增材制造從三維模型出發(fā)實(shí)現(xiàn)零件的直接近凈成形制造。相比傳統(tǒng)的減材制造，增材制造將多維制造變成簡(jiǎn)單的由下而上的二維疊加，降低了設(shè)計(jì)與制造的復(fù)雜程度。航空裝備領(lǐng)域目前涉及的增材制造主要是金屬材料增材制造，已發(fā)展出激光增材制造、電子束增材制造和電弧增材制造三類增材制造技術(shù)。

激光增材制造是當(dāng)前航空裝備領(lǐng)域最具代表性的增材制造方法，主要包括以粉床鋪粉為技術(shù)特征的激光選區(qū)熔化和以同步送粉為技術(shù)特征的激光直接沉積。激光選區(qū)熔化工藝熱輸入小、成形尺寸精度高，適合制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴、渦流器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件以及拓?fù)潼c(diǎn)陣等新型結(jié)構(gòu)；激光直接沉積工藝效率較高、力學(xué)性能較好，但制造精度不高，適合制造飛機(jī)框梁等重要承力結(jié)構(gòu)。由于國內(nèi)外對(duì)激光增材制造技術(shù)非常重視，其技術(shù)發(fā)展迅速，陸續(xù)應(yīng)用于飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造，并且呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

為了更好地把握增材制造的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，提前做好航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略布局，推進(jìn)增材制造在航空領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，《航空裝備激光增材制造技術(shù)發(fā)展及路線圖》一文，針對(duì)激光增材制造最近幾年的發(fā)展，開展文獻(xiàn)、資料、信息的搜集、整理、分析。在對(duì)增材制造現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)分析的基礎(chǔ)上，提出2035年航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)發(fā)展目標(biāo)和相應(yīng)的政策和環(huán)境支撐、保障需求，并嘗試給出2035年技術(shù)發(fā)展路線圖建議。

航空裝備激光增材制造路線圖研究

l 2035年發(fā)展目標(biāo)

1.需求

激光增材制造基于數(shù)模切片通過逐層堆積實(shí)現(xiàn)零件近凈成形制造，無需模具，節(jié)省材料，縮短研制和生產(chǎn)周期，降低制造成本。特別適合復(fù)雜形狀零件、梯度材質(zhì)與性能構(gòu)件、復(fù)合材料零件和難加工材料零件的制造，還支持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)功能一體化制造。

航空航天領(lǐng)域的零件，外形復(fù)雜多變，材料硬度、強(qiáng)度等性能要求較高，難以加工且成本較高。而新生代飛行器正在向高性能、長(zhǎng)壽命、高可靠性以及低成本的方向發(fā)展，采用整體結(jié)構(gòu)、復(fù)雜大型化是其發(fā)展趨勢(shì)。正是基于此發(fā)展趨勢(shì)，激光增材制造技術(shù)越來越受到航空航天制造商的青睞。

激光增材制造的 Eurostar E3000 衛(wèi)星支架

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、軸承座、控制殼體、葉片等零件，內(nèi)部具有復(fù)雜油路、氣路和型腔，為提高效能而進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，更增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造難度。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)、排氣門格柵結(jié)構(gòu)，武器艙的艙門支座等部件，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，這些新型復(fù)雜構(gòu)件的成形對(duì)基于激光選區(qū)熔化的增材制造技術(shù)具有迫切需求。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)各類機(jī)匣、壓氣機(jī)/渦輪整體葉盤、尾噴調(diào)節(jié)片等結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜，為提高效能甚至需采用異種或梯度材料結(jié)構(gòu)。飛機(jī)超高強(qiáng)度鋼和不銹鋼接頭、滑軌、起落架，鋁合金承力框、梁，鈦合金框、支座、滑軌、滑輪架、筋壁板等承力構(gòu)件，高馬赫飛行器翼舵格柵結(jié)構(gòu)承載骨架，為提高減重和承載效能須進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造難度增加，采用傳統(tǒng)工藝制造難度大，對(duì)激光直接沉積增材制造具有明確技術(shù)需求。

Trent XWB-84 發(fā)動(dòng)機(jī)中間級(jí)壓縮機(jī)匣,該機(jī)匣采用包括增材制造工藝和新的焊接技術(shù)等最新設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)。

高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度的提高，要求采用超高溫金屬間化合物以及金屬基/陶瓷基復(fù)合材料等新型高溫結(jié)構(gòu)材料。新型高溫/超高溫材料零部件的研制對(duì)激光增材制造技術(shù)提出了潛在需求。

飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)某些帶局部凸臺(tái)、耳片等特殊結(jié)構(gòu)的承力構(gòu)件，采用鍛造工藝無法保證局部組織和性能；大型飛機(jī)的超大規(guī)格鈦合金承力框，超出現(xiàn)有鍛造設(shè)備的加工能力。對(duì)鍛造+增材制造/增材連接的復(fù)合制造技術(shù)具有明確技術(shù)需求。

激光增材制造技術(shù)經(jīng)過近年的項(xiàng)目支持，基本解決了原材料、成形工藝、復(fù)雜零件制造等關(guān)鍵技術(shù)，開始獲得應(yīng)用。目前制約激光增材制造大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸之一是疲勞問題。需要特別重視激光增材制造疲勞問題的原理性研究。

為了提高航空產(chǎn)品激光增材制造的工藝過程穩(wěn)定性和質(zhì)量，需要發(fā)展基于熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、粉末床和熔融層可見光檢測(cè)的在線監(jiān)測(cè)、檢測(cè)技術(shù)。

航空領(lǐng)域?qū)す庠霾闹圃斓男枨笾饕w現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

（1）飛機(jī)鈦合金框梁重要承力結(jié)構(gòu)高性能高可靠激光直接沉積；

（2）飛機(jī)超高強(qiáng)度鋼起落架抗疲勞長(zhǎng)壽命激光直接沉積；

（3）飛機(jī)鈦合金、鋁合金格柵點(diǎn)陣復(fù)雜結(jié)構(gòu)激光選區(qū)熔化；

（4）航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴類零件激光選區(qū)熔化；

（5）航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦流器、葉片類零件激光選區(qū)熔化；

（6）航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制、附件殼體類零件激光選區(qū)熔化；

（7）航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、軸承座類承力零件激光選區(qū)熔化；

（8）航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤/機(jī)匣類承力零件激光直接沉積；

（9）飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)超大規(guī)格結(jié)構(gòu)鍛造+增材制造/增材連接的復(fù)合制造；

（10）激光增材制造疲勞問題的原理性研究；

（11）激光增材制造過程的在線監(jiān)測(cè)、檢測(cè)技術(shù)研究。

2.目標(biāo)

突破飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)材料激光增材制造缺陷、組織、力學(xué)性能控制關(guān)鍵技術(shù)，掌握粉末設(shè)計(jì)與制備技術(shù)，制定材料、工藝、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，建立工藝、性能數(shù)據(jù)庫和冶金圖譜，掌握零件產(chǎn)品質(zhì)量控制技術(shù)，制定零件產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在產(chǎn)品增材制造質(zhì)量控制技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究和零件充分考核驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，推進(jìn)激光增材制造在航空、航天、船舶、核工業(yè)等重點(diǎn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用。至2035年，在航空領(lǐng)域普通金屬激光增材制造全面量產(chǎn)應(yīng)用；金屬間化合物增材制造的組織-性能-變形控制技術(shù)全面突破，性能驗(yàn)證基本完成，功能考核部分完成，部分產(chǎn)品進(jìn)入量產(chǎn)。鈮-硅、陶瓷基材料增材制造物理冶金原理得到揭示，性能驗(yàn)證基本完成，部分產(chǎn)品開始裝機(jī)應(yīng)用。

基于分區(qū)掃描成形的激光增材制造工藝（a）、（b）分區(qū)掃描軌跡規(guī)劃；（c）增材制造毛坯。

2035年發(fā)展路線圖

l 重點(diǎn)產(chǎn)品

（1）飛機(jī)：

①鈦合金框梁重要承力結(jié)構(gòu)；

②超高強(qiáng)度鋼起落架外筒；

③鈦合金、鋁合金格柵點(diǎn)陣復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)：

①航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴類零件；

②航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦流器、葉片類零件；

③航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制、附件殼體類零件；

④航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、軸承座類承力零件；

⑤航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤/機(jī)匣類承力零件。

2035年航空領(lǐng)域激光增材制造技術(shù)發(fā)展路線圖

l關(guān)鍵共性技術(shù)

（1）激光選區(qū)熔化用高品質(zhì)粉末成分設(shè)計(jì)與制備技術(shù)

激光增材制造成形制件的組織與鑄件、塑性成形件具有顯著差別，為獲得相當(dāng)?shù)男阅芩剑ǔＰ枰獙?duì)材料成分進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，即開發(fā)適合增材制造的專用材料。為獲得良好的成形工藝性、優(yōu)良的制件內(nèi)部和外部質(zhì)量，激光選區(qū)熔化增材制造工藝對(duì)所采用的粉末原材料的質(zhì)量，如粉末的球形度、空心粉率、氣體含量、夾雜率、粒徑分布、流動(dòng)性等，均提出嚴(yán)格的要求。加之所采用的材料為了提高力學(xué)性能，均采用特殊的成分體系，導(dǎo)致其液態(tài)和固態(tài)塑性加工性能較差。這些都增加了高品質(zhì)粉末制備的挑戰(zhàn)性。

