引言

 

大型複雜整體關鍵零部件的用量大小（xiǎo）已經成為衡量航空、航天等（děng）重大裝備技術先進性的重要標誌，具有廣闊的應用和發展前景。采用傳統鍛造、鑄造、焊接等方法製備大型複雜結構件，存在工序（xù）長、工藝複（fù）雜，對製造裝備的要求高以及成形技（jì）術難度大等諸多不足。鍛造方法製備大型複雜構件，不僅需（xū）要萬噸級以（yǐ）上的（de）重型液壓工業裝備、大尺寸鍛造坯料的加工以及大尺寸鍛造模（mó）具製造，而且其製備零件的加（jiā）工去除量大、機械加工時間長、材（cái）料利用率低（dī）、生產（chǎn）周期長、製造（zào）成本高。鑄（zhù）造方法（fǎ）製備大型複雜構件，不僅需要重型或超重型鑄造（zào）工業基礎（chǔ）設施，而且采用鑄造加工的金屬（shǔ）結構件的性能往往不能滿足要求。焊接方法製備大型複雜構件，會導致焊接（jiē）區成為整體構（gòu）件的薄弱（ruò）環節，從而降低構件的（de）整體性（xìng）能。3D打（dǎ）印技術可以製（zhì）造飛機、導彈、衛星（xīng）等航空航天裝備所需的高溫合金（jīn）、鈦合金及高強度鋼等大型複（fù）雜金屬構件。麵對傳統加工方法難以製（zhì）備（bèi）高性能大（dà）型複雜構件的難題，3D打印（yìn）成形是目前的（de）唯（wéi）一技（jì）術途徑。

 

1  金屬3D打印技術原理與優勢

 

3D打印技術是一種采用（yòng）高能束為熱源，通（tōng）過材料逐層堆積，實現構件無模成形的數字化製造技術。金屬零件3D打印技術原理是將（jiāng）金屬粉末或絲材，在（zài）激光或電子束等加熱條件下，按軟件設定的路徑同步熔（róng）化、堆積，最終（zhōng）成形出設計的零件實體。不同（tóng）種類的金屬3D打印技術主要是通過熱源種類、原材料狀態（tài）以及成形方式加以區分。金屬3D打印的熱源主有激光、電子束和電弧，原材料狀態主要為粉末和絲材，成形方式主要包括鋪料、送料條件下的燒結成形及熔化成形。目前，廣泛用於金屬零件3D打印製造的主要工藝有4種：激（jī）光直（zhí）接熔化沉積成形(laser direct melting deposition，LDMD)、激光選區熔化成形(selective laser melting，SLM)、電子束熔絲沉積成形(electron beam freeform fabrication，EBF)、電子束選區熔化成形(selective electron beam melting，SEBM)。采用3D打印技術製（zhì）備金屬零件，與傳統製造技術相比，具有以下突出（chū）優點：

1) 無需大尺寸毛坯製備和模具加工，無需大型或超大型工業裝備；

2) 零件具有快速凝固組織的晶粒細小、組織致（zhì）密、成分均勻的特征，綜合力學性能優異；

3) 實現無模具近終成形（xíng），極大地節省材料，製造成本低、周期短；

4) 適用材料廣（guǎng）泛，可以製備采用傳統方法難以加工的金屬材料。

5) 能夠在製造過程中根（gēn）據零件的實際使用需要（yào）設計（jì）不同部位（wèi）的成分和組織，提高零件的綜合性能，擴大應用範圍；

6) 具有對構件設計的高度柔性與快速反應能力，降低新產品開發風險。

 

