的提出始于20世紀(jì)80年代后期，我國(guó)則于90年代初期開始相關(guān)研究。經(jīng)過(guò)短短20余年的時(shí)間，這一技術(shù)已取得了飛速發(fā)展，在航空航天、微納制造、生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。航空航天工業(yè)在20世紀(jì)80年代末開始使用增材制造技術(shù)，最初增材制造在航空制造業(yè)只扮演了快速原型的小角色。而最近的發(fā)展趨勢(shì)顯示，這一技術(shù)將在整個(gè)航空航天產(chǎn)業(yè)鏈占據(jù)戰(zhàn)略性的地位。市場(chǎng)調(diào)查公司SmarTech Markets2014年初發(fā)布的報(bào)告中稱，增材制造在航空航天領(lǐng)域未來(lái)10年的產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到12億美元。增材制造技術(shù)之所以能在航空航天領(lǐng)域獲得快速發(fā)展，主要是因?yàn)槠洳粌H在無(wú)需模具和鍛造的情況下幫助航空航天企業(yè)制造極其復(fù)雜的零件，一體成形大型承力結(jié)構(gòu)件，減少零部件重量，縮短生產(chǎn)周期，而且能夠減少設(shè)備所需要的零件數(shù)量，從而節(jié)省成本，提高可靠性。

    本文在簡(jiǎn)要闡述激光增材制造技術(shù)原理和特點(diǎn)基礎(chǔ)上，介紹其在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的主要工藝：激光熔化沉積（Laser Melting Deposition，LMD）技術(shù)、激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)，歸納了增材制造材料體系及其在航空航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用，并探討了激光增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

激光增材制造技術(shù)原理與特點(diǎn)

    激光增材制造技術(shù)是一門融合了激光計(jì)算機(jī)軟件、材料、機(jī)械、控制等多學(xué)科知識(shí)的系統(tǒng)性、綜合性技術(shù)。采用離散化手段逐點(diǎn)或逐層“堆積”成形原理，依據(jù)產(chǎn)品三維CAD模型，快速“打印”出產(chǎn)品零件，徹底改變了傳統(tǒng)金屬零件，特別是高性能難加工、構(gòu)型復(fù)雜等金屬零件的加工模式。

    激光增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)和功能性金屬部件的快速制造，迄今為止發(fā)展比較成熟的工藝有激光熔化沉積技術(shù)和激光選區(qū)熔化技術(shù)。

1 激光熔化沉積（LMD）

    LMD技術(shù)作為激光金屬增材制造技術(shù)的一種典型工藝，是將增材制造的“疊層累加”原理和激光熔覆（Laser Cladding）技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以金屬粉末為加工原料，通過(guò)“激光熔化-快速凝固”逐層沉積，從而形成金屬零件的制造技術(shù)。其技術(shù)原理如圖1所示，是利用激光的高能量使得金屬粉末和基材發(fā)生熔化，在基材上形成熔池，熔化的粉末在熔池上方沉積，冷卻凝固后在基材表面形成熔覆層。根據(jù)成形件CAD模型的分層切片信息，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制X、Y工作臺(tái)、Z軸上的激光頭和送粉噴嘴運(yùn)動(dòng)，逐點(diǎn)、逐線、逐層形成具有一定高度和寬度的金屬層，最終成形整個(gè)金屬零件。

2 激光選區(qū)熔化（SLM）

    激光選區(qū)熔化技術(shù)是由德國(guó)Fraunhofer研究所于1995年最早提出的，它與激光熔化沉積的主要不同點(diǎn)在于激光功率和加工原料供給方式。為了保證金屬粉末材料的快速熔化，SLM技術(shù)需要高功率密度激光器，使光斑聚焦到幾十到幾百微米。其技術(shù)原理如圖2所示，根據(jù)成形件的三維CAD模型的分層切片信息，掃描振鏡控制激光束作用于成形缸內(nèi)的粉末，一層掃描完畢后，活塞缸內(nèi)的活塞下降一個(gè)層厚距離，接著送粉缸上升一個(gè)層厚的距離，鋪粉系統(tǒng)的輥筒鋪展一層厚的粉末沉積于已成形層之上。然后重復(fù)上述兩個(gè)成形過(guò)程，直至所有三維CAD模型的切片層全部掃描完畢。這樣，三維CAD模型經(jīng)逐層累積方式可直接成形金屬零件。

