引言（yán）

 

大（dà）型複雜整體關鍵零部件的用量大小已經成為衡量（liàng）航空、航（háng）天等重大裝備技術先進性的（de）重（chóng）要標誌，具有廣闊的應用和發展前景。采用傳統鍛造、鑄造、焊（hàn）接等方法製備大型複雜（zá）結構件，存在工序長、工（gōng）藝複雜，對製造（zào）裝備（bèi）的要求高以及成形技術難度大等（děng）諸多不足。鍛造方法製備大型（xíng）複（fù）雜構件，不僅需要萬噸級以上的重型液壓工業裝備、大尺（chǐ）寸鍛造坯料的加工以及（jí）大尺寸鍛造模具製造，而且（qiě）其製備零件的加工去除量大、機械加工時間長、材料利（lì）用率低、生產周期長、製造成本高（gāo）。鑄造方法製備大型複雜構件，不僅需要重（chóng）型或超（chāo）重型鑄造工業基礎設（shè）施，而且采用鑄造加工的金屬結構件的性（xìng）能（néng）往往不能滿足要（yào）求。焊接方法製備（bèi）大型複（fù）雜構件，會導致焊接區成為整體構件的薄弱環節，從而降低構件的（de）整體（tǐ）性（xìng）能。3D打印技（jì）術可以製造（zào）飛機（jī）、導彈（dàn）、衛星等航空航（háng）天裝備（bèi）所需的高溫合（hé）金、鈦合金及高強度鋼等大型複雜金屬構件。麵對傳（chuán）統加工方法（fǎ）難以製備高性（xìng）能大型複（fù）雜構件（jiàn）的難題，3D打印成形是目前的唯一技術途徑（jìng）。

 

1  金屬3D打印技術原理與優勢

 

3D打印技術是一種采用高能（néng）束為熱（rè）源，通過材料逐層堆積，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（sī）材，在激光或電子束等加熱條件下，按軟件設（shè）定的路徑同步熔化、堆積，最終成形出（chū）設計的零件實體。不（bú）同種類的金屬3D打印技術主（zhǔ）要是通過熱源種（zhǒng）類、原材料狀態以及成形方式加以區分。金屬（shǔ）3D打（dǎ）印（yìn）的（de）熱源主有激光、電子束（shù）和電弧，原材（cái）料狀態主要為粉末和絲材，成形方式主要（yào）包括鋪料、送料（liào）條（tiáo）件下的燒結成形及熔化成形。目前，廣泛用（yòng）於金（jīn）屬零（líng）件（jiàn）3D打印製造的主要工藝有4種：激光直接熔化沉積成形(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打印技術製備金屬零件，與傳統製造技術相比，具有（yǒu）以下突出優（yōu）點：

1) 無需大尺寸毛坯（pī）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（zǔ）織致密、成分均勻（yún）的特征，綜合力（lì）學性能優異；

3) 實現無模（mó）具近終成形，極大地節省材料，製造成本低、周期短；

4) 適用材（cái）料廣泛，可以（yǐ）製備采用傳統方法難以加（jiā）工的金屬材（cái）料（liào）。

5) 能夠在（zài）製造過程中根據零件（jiàn）的實際（jì）使用需要設計（jì）不同部位的（de）成分和組織，提高零件的綜合性能，擴大（dà）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（jiàng）低（dī）新產品開發風險。

 

2  大型複雜金屬零件3D打印研究進展

 

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2.1  國外的研究進展

20世紀80年代末，Sandia國家實驗室（shì）、Los Alamos國家實驗室和（hé）Michigan大（dà）學得到美國能源部的資助，對激光直接製造（zào）技術(direct laser fabrication，DLF)展開了研究；90年代（dài）中期（qī），Sandia國家實驗室（shì）與UTC合作（zuò），開發了（le）激光工（gōng）程化（huà）近（jìn）淨成形技術(laser engineered net shaping，LENS)，通過其開發的LENS技術，Sandia國（guó）家實驗室陸續（xù）開展了（le）多種金屬材料（liào）的成（chéng）形研究，主（zhǔ）要包括不鏽鋼、鈦合金、高溫合金等，期間成功製備了某衛星TC4鈦合（hé）金零件毛（máo）坯（pī）；1997年，Optomec Design公司獲得了LENS技術的商用化許（xǔ）可，推出了基於激光直接沉積技術的成套裝備，並為Sandia國家實（shí）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（tài）合金葉片；Los Alamos國（guó）家實驗（yàn）室開展了鈦合金、銅（tóng）合金、不鏽（xiù）鋼等多（duō）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（fāng）法製備的金屬零件性能相當；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（shù）、直接金屬（shǔ）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8項裝置類（lèi）專利技（jì）術，並（bìng）通過（guò）其開發（fā）的成套裝備，製造了重達10 T的金屬零件。