2  大型複雜金屬零件3D打印研究進展

 

undefined

2.1  國外的研究進展（zhǎn）

20世紀80年代（dài）末，Sandia國（guó）家實驗室、Los Alamos國家實驗室（shì）和Michigan大學得到美國能源部的資助，對（duì）激光直接製造技術(direct laser fabrication，DLF)展開了研究；90年代中期（qī），Sandia國家實驗室與UTC合作，開發了（le）激光工程化近淨（jìng）成形技（jì）術(laser engineered net shaping，LENS)，通過其開發的LENS技術，Sandia國家實驗室（shì）陸續開（kāi）展了多種金屬材料的成形研究，主要包括不鏽鋼、鈦合金、高溫合金等，期間成功製備了某衛星（xīng）TC4鈦合金零件毛坯；1997年，Optomec Design公司獲得了LENS技術的商用化（huà）許可，推出了基於（yú）激光直接沉積技術的成（chéng）套裝備，並為Sandia國家實驗室提供小批量的零件製造，圖1所示為Optomec Design公司製備的鈦合金葉片；Los Alamos國家實（shí）驗室開展了（le）鈦合金、銅（tóng）合金、不鏽鋼等多種金屬材料的DLF技術研究，製備的零件性能與采用傳統加工方法製備的（de）金（jīn）屬零件性能相當；Michigan大學成立了POM公司，POM公司主要經營以金屬激光熔覆成形(laser cladding fabrication，LCF)技術、直接金屬沉積(drect metal deposition，DMD)技術為基礎的大型金屬零件製造和維修裝置，POM公司擁有與LENS技術相關的（de）8項裝置類專利（lì）技術，並通過其開發的成套裝備，製（zhì）造了（le）重達10 T的金屬零件。

1995年，在美國國防部高級研究計劃署和海軍研究所的（de）資助（zhù）下，Johns Hopkins大學、Pennsylvania大學和MTS公司合作開展（zhǎn）了（le）大尺寸鈦合（hé）金零件的柔性（xìng）製造技術研究。基於前期的研究成果，MTS公司出資與Johns Hopkins大學（xué）、Pennsylvania大學合作成立了AeroMet公司。AeroMet公司獲得了美國軍方及3大美國（guó）軍機製（zhì）造商Boeing、Lockheed Martin和Northrop Grumman公司的資助，開（kāi）展了飛機機（jī）身（shēn）鈦合金結構件的LDMD技術研究。2001年，AeroMet公司采用3D打印（yìn）技術為Boeing公司艦載機試（shì）製了鈦合金次承力結構件，其中包括尺（chǐ）寸為900 mm×300 mm×150 mm的（de）航空翼根吊環，如圖2所示，並於（yú）2002年實現了裝機應用。2002—2005年之間，AeroMet公司通過其Lasform工藝係統製備了發動機艙推力梁、機翼轉動折疊接頭、內龍骨（gǔ）腹板、外（wài）掛架翼肋、發（fā）動機框等金屬構件並實現裝機應用（yòng），其中大型整體加（jiā）強筋板鈦（tài）合（hé）金發動機框尺寸達2 400 mm×225 mm×100 mm。

  

圖1  鈦合金葉片   圖2  F/A-18E/F翼根吊環

 

SLM研究方麵，20世紀90年代，德國Fraunhofer研究所提出采用SLM製備金屬零件的方法，並於2002年研製成功。2013年（nián），Fraunhofer研究所突破了鋁合金3D打印（yìn）的技術難題（tí），並且由EOS和Concept Laser等公司對其（qí）進行了推（tuī）廣。目前，德國的EOS公司在SLM技術研發方麵（miàn）處於世界領（lǐng）先地位，其開發的（de）EOSM400成套（tào）裝（zhuāng）備可以加工的金屬零件尺寸達400 mm×400 mm×400 mm。2012年，美國GE公司采用SLM技術為LEAP噴氣式發動機製造了燃油（yóu）噴嘴，並（bìng）已接受了超（chāo）過4 000台LEAP噴氣（qì）式發動機訂單。GE公司的激光3D打印發動機鈦合金構件最大尺（chǐ）寸達（dá）1 200 mm。圖3所示（shì）為GE公司製備（bèi）的（de）具有複雜內置流道結構的航空發動（dòng）機（jī）葉片（piàn）。