3 技術(shù)特點(diǎn)

    直接沉積增材制造技術(shù)具有以下特點(diǎn)：無(wú)需零件毛坯制備，無(wú)需鍛壓模具加工，無(wú)需大型或超大型鍛鑄工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)配套設(shè)施；材料利用率高，機(jī)加工量小，數(shù)控機(jī)加工時(shí)間短；生產(chǎn)制造周期短；工序少，工藝簡(jiǎn)單，具有高度的柔性與快速反應(yīng)能。另外，采用該技術(shù)還可根據(jù)零件不同部位的工作條件與特殊性能要求實(shí)現(xiàn)梯度材料高性能金屬零件的直接制造，適用于大型結(jié)構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)不是特別復(fù)雜的功能性零件的加工制造。

    激光選區(qū)熔化技術(shù)可直接制成終端金屬產(chǎn)品，省掉中間眾多過(guò)渡環(huán)節(jié)；零件具有很高的尺寸精度及較好表面質(zhì)量（Ra為10~30μm）；適合各種復(fù)雜形狀的工件，尤其適合內(nèi)部有復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)、用傳統(tǒng)方法無(wú)法制造的復(fù)雜工件；適合單件和小批量復(fù)雜結(jié)構(gòu)件無(wú)模、快速響應(yīng)制造。

激光增材制造材料體系及應(yīng)用

1 可用于激光增材制造技術(shù)的航空航天材料

    （1）鈦合金。航空航天用鈦合金零件具有超大外形尺寸、成形加工性能差、制造工藝復(fù)雜的特點(diǎn)，且具有多品種、小批量和快速響應(yīng)等要求，給傳統(tǒng)加工帶來(lái)了很大的困難，而激光增材制造技術(shù)恰恰可以滿足這些要求。TC4鈦合金在航空航天工業(yè)中主要用于框架、梁、接頭、葉片等部件。該合金具有良好的熱塑性和可焊性，非常適合激光增材制造。此外，激光快速成形出的TA15、TC21、TC18、TC2等鈦合金先進(jìn)飛機(jī)大型整體主承力關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，TC11、TC17、Ti60等鈦合金整體葉盤等航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件也已在飛機(jī)研制和生產(chǎn)中得到成功應(yīng)用。

    （2）鋁合金。對(duì)于力求減重、降低成本的航空航天領(lǐng)域來(lái)講，鋁合金一直是最主要的結(jié)構(gòu)材料之一，特別是飛機(jī)制造業(yè)。然而，鋁合金作為增材制造材料存在工藝難點(diǎn)：導(dǎo)熱性能強(qiáng)、粉材質(zhì)量太輕導(dǎo)致流動(dòng)性太差、過(guò)高的反射率。德國(guó)Fraunhofer研究所于2013年已經(jīng)成功攻克了該項(xiàng)技術(shù)難題，并且已經(jīng)由EOS和Concept Laser等世界一流金屬三維打印公司進(jìn)行推廣?，F(xiàn)在可進(jìn)行激光3D打印的鋁合金材料有AlSi10Mg、A6061、AlSi12、AlSi12Mg，圖3為SLM技術(shù)成形的輕質(zhì)AlSiMg合金零件。另外，AlSi7Mg、AlSi9Cu3、AlMg4.5Mn4和6061等鋁合金材料也已被研究和應(yīng)用。

（3）銅合金。銅合金具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能和較好的耐磨與減磨性能，是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及其他零件內(nèi)襯的理想材料。然而，這種屬性卻給銅合金增材制造帶來(lái)挑戰(zhàn)，而且銅粉具有較高的反射率，加上容易被氧化，激光很難連續(xù)熔化銅合金粉末，所以向銅粉里添加元素來(lái)改變粉材的熱物特性對(duì)于激光增材成形至關(guān)重要。2015年4月，美國(guó)NASA工程人員通過(guò)3D打印了首個(gè)全尺寸銅合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件，該零件是由NASA格倫研究中心的材料科學(xué)家創(chuàng)造的GRCo-84銅合金制造而成，如圖4所示。