（2）激光增材制造的缺陷控制和組織性能改善技術(shù)

飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)良的綜合性能的獲得，通常以犧牲材料的熱加工性為代價(jià)。用于燃油噴嘴、渦流器等零件的高溫合金、鈦合金、鋁合金、馬氏體不銹鋼等材料，在凝固過程中，發(fā)生裂紋的傾向性普遍較高，容易導(dǎo)致制件報(bào)廢，或嚴(yán)重降低制件的可靠性。對(duì)于鈦合金的增材制造，產(chǎn)生氣孔的概率很高。增材制造采用逐層堆積，如工藝參數(shù)選取不合適，容易在層間產(chǎn)生未熔合或熔合不充分等缺陷。飛機(jī)重要承力結(jié)構(gòu)，要求長(zhǎng)壽命、抗疲勞、高可靠。發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件還對(duì)持久、蠕變等性能提出了要求，這就要求對(duì)增材制造的組織形態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格的控制。因此，需要通過工藝優(yōu)化及合適的后續(xù)處理，防止缺陷產(chǎn)生、獲得優(yōu)良組織，保證制件性能。由于工藝參數(shù)的調(diào)整，對(duì)于不同性質(zhì)缺陷的產(chǎn)生、組織形態(tài)和力學(xué)性能的變化等所產(chǎn)生的影響十分復(fù)雜，最優(yōu)的工藝窗口可能很窄，必須經(jīng)過實(shí)質(zhì)上的一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化過程才可能確定。

（3）復(fù)雜結(jié)構(gòu)精確成形的增材制造應(yīng)力變形控制技術(shù)

增材制造過程的逐層堆積引起熱應(yīng)力和變形的累積。每層材料的熔融、凝固均會(huì)產(chǎn)生一次凝固收縮。因此，增材制造的制件內(nèi)部存在較大的應(yīng)力，這會(huì)引起制件開裂或宏觀變形。對(duì)于飛機(jī)框梁、起落架等大投影面積、大厚度結(jié)構(gòu)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、渦流器、機(jī)匣等復(fù)雜、薄壁結(jié)構(gòu)，應(yīng)力變形問題更為突出，導(dǎo)致制件外觀尺寸和內(nèi)部通道等形狀控制難度大為增加。因此，需要通過優(yōu)化制件的空間擺放，采用合適的沉積策略、工藝支撐，優(yōu)化成形工藝參數(shù)、采用合適的預(yù)熱及后熱處理，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力變形的有效控制。

（4）激光選區(qū)熔化成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)與測(cè)試技術(shù)

激光增材制造技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)重要承力和功能結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部缺陷、組織特點(diǎn)不同于鍛造、鑄造結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的檢測(cè)、評(píng)價(jià)方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)未必適用。激光增材制造技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、渦流器、軸承殼體等帶內(nèi)部流道或者中空薄壁類的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流道角度、形狀和尺寸公差、表面粗糙度，對(duì)結(jié)構(gòu)功能均有重要影響；但是這些結(jié)構(gòu)特征采用常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)難以檢測(cè)，必然會(huì)對(duì)增材制造技術(shù)的推廣應(yīng)用造成限制。由于激光選區(qū)熔化成形材料及結(jié)構(gòu)的組織、缺陷有其特殊性，常見的氣孔、未熔合、裂紋等缺陷的尺寸僅為微米量級(jí)，采用常規(guī)的方法難以檢測(cè)，另外，材料的組織特征及缺陷的類型、尺寸、分布等對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、可靠性和使用壽命影響還缺乏系統(tǒng)性研究。這些問題嚴(yán)重限制了激光增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用。

（5）增材制造元件級(jí)及零件級(jí)力學(xué)性能考核

由于增材制造與傳統(tǒng)的鑄造、鍛造組織缺陷存在明顯差異，使增材制造構(gòu)件的力學(xué)性能及其斷裂行為存在顯著不同。對(duì)于增材制造整體葉盤，如何表征材料及整體葉盤的力學(xué)行為也是亟待解決的科學(xué)問題之一。增材制造整體葉盤的力學(xué)行為研究，包括增材制造材料力學(xué)行為、元件級(jí)（單元體）力學(xué)行為、零件典型件力學(xué)行為研究。對(duì)于單元體力學(xué)行為、零件典型件力學(xué)行為，國內(nèi)還沒開展相關(guān)研究，國外RR、GE、MTU等機(jī)構(gòu)的研究也鮮有公開報(bào)道，仍處于保密階段。

