航空材料增材制造特征和影响要素

张学军

在航空领域，金属增材制造目前主要有五种方法：激光选区技术、激光直接沉积成形技术、电子束选区技术、电子束熔丝技术、电弧熔丝技术。飞机和发动机由于追求大载荷、高可靠、长寿命，因而要求材料要轻质、高强、耐高温，结构要低缺陷、高稳定性。而材料在追求轻质、耐高温、高强的同时，往往导致低塑性和高热裂纹敏感性，这将降低材料的焊接性能。

我们知道，金属材料增材制造的基本原理就是焊接，低塑性和高热裂纹敏感性材料可焊性差，极易出现焊接裂纹，可见，航空领域追求材料的先进性与增材制造成形工艺的要求是一对矛盾。

这是航空材料增材制造的特点，也是应用增材制造技术时必须要解决的问题。我们通过研究发现，金属材料增材制造的组织、缺陷、表面粗糙度、结构应力集中是影响结构综合力学性能的四个要素，粉末材料、打印设备、结构设计、打印工艺和后处理都会影响这四个要素。

组织：有明显方向性

在组织方面，激光选区熔化成形技术的原理是由若干层焊道叠加起来，最后制成材料。如果我们把该材料切割出一个剖面，从垂直切面看，就是一条条焊道堆积起来的，从水平切面看，就是各条焊道互相交叉形成的。

钛合金激光选区熔化技术制成的材料，其组织状态在纵向和横向存在显著的差异。在纵向上，组织具有比较明显的方向性。我们知道，镍基高温合金的枝晶组织会穿过两个或几个焊道向上生长。激光直接沉积成形技术打印的高强钢组织，与镍基合金相似，也有明显的方向性。

但同一类材料的不同牌号组织，其生产方向性不同。由于合金成分影响，同种成形方法其组织的定向生长是不一样的。同一牌号合金，不同打印方法形成的组织定向生长倾向也不同，电子束和电弧熔丝技术制成的材料，其组织生长方向性最强，激光选区熔化制成的材料，组织生长方向性最弱。这主要是熔池的尺寸带来的影响，电子束熔丝熔池的尺寸要远大于激光选区熔化熔池。

组织会影响材料的力学性能。在研究激光选区熔化成形技术时，我们发现，垂直方向、水平方向和45度方向的力学性能均存在差异。例如，钛合金激光选区熔化成形制成的材料，多表现出纵向性能要低于横向性能，但是通过工艺调整，也可以获得纵向性能大于横向性能的材料。这就是工艺影响组织，组织影响性能。

激光直接沉积技术制成的钛合金材料，其组织纵向生长倾向大，一般理解为纵向性能比横向性能高，但是实际上大多情况下纵向性能比横向低。激光选区熔化成形制成的高温合金材料，与锻件材料比较，其力学性能绝对数值并不低，但数据分散性较大，且纵向、横向、45度方向数据差异较大。

缺陷：气孔尺寸影响裂纹起源

激光选区熔化技术最明显的缺陷就是有气孔。钛合金和镍合金气孔量比较少，致密度能达到99.98%以上水平，铝合金气孔量多一些，致密度大概能做到99.5%左右水平。我们对气孔进一步分析后发现，这些气孔有不规则的，也有近球形的，而且铝合金气孔内表面都存在一定程度的氧化。我们对气孔进行了测量，发现其尺寸主要集中在20～60微米范围内，超过400微米的气孔很少见。

还有一类缺陷就是热裂纹。镍基合金、钴基合金形成的热裂纹一般尺寸较小，是在熔池结晶过程中产生的。激光选区熔化技术形成的微裂纹为微米级，而电子束熔丝技术形成的热裂纹可达几个甚至几十个毫米。钛合金主要产生的是大尺寸敞开性裂纹，这是由于打印过程中累积的残余应力过大，超过了材料的强度极限而导致的开裂。

激光直接沉积成形技术的缺陷主要有未熔合、裂紋、气孔，电子束熔丝技术的缺陷也主要是气孔和裂纹。电子束熔丝技术形成的气孔空洞会更大，可以达到毫米级甚至是几毫米的孔洞，热裂纹的尺寸也是比较大的。

气孔会影响材料的疲劳性能。我们对缺陷进行了力学性能影响的统计，发现缺陷在表面开口和埋在内部对疲劳性能影响差距非常显著，也就是说表面开口的气孔会显著影响疲劳性能，材料内部的微小气孔对疲劳性能影响较小，而较大尺寸的气孔对疲劳性能有显著影响。

我们做了一个统计，激光直接熔化成形材料，疲劳试样产生的裂纹70%以上是从内部的气孔起源的，而锻造件的裂纹90%以上是从表面起源的。因此，可以说，气孔尺寸影响了裂纹的起源，甚至会影响它未来在结构中的断裂模式。激光选区熔化制成的材料，其裂纹大概97%是从表面起源，也就是说，激光选区熔化技术造成的气孔对于疲劳性能的影响相对来说要小得多。