     圖3  內置流道的航空發動機葉片

 

EBF研究方（fāng）麵，2002年，NASA的Langley研究中心提出（chū）EBF，其合同商——美國（guó）Sciaky公司，是當前EBF技術研究最領先的單位。在海軍、空（kōng）軍、國防部等機構的支持下，Sciaky公司聯合Boeing、Lockheed Martin公司開展了EBF研（yán）究，主要致力於（yú）大型航空（kōng）金屬零件的製造，製備的鈦合金零件（jiàn）尺寸達5 800 mm×1 200mm×1 200 mm。目前，Sciaky公（gōng）司成形鈦合金的最（zuì）大速度可達18 kg/h，力學性能滿（mǎn）足AMS4999標準要求。圖（tú）4所示為Sciaky公司（sī）的大型航空鈦合金零件。

      圖4  大型（xíng）航空（kōng）鈦合金零件（jiàn）

 

SEBM研（yán）究方麵，20世（shì）紀（jì）90年代，瑞典的Chalmers工業大學（xué）與Arcam公（gōng）司合作開發出了SEBM技術。2003年（nián），Arcam公司開發推出了（le）首台商用的SEBM設備，並相繼推出了一係列SEBM產品。目前，Arcam公司的SEBM係統研究處於世界領先地位，具有（yǒu）世界上最大的SEBM設備（bèi），有效（xiào）加工範圍為 350 m×380 mm。SEBM技術在航空航（háng）天領域的發展迅速，多家單位都開（kāi）展了利用SEBM技術製造航空發動機複雜零（líng）件的研（yán）究。例如，意（yì）大利AVIO公司利用SEBM技術製（zhì）備（bèi）出了TiAl基合金（jīn）發動機葉（yè）片，引起了廣泛關注。

undefined

2.2  國內的研究進展

1997年，西北工業大學的“金屬粉材激光立體成形的熔凝組織與性能（néng）研究”獲得航空科學（xué）基（jī）金重點項目資助，是中國金屬（shǔ）3D打印第一個正式立項的科研項目。近年來，西北工（gōng）業大學采用激光3D打印技術為中國商飛公（gōng）司（sī）製造了大飛機C919的中央翼肋TC4上、下緣條構件，尺寸為3 000 mm×350 mm×450 mm，質量196 kg，並通過了中國商飛公司的性能測試。采用激（jī）光3D打印技術，西北工業大學還製備了軸承座後機匣、超音速飛行器方向舵、複雜（zá）內部結構零件等構件，圖5為航（háng）空發動（dòng）機軸承後機匣。在國內LDMD研究領域中，北京航空航天（tiān）大學是另（lìng）一家處於領（lǐng）先（xiān）水（shuǐ）平的科研單位。2007年，北京航空航天大學（xué）突破了飛機鈦合金大型、主承（chéng）力結構件激光3D打印關鍵技術，研製出世（shì）界最大飛機鈦合金大型結構件激光快速成形工程化成套裝備，成（chéng）形室尺寸為4 000 mm×3 000 mm×2 000 mm。通過長期深入研究，北（běi）京航空（kōng）航天大學研製了TA15、TC4、TC11等大（dà）型、複雜、整體、主（zhǔ）承力飛機鈦合（hé）金加強框及A-100超高強度鋼飛機起落架等關鍵構件，並實現了包括C919大型客機（jī）在內的多種（zhǒng）型號飛機上的裝機應（yīng）用，使（shǐ）我國（guó）成為世界上唯（wéi）一突破飛機鈦合金大型整體主承力構件激光3D打印技術並實現裝機應用的國家。圖6所示為北京航空航天大學研（yán）製的某型號（hào）飛機“眼鏡式（shì）”鈦（tài）合金大型、複（fù）雜（zá）、整（zhěng）體、主承力構件加強框（kuàng）。

 

圖5  航空發（fā）動機零件  圖6  鈦合金主承力構件加強框

 