結(jié)論與建議

（1）增材制造特別適合零件的快速研制、快速驗(yàn)證和設(shè)計(jì)改進(jìn)，并且支持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，因此在飛機(jī)鈦合金承力框、滑輪架和超高強(qiáng)度鋼起落架外筒等重要承力結(jié)構(gòu)以及飛機(jī)艙門連接件、輔助動(dòng)力艙進(jìn)氣門、排氣門格柵結(jié)構(gòu)、武器艙門支座、橫梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造中得到應(yīng)用，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、渦流器、渦輪葉片、傳感器殼體、燃油控制系統(tǒng)殼體等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造中也得到批量應(yīng)用。不僅縮短了零件研制周期，降低了制造成本，而且增加了設(shè)計(jì)的自由度，通過結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)創(chuàng)新，取得了質(zhì)量減輕、承載耐溫能力提高、工作效能提高等效果。一方面加快了飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)度，另一方面由于采用結(jié)構(gòu)功能一體化制造，大大減少了零件數(shù)量，顯著提高了裝備的可靠性。

（2）國內(nèi)增材制造技術(shù)發(fā)展仍存在短板和不足，制約著增材制造技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。增材制造設(shè)備激光器、光路、加工頭等核心器件自主保障能力不足，零件數(shù)模切片、掃描路徑規(guī)劃、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制軟件研發(fā)能力欠缺，限制了工藝創(chuàng)新的上升空間。對(duì)傳統(tǒng)材料和新材料增材制造組織、性能、缺陷、應(yīng)力變形發(fā)展規(guī)律的研究不深入，導(dǎo)致制件增材制造的控性控形工藝開發(fā)效果不佳。對(duì)于粉末、絲材原材料和增材制造工藝過程的質(zhì)量控制以及制件性能評(píng)價(jià)研究不充分，導(dǎo)致相關(guān)材料規(guī)范、工藝標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)方法、產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，嚴(yán)重制約增材制造的批量化規(guī)?；瘧?yīng)用推廣。

（3）為推動(dòng)我國增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用推廣，需要從科研項(xiàng)目支持、科研生產(chǎn)條件配套、設(shè)備研發(fā)能力提升等方面提供全方位的戰(zhàn)略保障。具體建議如下：

①設(shè)立不同類型科研項(xiàng)目支持技術(shù)研發(fā)

結(jié)合在研、在役飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制和性能提升，設(shè)立型號(hào)課題，針對(duì)已具備較好研究基礎(chǔ)的TC4鈦合金、AlSi10Mg鋁合金、GH3536高溫合金增材制造技術(shù)，支持開展工程化應(yīng)用研究，解決產(chǎn)品質(zhì)量控制和產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)技術(shù)的規(guī)模化量產(chǎn)應(yīng)用。針對(duì)預(yù)研飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制需求，設(shè)立預(yù)先研究課題，針對(duì)高強(qiáng)高韌鈦合金、高鋁鈦高溫合金等高性能材料增材制造技術(shù)，支持開展控性、控形關(guān)鍵技術(shù)，研制典型零件并開展相關(guān)考核試驗(yàn)，推動(dòng)技術(shù)型號(hào)應(yīng)用。面向未來飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)需求，設(shè)立應(yīng)用基礎(chǔ)研究課題，支持開展超高溫結(jié)構(gòu)材料、新型材料、新型結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)研究，為新概念航空裝備設(shè)計(jì)制造儲(chǔ)備技術(shù)基礎(chǔ)。

②配套科研條件建設(shè)

根據(jù)型號(hào)課題、預(yù)先研究課題、應(yīng)用基礎(chǔ)研究課題需要，進(jìn)行配套科研條件建設(shè)，建立各階段研究所需設(shè)備、計(jì)算機(jī)軟件等硬、軟件設(shè)施。

③支持相關(guān)基礎(chǔ)元器件、設(shè)備集成、軟件開發(fā)

支持提升國內(nèi)增材制造設(shè)備集成能力、重要核心元器件的研發(fā)制造能力，支持開展國內(nèi)數(shù)模切片軟件、掃描策略規(guī)劃軟件、工藝參數(shù)控制軟件、模擬仿真軟件的優(yōu)化、開發(fā)，提高裝備和工藝的智能化水平。

（文章來源：《航空材料學(xué)報(bào)》2023,43，《航空裝備激光增材制造技術(shù)發(fā)展及路線圖》 作者：王天元，黃帥，周標(biāo)，鄭濤，張國棟，郭紹慶）