表面粗糙度：处理方法不理想

增材制造材料的表面粗糙度也会对结构性能带来影响。比如，激光选区熔化成形技术制成的材料，其表面状态和精密铸造加工而成的材料大不一样。以镍合金为例，精密铸造镍合金的表面粗糙度是2.5～3.2微米，而激光选区熔化镍合金的上表面粗糙度可达2～3微米，侧表面粗糙度可达4～5微米，下表面粗糙度更可达12μm以上。可见，激光选区熔化镍合金的表面粗糙度较大，当其位于应力集中区时，容易出现开裂。

对于增材制造材料表面的处理，有若干种方法，包括磨粒流、电磁抛光、电化学抛光、化学抛光、机械抛光等，但是对于复杂内流道结构，这些方法的实际效果并不理想。例如，磨粒流方法往往会把不需要加工的地方磨多了，而需要加工的地方没有加工到。目前增材制造材料内流道表面处理成了关键性的问题，尚待解决。

和常规的铸造材料不同，关于增材制造材料表面粗糙度对材料疲劳性能的定量影响，我们还需要深入研究，获得可靠数据才行。特别是在具有内流道的结构上，增材制造材料的表面粗糙度对疲劳寿命、气动性能和沉积异物的影响，我们目前的认识还很浅。

结构应力集中：避开成形不理想区域

在结构方面，增材制造的优势是可以进行减重设计。整体设计甚至是复合化设计给设计者提供了很大的自由空间，但是我们把几个因素结合在一起，就会发现这种自由度是很有限的。

对增材制造材料采用轻量化设计时，要考虑结构成形方向，结构应力集中区域应避开成形不理想区域，或者有针对性地进行尺寸、圆弧过渡等减少应力集中的设计，所以我们要把结构设计纳入到增材制造坐标系里面进行设计。

总之，增材制造材料的组织、缺陷、表面状态、结构应力集中等，是影响材料结构疲劳性能的四要素，都会对增材制造的疲劳性能带来显著的影响。

增材制造材料的质量控制

增材制造材料的质量控制，实际上就是控制影响上文所讲四个要素的因素，主要包括粉末、设备、结构设计、工艺、后处理等方面。

以粉末来说，目前有多种制备粉末的方法，每种方法所制成的粉末的表面状态是不一样的。这种表面状态的不同，会影响到材料的缺陷，尤其是会影响到气孔的形成。比如，空心粉末有些孔洞是光滑的，还有大球套小球的状态，在打印出来的材料中，其内部气孔在形态上与粉末的孔洞有些相似，那么这里面可能有一个对应的关系，也就是说粉末的孔洞会影响到材料的气孔。

在设备方面，稳定性是关键。设备稳定性在激光选区熔化技术上有重大的影响，因此，设备结构的稳定、控制系统的稳定以及激光器等的稳定是至关重要的。另外，从工程应用的角度来说，对设备还应该有智能化的要求，包括实时校准、过程的监视，甚至要求具备反馈的功能。我们现在采用熔池监控等办法，对于能量的不均匀分布，以及显示缺陷进行检测，这对于评价质检的质量至关重要。对于不同厂家生产的不同型号的设备，也要进行认证，而且这种认证需要规范化。

在结构设计方面，采用拓扑优化方法可以设计更复杂的轻量化结构，但这不能是完全自由的，应该有一个标准。目前我们正在开展这项工作，把结构细分成结构单元，并对结构单元提出标准化设计要求。这个工作完成后，就能指导或者是约束结构的设计。

工艺的优化大致包含两类：工艺设计和工艺实施，这里面包含的内容比较多，实施过程中会严重影响增材制造材料缺陷的产生和控制。这方面内容比较多，限于字数本文无法一一展开了。

最后一个方面是后处理，包括热处理、热等静压处理、表面处理等。热处理能影响改变组织状态、力学性能。激光选区熔化成形的材料，通过热处理甚至可以使组织达到类似于等轴晶组织状态。激光直接熔化成形制成的材料，通过热处理也可以改变它的状态，但是达不到激光选区熔化成形材料的状态。而电子束熔丝由于初始的组织较粗大，后续的热处理很难从根本上改变它的组织状态。也就是说，不同的增材制造方法制成的材料，后期通过热处理，在改变其组織和性能方面，所能达到的效果是不一样的。

热等静压处理之后，材料的气孔会显著地减少，尺寸也会缩小。因此，从结果上来看，热等静压处理对闭合气孔类的缺陷是非常有效的，但是热等静压处理之后，有一些机理的问题还需要研究。例如缺陷闭合处，材料服役时会不会从这一处率先萌生裂纹，目前还是未知的，需要做更深入的研究。

综上所述，对于飞机和航空发动机所用的材料和结构，我们应该研究它的全流程，关注全流程的关键技术，只有这些技术问题都解决了，才能确保所打印零件的性能，保证它的可靠性。

我们目前关注的往往是能不能通过增材制造方法打印出材料来，实际上它背后还有很多的基础性问题需要解决，应该把最基础的机理问题研究清楚、研究透，最终制成的零件才能放心应用。