    （4）高溫合金。Inconel 718合金中含有鈮和鉬等元素，在700℃時(shí)具有高強(qiáng)度、良好的韌性和耐腐蝕性，常用于汽輪機(jī)和火箭液體燃料中的零部件。此類合金還具有良好的可焊性，無(wú)焊后開裂傾向，所以特別適用于激光增材制造。另外，Inconel 625和Inconel 738也是該系列中被重點(diǎn)研究和應(yīng)用的兩種材料。此外，Inconel 600、Inconel 690和Inconel 713等材料也被用于激光增材制造技術(shù)成形研究中。

    （5）Invar合金。Invar合金號(hào)稱金屬之王，物理屬性非常穩(wěn)定，幾乎不會(huì)因?yàn)闇囟鹊臉O端變化而收縮或膨脹，因此，是理想的光學(xué)設(shè)備平臺(tái)和穩(wěn)定性要求比較高的設(shè)備平臺(tái)制造材料，在航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。Goddard太空飛行中心的技術(shù)專家Tim Stephenson與EOS北美公司合作，首次使用激光選區(qū)熔化技術(shù)開發(fā)了Invar合金結(jié)構(gòu)。

    （6）其他材料。錸合金、鉬合金、鎢合金、鈦、鉭、釩、梯度功能材料、金屬間化合物等航空航天用材也都逐漸發(fā)展出激光增材制造工藝。

2 具體應(yīng)用

    航空航天飛行器越來(lái)越先進(jìn)、越來(lái)越輕、機(jī)動(dòng)性也越來(lái)越好，這對(duì)結(jié)構(gòu)件提出了更高的要求：輕量化、整體化、長(zhǎng)壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)功能一體化、低成本運(yùn)行。增材制造技術(shù)就是滿足這些要求的“靈丹妙藥”。增材制造在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面。

    （1）大型整體結(jié)構(gòu)件、承力結(jié)構(gòu)件的加工，可縮短加工周期，降低加工成本。為了提高結(jié)構(gòu)效率、減輕結(jié)構(gòu)重量、簡(jiǎn)化制造工藝，國(guó)內(nèi)外飛行器越來(lái)越多地采用大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給制造帶來(lái)了極大的困難。目前美國(guó)F35的主承力構(gòu)架仍靠幾萬(wàn)噸級(jí)的水壓機(jī)壓制成形，然后還要進(jìn)行切割削制、打磨，不僅制作周期長(zhǎng)，而且浪費(fèi)了大量的原材料，大約70%的鈦合金在加工過(guò)程中成為邊角廢料，將來(lái)在構(gòu)件組裝時(shí)還要消耗額外的連接材料，導(dǎo)致最終成形的構(gòu)件比增材制造出來(lái)的構(gòu)件重將近30%。

    圖5為北京航空航天大學(xué)在2013年北京科博會(huì)現(xiàn)場(chǎng)展示的“眼鏡式”鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框。與鍛造相比，該鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件的材料利用率提高了5倍、制造周期縮短了2/3、制造成本降低了1/2以上。

    （2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，顯著減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)約昂貴的航空材料，降低加工成本。減輕結(jié)構(gòu)重量是航空航天器最重要的技術(shù)需求，傳統(tǒng)制造技術(shù)已經(jīng)接近極限，而高性能增材制造技術(shù)則可以在獲得同樣性能或更高性能的前提下，通過(guò)最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)顯著減輕金屬結(jié)構(gòu)件的重量。根據(jù)EADS介紹，飛機(jī)每減重1kg，每年就可以節(jié)省3000美元的燃料費(fèi)用。圖6為EADS公司為空客加工的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的機(jī)翼支架，比使用鑄造的支架減重約40%，而且應(yīng)力分布更加均勻。

