激光增材制造技术在航空航天领域的应用与发展

朱泊霖 曹成

（1.空军工程大学，陕西西安 710000；2.航空工程学院，陕西西安 710000）

0.引言

增材制造的概念是在1980年代后期引入的，相关研究于1990年代初在中国开始。经过短短20年的时间，该技术发展迅速，在航空航天、微纳米生产和生物医学工程等诸多领域具有广泛的潜在应用。航空航天工业在1980年代后期开始使用层压成型技术，最初，层压建模在航空航天工业的快速原型制作中发挥了很小的作用。近年来的发展趋势表明，该技术在整个航空业中具有战略地位。

1.激光增材制造技术原理与特点

激光增材制造技术是集计算机软件、材料、机器、控制等交叉学科知识为一体的综合系统技术。产品的3DCAD模型可以使用离散的逐点或逐层叠加原理快速打印产品部件，这改变了传统金属零件的处理方式[1]。性能、结构复杂的金属部件，激光层压成型技术主要用于航空领域结构性和功能性金属零件的快速生产，迄今为止，最成熟的技术包括激光熔融沉积技术和选择性激光熔化技术。

LMD技术是激光金属层压技术的典型工艺，它结合了层压的累积原理和激光熔覆技术，以金属粉末为原料进行处理，利用高速激光熔化固化。高激光能量用于熔化金属粉末和基体，在基体上形成熔池，将熔融粉末沉积在熔池上并在表面形成涂层。冷却固化后的基材表面，运动控制系统根据被加工零件CAD模型的分层盘信息，控制X、Y、Z轴工作台上激光头和供粉喷嘴的运动，制作出一定高度和宽度的金属，按点、线、层重叠，最终形成整个金属部件[2]。

SLM技术起源于选择性激光熔炼和烧结技术。逐层粉末扩散法和逐层熔体堆积法使该技术能够实现几乎任何复杂零件的高效率和致密成型。由于SLM工艺的层厚较小，一般为30μm～60μm。因此，成型精度高，表面质量好。2000年后，基于SLS技术的发展迅速，国内外许多公司、大学和研究机构迅速推进可持续土地管理设备系统、工艺改进和新材料开发。

LMD技术一般采用大激光功率、大可调范围和大激光光斑尺寸，因此调制效率高，通过控制参数可以获得各种结构。同轴送粉工艺的特点决定了浇注量不受限制。可在同一零件内实现多材料复合分步加工，可用于高性能损坏零件的加工和修复。在开发过程中，形成了许多名称，例如直接金属沉积、激光工程、近网格形式、激光增材制造和快速激光原型。民机工业的一大优势是所有飞机材料和制造方法都必须通过适航认证，并了解经过验证的应用。该命令允许材料规格和相应的实用规格，并负责授权军方展示和批准军方。目前，国外在相关标准的制定中处于领先地位[3]。

2.激光熔化沉积（LMD）

激光选区熔化技术最早由德国研究所于1995年提出，激光选区熔化技术与激光熔融沉积的主要区别在于激光电源和处理材料。为确保金属粉末材料的快速熔化，SLM技术需要高强度激光将光斑聚焦到数十至数百微米，扫描振镜根据铸件3DCAD模型的分层圆盘信息，控制激光束作用于铸筒内的粉末，清层后，活塞在活塞筒内上升一定的厚度距离，然后送粉筒上升一定的厚度距离[4]。粉末涂装系统中的滚筒喷出一层厚厚的粉末并掉落在模具层上，然后重复上面的两个整形过程，直到3DCAD模型盘中的所有图层都被擦除，这样就可以将3DCAD模型逐层组装起来，直接形成金属零件。

直接沉积层压技术缺乏明确的备件、锻造加工或大型锻铸工业基础设施及相关配套设施，材料利用率高，工艺量低，数控加工具有时间短、生产周期短、多步骤、操作简单、灵活性高和反应能量快的特点。该技术还可以根据不同零件的工作条件和特殊性能要求，直接生产功能梯度材料制成的高性能金属，这使得大型建筑零件和功能特别复杂，适用于非零件的处理。激光选择性熔化技术可以直接转换为最新的金属产品，无需许多中间过渡键，尺寸精度零件高，表面质量好（约10μm～30μm），适用于各种复杂形状的工件，尤其是传统工件，这种方法不允许生产具有复杂和特殊形状结构的复杂工件，适用于复杂结构零件的简单小批量非导电高速响应加工[5]。

3.激光增材制造材料体系及应用

（1）可用于激光增材制造技术的航空航天材料。航空航天用钛合金零件具有体积大、成形性差、制造工艺复杂等特点，品种多、批量小、响应快，用常规处理方法加工难度极大，激光层压铸造技术可以满足这些要求。TC4钛合金主要用于航空航天工业的框架、横梁、接头和刀具等零件，这种合金具有优异的热弹性和焊接性，非常适合生产激光添加剂。此外，先进飞机大型集成主载重能力的主要结构部件采用TA15、TC21、TC18、TC2等钛合金材料和集成钛合金叶片等气动执行器的主要部件。TC11、TC17、Ti60等都使用激光器，高速处理，它还用于飞机的开发和生产。