在SLM研究方麵，我國最早開展激光SLM技術研究的單位為華（huá）南理（lǐ）工大學和華中科技大學。華南（nán）理工大學專注於SLM技術的醫（yī）學植入體應（yīng）用，並開發出了國內第一套SLM設備DiMetal-240。華中科技大學則首（shǒu）先（xiān）開拓了SLM技術的航天應用，開發擁有自（zì）主知（zhī）識產權的SLM設備，並成形出尺寸達615mm×216 mm×236 mm的複雜結（jié）構樣件。此外，還有多家單位開展了（le）SLM研究並取得實（shí）際成果，如西安交通（tōng）大學製造（zào）出高表麵質量和幾何尺（chǐ）寸精度的複（fù）雜空心葉片樣件；中科院沈陽自動化研究所成功製備出具有一定（dìng）複雜外形，能（néng）滿足（zú）直接使用要求的金屬零件；沈陽航空航天大學激光快速成形實驗室開發出最大成形尺寸為200 mm×200 mm×100 mm，精度達0.1 mm的加工（gōng）係統。

在EBF研究方（fāng）麵，中航工業北京航空製造工程研究所（suǒ）於2006年開始（shǐ）EBF技術的研究工作，開發了目前國內最大EBF設備，有效加工範圍為3 000 mm×1 500 mm×800 mm，圖（tú）7所示為國產EBF設備及其製備的零件（jiàn）。利用其研製的EBF設備，中航工（gōng）業（yè）北京航空製造工程（chéng）研究所開（kāi）展（zhǎn）了TC4、TC11、TC21等鈦合金以（yǐ）及A-100超高強度鋼的EBF工藝（yì）研（yán）究，研製了大量鈦合（hé）金零件和試驗件，成形出（chū）尺（chǐ）寸為2 100 mm×450 mm×300 mm的（de）鈦合（hé）金大型、主承力結構件（jiàn），並於2012年率先實現了在國（guó）內飛機上的裝機應用。

           圖7  國產EBF設備及其製備的零件

 

SEBM研究方麵，清華大學先進成形製造教育部重點實驗室研（yán）製出國內第一台EBSM-150電子束快速成形係統，並與西北有色金（jīn）屬（shǔ）研究院聯合開發了第（dì）二代EBSM-250電子束（shù）快速成形係統。基於與清華大學合作開發的（de）成套裝備，西北有色金屬研究院對鈦合金、TiAl合金的SEBM成形工藝及變形控製等方麵進行了（le）深入研究，申（shēn）請了相關專利，並製造出了複雜的鈦合金葉輪葉片（piàn）。

 

3  存在問題和研究方（fāng）向

undefined

3.1  存在問（wèn）題

1) 工藝質量。

由於高能束的長期（qī）周期性劇烈加（jiā）熱和冷（lěng）卻以（yǐ）及（jí）工藝參數、外部環境、掃描路徑的變換等（děng）不連續（xù）和（hé）不（bú）穩定因素，導致（zhì）大型複雜零件出現變形開裂、孔洞、夾雜（zá）、裂紋等問題。此外，3D打印金屬（shǔ）零件的疲勞強度、長期使用可靠性和質量的一致性難以（yǐ）得到保證，製造效率、質量和成本（běn）之間的關係難（nán）以協調。金屬零件3D打印技（jì）術還缺（quē）乏對材料問題以及材料與工藝的關係等基礎（chǔ）問題的研究，尚未找到材料、工藝和設備之間協調控製的方法。

2) 成形裝備。

目前金屬零件3D打印的（de）能量源主要為（wéi）激光和電子束，激光、電子束具有能量集中、加熱效率高、成形材料廣泛的特點。然而，目前的激光、電子（zǐ）束技術自身並不是十分成熟，且存在（zài）設備昂（áng）貴、複（fù）雜等缺點，增加了打印成本，限製了金屬零件（jiàn）3D打（dǎ）印（yìn）的普及。此外，大型複雜金屬零件3D打印需要解決更（gèng）多的技術問題，對成形裝備及其穩定性提出更高的要（yào）求，如高匯聚光-粉耦合打印頭、大型真空鋪粉係統以及大跨度高精度數控工作台等。