    （3）加工復(fù)雜形狀、具有薄壁特征的功能性部件，突破傳統(tǒng)加工技術(shù)帶來(lái)的設(shè)計(jì)約束。“制造改變?cè)O(shè)計(jì)”將成為可能，增材制造技術(shù)將必然帶來(lái)對(duì)CAD模型的新的設(shè)計(jì)要求，帶來(lái)設(shè)計(jì)方面革命性的變化。新型航空航天器中常需制造出復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)以便于更理想的溫度控制、更優(yōu)化的力學(xué)結(jié)構(gòu)，避免危險(xiǎn)的共振效應(yīng)、同一零件不同部位承受不同的應(yīng)力狀態(tài)。增材制造區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械加工手段，幾乎不受限于零件的形狀，且可以獲得最合理的應(yīng)力分布結(jié)構(gòu)，通過(guò)最合理的復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最理想的溫度控制手段，通過(guò)不同材料復(fù)合實(shí)現(xiàn)同一零件不同部位的功能需求等。圖7為通用航空公司設(shè)計(jì)的內(nèi)置流道的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。

    （4）通過(guò)激光組合制造技術(shù)改造提升傳統(tǒng)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工。一方面，激光增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料的高性能結(jié)合，可以在鑄造、鍛造和機(jī)械加工等傳統(tǒng)技術(shù)制造出來(lái)的零件上任意添加精細(xì)結(jié)構(gòu)，并且使其具有與整體制造相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能；另一方面，激光增材制技術(shù)可以制造毛坯，而后用減材制造的方法進(jìn)行后處理。因此，可以把增材制造技術(shù)成形復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)、直接近凈成形的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)制造技術(shù)高效率、低成本、高精度、優(yōu)良的表面質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，形成最佳的制造策略，如圖8所示。

 （5）航空功能性零件的快速修復(fù)。飛機(jī)修復(fù)中常需要更換零部件，僅拆機(jī)時(shí)間就長(zhǎng)達(dá)1~3個(gè)月。而利用增材制造將受損部件視為基體增長(zhǎng)材料，不僅可以實(shí)現(xiàn)在線修復(fù)，而且修復(fù)后的零件性能仍然可以達(dá)到甚至超過(guò)鍛件的標(biāo)準(zhǔn)。以制造成本高昂的整體葉盤為例，近幾年來(lái)包括美國(guó)GE公司、美國(guó)H&R Technology公司、Optomec公司以及德國(guó)Fraunhofer研究所在內(nèi)的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)開展了整體葉盤的激光成形修復(fù)技術(shù)研究。2009年3月，作為美國(guó)激光修復(fù)技術(shù)商用化推進(jìn)領(lǐng)頭羊的Optomec公司宣稱其采用激光成形修復(fù)技術(shù)修復(fù)的T700整體葉盤通過(guò)了軍方的振動(dòng)疲勞驗(yàn)證試驗(yàn)。圖9為Fraunhofer研究所激光增材制造修復(fù)葉片過(guò)程。

激光增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展和展望

1 研究現(xiàn)狀

    依靠自身的技術(shù)特點(diǎn)，激光增材制造技術(shù)在航空航天工業(yè)制造中展現(xiàn)出無(wú)與倫比的優(yōu)越性。美國(guó)和歐盟等國(guó)家開始大力發(fā)展增材制造，以將其應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。2012年8月，美國(guó)增材制造創(chuàng)新研究所成立，它聯(lián)合了賓夕法尼亞州、俄亥俄州和弗吉尼亞州的14所大學(xué)、40余家企業(yè)、11家非營(yíng)利機(jī)構(gòu)和專業(yè)協(xié)會(huì)。歐洲航天局則于2013年10月公布了“驚奇”計(jì)劃，該計(jì)劃將匯集28家機(jī)構(gòu)來(lái)開發(fā)新的金屬零部件，新部件要比常規(guī)部件更輕、更堅(jiān)固、更廉價(jià)，旨在“將3D打印帶入金屬時(shí)代”。此外，美國(guó)波音公司、Lockheed Martin公司、GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司、Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Los Alomos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、歐洲EADS公司、英國(guó)Rolls-Royce公司、法國(guó)SAFRAN公司、意大利AVIO公司、加拿大國(guó)家研究院、澳大利亞國(guó)家科學(xué)研究中心等大型公司和國(guó)家研究機(jī)構(gòu)都對(duì)增材制造在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用開展了大量研究工作。