长期以来，铝合金一直是航天工业中最重要的建筑材料之一，然而，铝合金在生产中作为添加剂面临技术挑战，高导热性、流动性差和轻的粉末重量提供高反射，这一技术难题于2013年由德国弗劳恩霍夫研究所解决，并得到EOS、ConceptLaser等世界级金属3D打印公司的积极推动，可用于3D激光打印的铝合金材料有AlSi10Mg、A6061、AlSi12、AlSi12Mg[6]。此外，还对铝硅7Mg、铝硅9Cu3、铝硅4.5Mn4、6061等铝硅合金进行了研究和应用，它是除了发动机燃烧室和其他零件的最佳材料。然而，这一特点给铜合金添加剂的生产带来了挑战，铜粉反射率高，易氧化，用激光连续熔化铜合金粉较困难。因此，在铜粉中加入元素来改变粉末的热性能对于激光添加剂的形成是非常重要的。Inconel718含有铌和钼等元素，它在700℃下具有优异的强度、韧性和耐磨性，常用于汽轮机部件和液体火箭燃料，这种合金具有良好的可焊性，焊后不易产生裂纹，特别适用于生产激光添加剂。此外，Inconel600、Inconel690和Inconel713也被用于研究激光层压成型技术的形成。

因瓦合金被誉为矿物之王，它具有非常稳定的物理性能，不会因极端温度变化而收缩或膨胀[7]。因此，它是光学设备平台和稳定性要求高的设备平台的理想生产材料，广泛应用于航空领域。Goddard航天中心的技术专家Tim-Stephenson与EOSNorthAmerica合作，首次使用选择性激光熔化技术开发了因瓦合金的结构。

（2）具体应用。航天飞机更精确、更轻、更机动。结构部件对轻量化、集成化、长寿命、高可靠性、结构与功能一体化、运行成本低等方面提出了更好的规定。技术应用是实现这一要求的通用方式。大中型一体化零件和承重零件的生产加工，可缩短生产加工周期，降低生产成本。铝合金一体式船体已在世界各地机场广泛应用，以提高结构效率，减轻结构净重，简化生产工艺。然而，这种整体设计是制造中的一个主要问题。如今，英国F35的主滚动轴承架在压制了数万吨的液压活塞杆后，经过激光切割和抛光，不仅制造时间长，而且消耗大量原材料。大约70%的铝合金正在凝结。过程中被破坏。未来，由于在装配过程中会消耗额外的粘合剂原材料，最终铸件将比使用添加剂制成的零件重约30%。

优化结构设计，显著减轻结构重量，节省昂贵的航材，降低搬运成本，减轻结构重量是对空间最重要的技术要求之一。传统制造技术正在接近极限，而高性能叠层铸造技术可以在达到可比或更好性能的基础上优化结构，从而显著减轻金属结构件的重量。加工复杂形状和薄壁功能部件打破了传统加工技术强加的设计限制，生产很可能会改变设计，而层压建模技术不可避免地会导致对CAD模型的新设计要求和创新设计变化，为了更好的温度控制和更好的机械结构，新的航天器往往不得不产生复杂的内部流路结构，以避免危险的共振效应和同一组件不同部分的不同电压状态。添加剂生产不同于传统的处理方法，由于零件的形状，几乎没有限制，最合理复杂的内部流路结构，提供最合理的压力分布结构，达到最佳的温度控制方式，通过混合不同的材料，可以实现同一部件不同部件的功能要求[8]。一方面，激光增材制造技术可以实现异种材料的高性能混合。通过铸造、锻造、机加工等传统工艺制造的零件可以任意添加到精密结构中，使其具有与整体制造相当的力学性能；另一方面，激光增材制造技术可以生产毛坯，然后采用材料减薄的方法进行后续加工。因此，增材制造技术在形成接近于直接晶格的复杂微结构和形状方面的优势，可以与传统制造技术在高效、低成本、高精度和优异的表面质量等方面的优势相结合，形成最好的制造战略。航空功能部件的快速维护。飞机维修中经常需要更换零件，单是拆卸时间就可以长达1～3个月。使用增材制造技术将损坏的零件作为基体生长材料进行加工，不仅可以实现在线修复，而且修复后的零件性能仍然可以达到或超过锻件的标准[9]。

4.结语

激光层压模型在航空领域的研究和应用越来越广泛，随着先进生产技术的发展，也促进了结构设计思想的自由化和完善，他们的相互营销将对航空业的未来产生重大影响。激光增材制造是一种新兴的跨学科技术，包括激光、机器、数控、材料等跨学科技术，开发时间很短，与铸造、锻造、焊接、粉末冶金和机械加工等传统生产技术相比，但技术准备水平仍有较大差距，需要系统细致的研究和工程研究。此外，几个团队之间的真诚合作也是保证叠层模型进一步发展的基础，叠层模型在航空领域发挥着更大的作用。高速、高机动性、长寿命、安全、高效、合理运行等严峻的工况，对机身的设计、材料和生产提出了很高的要求，增材制造使飞机尽可能轻、集成、寿命长、可靠、整洁、实用。