3) 控製軟件。

分層處理、掃描路徑和策略在某種程度上決定了零件能否順利完成最終成形。大（dà）型複雜金屬零件3D打印成形過程中，分層處理、掃描路徑和策略顯得尤為重要，科學的路徑（jìng）規劃能（néng）夠很大程度上減緩沉積材料的熱應力累積。具有尖端和大曲率等複雜結（jié）構的金屬零件，在尖端和大曲（qǔ）率位置處存在沉積層形貌尺寸偏（piān）差，可以通過製定合理的掃描策略（luè）進行控製；然而，目前切片和路徑規劃軟件隻能（néng）進行簡單的設計，不能根據零件結構及成形工藝特性進行掃描策（cè）略的（de）局部（bù）調整（zhěng）。此外（wài），3D打印過程質（zhì）量參數的特征（zhēng）辨識與智能處理（lǐ）技術（shù）還不夠（gòu）成（chéng）熟，不能實現成形過程工藝參數的自適應控（kòng）製。

undefined

3.2  研究方向

1) 成形（xíng）質量及變形開裂控（kòng）製。

成（chéng）形件的內部缺陷及組織特征決定其性能，如何獲得性能優異，實現內部缺陷、組織性能和工藝（yì）條件的一體化控製是大型複雜金屬零件3D打印一個重要（yào）研究方向。另外，變形（xíng）開裂是大型複雜金屬零件3D打印成形的（de）常見和致命問題，亟待深入分析不（bú）同外形結構、熱（rè）力環境條件下，金屬粉末非平衡凝固過程的內應力演化規律（lǜ），並製定相應的預防（fáng）控製方案。

2) 過程監（jiān）測係統及智（zhì）能控製軟（ruǎn）件開發。

大型複（fù）雜金屬（shǔ）零件3D打印過程的時間長、路徑複雜（zá）多變、不可預（yù）見情（qíng）況較多，導致（zhì）成形質量（liàng）及穩定性較低。開發（fā）3D打印過程的溫度場、外貌尺寸以（yǐ）及變形開裂等問題的實時監測係統，並研製融合分層處（chù）理、路徑規劃及工藝技（jì）術的自適應功能的成形控製軟件，對於提高成形（xíng）質量、穩定性和安全性至關重要（yào）。

3) 後處理工藝技術（shù）開發。

大型複雜金屬零件3D打印（yìn），由於金屬粉末的快速加熱-冷卻以及（jí）成形機理、工藝參數複雜，成形零（líng）件在尺寸精度（dù）、內部缺陷、組織性能等方麵難以同時達到應用指標（biāo）；因此，應加強對成形零件的後（hòu）處理工藝技術製定（dìng）和開發研究，提高性能、節約（yuē）資（zī）源、降低成本。

 

4  結束語

 

金屬3D打印（yìn）技術廣泛（fàn）應用於航空、航天（tiān）、石化、船舶等工（gōng）業裝備領域，具有無需大（dà）型裝備、模具，材料（liào）利用率高，製造周期短、成本低，零（líng）件（jiàn）性能優異等突出優點。目前，針對（duì）大型（xíng）複雜金屬零件3D打印技術，國內（nèi）外已開展了大（dà）量的研究工作，取得（dé）了廣泛的應用成果；然而，分層處理、掃描路徑和策略技術不成熟，成（chéng）形過（guò）程不穩定，存在（zài）變形開（kāi）裂、內部缺陷等問（wèn）題，製約（yuē）了大型複雜金屬零件3D打印技術的工程應用。大型複雜金屬零件3D打印（yìn）技術還需（xū）在變形開裂和內部缺陷（xiàn）預防、分層處理和路徑規劃（huá）等方麵開展大量（liàng）研（yán）究工作。