    我國(guó)的金屬材料激光增材制造處于世界先進(jìn)水平，但是仍與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定差距。西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等團(tuán)隊(duì)針對(duì)航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)件高性能、輕量化、整體化、精密成形技術(shù)的迫切需求，開展了鈦合金、高溫合金、超高強(qiáng)度鋼和梯度材料激光立體成形工藝研究，突破了結(jié)構(gòu)件的輕質(zhì)、高剛度、高強(qiáng)度、整體化成形，應(yīng)力變形與冶金質(zhì)量控制，成形件組織性能優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)。

2 挑戰(zhàn)與展望

    隨著激光增材制造技術(shù)的發(fā)展，其在航空航天制造領(lǐng)域扮演著愈來(lái)愈重要的較色，但是要真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，還有很長(zhǎng)的路要走。航空航天工業(yè)制造工藝的特殊性對(duì)激光增材制造提出了更高的要求。

    （1）進(jìn)行更加深入的機(jī)理研究。激光金屬增材制造的物理、化學(xué)、力學(xué)和材料冶金現(xiàn)象極其復(fù)雜，技術(shù)難度很大，國(guó)內(nèi)外對(duì)金屬零件激光增材成形內(nèi)部組織形成規(guī)律和內(nèi)部缺陷形成機(jī)理、零件內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律及變形開裂行為等關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題缺乏深入的認(rèn)識(shí)和研究，而更深入的機(jī)理研究可為工藝優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

    （2）優(yōu)化的工藝保證更高的加工質(zhì)量。航空航天工業(yè)高工藝要求對(duì)激光增材制造技術(shù)提出更大的挑戰(zhàn)，需擴(kuò)大材料體系、突破零件尺寸來(lái)擴(kuò)大激光增材技術(shù)適用范圍，開發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)、優(yōu)化設(shè)備和工藝參數(shù)來(lái)提高加工精度及表面質(zhì)量。

    （3）質(zhì)量檢測(cè)新手段和新的加工標(biāo)準(zhǔn)的建立。由于激光增材成形零部件往往形狀非常復(fù)雜，而且在制造的時(shí)候是一體式一次制造完成，因此應(yīng)改進(jìn)傳統(tǒng)的檢測(cè)方法以避免對(duì)部件造成影響，而新的檢測(cè)手段必然會(huì)引起加工標(biāo)準(zhǔn)的變革。

    （4）更優(yōu)化的軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)支持。增材制造成形路徑的規(guī)劃、支撐添加以及數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)支持對(duì)加工質(zhì)量和成形效率有著決定性的影響。

    （5）激光增材制造技術(shù)和傳統(tǒng)加工技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。將增材制造技術(shù)成形復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)、直接近凈成形的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)制造技術(shù)高效率、低成本、高精度、優(yōu)良的表面質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，形成最佳的制造策略。

    （6）承擔(dān)更多航空航天領(lǐng)域的加工制造。

結(jié)束語(yǔ)

    激光增材制造在航空航天領(lǐng)域的研究和應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，也促進(jìn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的解放和提升，兩者的相互促進(jìn)必將對(duì)未來(lái)航空航天制造領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

    激光增材制造是涉及激光、機(jī)械、數(shù)控、材料等的多學(xué)科交叉新技術(shù)，并且發(fā)展時(shí)間很短，相對(duì)于鑄、鍛、焊、粉末冶金、機(jī)械加工等傳統(tǒng)的制造技術(shù)而言，其技術(shù)成熟度還有顯著差距，需要開展系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)研究和工程化研究工作。此外，多團(tuán)隊(duì)的精誠(chéng)合作也是保障增材制造得以進(jìn)一步發(fā)展的基石，以利于增材制造在航空領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

    高速、高機(jī)動(dòng)性、長(zhǎng)續(xù)航能力、安全高效低成本運(yùn)行等苛刻服役條件對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和制造提出了更高要求。增材制造讓飛行器輕量化、整體化、長(zhǎng)壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)功能一體化以及低成本運(yùn)行成為可能，而航空航天領(lǐng)域則讓增材制造插上了騰飛的翅膀！