1995年，在美國國防部高級研（yán）究計（jì）劃署和海軍研究所的資助下，Johns Hopkins大學、Pennsylvania大學和MTS公司合（hé）作開展（zhǎn）了大尺寸鈦合金零件的柔性製造技術研究。基於前期的研究（jiū）成果（guǒ），MTS公司（sī）出資與Johns Hopkins大學、Pennsylvania大學合作成立了AeroMet公司。AeroMet公（gōng）司（sī）獲得了美國軍方及3大美國軍機製造商Boeing、Lockheed Martin和Northrop Grumman公司的資助，開（kāi）展了飛機機身鈦合金結構件的LDMD技術研究。2001年，AeroMet公司采用3D打印（yìn）技術為（wéi）Boeing公司艦載機試製（zhì）了鈦合金次承力結構件，其中包括（kuò）尺寸為900 mm×300 mm×150 mm的航空翼根吊環，如圖2所示，並於2002年實現了裝機應（yīng）用。2002—2005年之間，AeroMet公司通過其Lasform工（gōng）藝係統製備（bèi）了（le）發動機艙推力梁、機翼轉動折（shé）疊接頭、內龍骨腹板、外掛架翼肋、發動機框等金屬構（gòu）件並實現裝機應用，其中大型整體加強筋板鈦合金發動（dòng）機框尺寸達2 400 mm×225 mm×100 mm。

  

圖1  鈦合（hé）金葉片   圖2  F/A-18E/F翼根吊（diào）環

 

SLM研究方麵，20世紀90年代，德（dé）國Fraunhofer研究所提出（chū）采用SLM製備金屬零件的方法，並於2002年研製成功。2013年，Fraunhofer研究所突破（pò）了鋁合金3D打印的技術難題（tí），並且由（yóu）EOS和Concept Laser等公司對其進行（háng）了推廣。目前，德國的EOS公司在SLM技術（shù）研發方麵處於世（shì）界領先地位，其開（kāi）發的EOSM400成套裝備可以加工的金（jīn）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（rán）油噴嘴，並已接受了超過4 000台（tái）LEAP噴氣式發（fā）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1 200 mm。圖3所示為GE公司製備（bèi）的具有複雜內（nèi）置（zhì）流道結構的航空發動機葉片。

     圖3  內置流道的航空發動機葉片

 

EBF研究方麵，2002年，NASA的Langley研究中心（xīn）提（tí）出EBF，其合同商——美國Sciaky公司（sī），是當前EBF技術研究最領（lǐng）先的單（dān）位。在海軍、空軍、國防部等機構的支持下，Sciaky公司聯合Boeing、Lockheed Martin公司開展了EBF研究，主要致力於大型航空金屬（shǔ）零件的（de）製造，製備的鈦合金零件尺寸達5 800 mm×1 200mm×1 200 mm。目前，Sciaky公司成形鈦合金的最大速度可達18 kg/h，力學性能滿足（zú）AMS4999標準要（yào）求。圖4所示為Sciaky公司的大（dà）型航空（kōng）鈦合（hé）金零件。

      圖4  大型航空鈦合金（jīn）零件

 

SEBM研究（jiū）方麵，20世紀90年代，瑞典的Chalmers工（gōng）業大學與Arcam公司合作（zuò）開發出了SEBM技（jì）術。2003年，Arcam公（gōng）司（sī）開發推出（chū）了首台商用的SEBM設備，並相（xiàng）繼推出了一係列SEBM產品。目前，Arcam公司的SEBM係（xì）統研究處於世（shì）界領先地位，具有世界上最大的（de）SEBM設（shè）備，有效加工範圍為 350 m×380 mm。SEBM技術在航空航天領域的發展迅速，多家單位都開展了利用SEBM技術（shù）製造航空發動機（jī）複雜零件的研究。例如，意大利AVIO公司利用SEBM技術製備出了TiAl基合金發動機葉片，引起了廣泛關注。

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2.2  國內的研究進展

1997年，西（xī）北（běi）工業大學的（de）“金屬粉材激光立體成形的熔凝組織與性能研究”獲得航空科學基金重（chóng）點項目資助，是中國金屬3D打印第一個（gè）正式立項的科研項目。近年來，西北工（gōng）業大（dà）學（xué）采用激光3D打印技術為中（zhōng）國商飛公司製造了大飛機C919的中央翼肋（lèi）TC4上（shàng）、下緣條構件，尺（chǐ）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（yòng）激光3D打印技術，西北工業大學（xué）還製備了軸承座後機匣、超音速飛行器方向舵、複雜內部結構零件等構件，圖5為航空發動機軸承後機匣。在國內LDMD研究領域中，北京航空航天大學（xué）是另一家處於領先水平的科研單位。2007年，北京航空航（háng）天大學突破了飛機（jī）鈦合金大型、主承力結構件激光（guāng）3D打印關鍵技術，研（yán）製出（chū）世界最大（dà）飛機鈦合金大型（xíng）結構件激光快速成形工程化成套裝（zhuāng）備，成形室尺寸為4 000 mm×3 000 mm×2 000 mm。通過長期深入研究，北京航空航天大學研（yán）製了TA15、TC4、TC11等大型、複雜、整（zhěng）體（tǐ）、主承力（lì）飛機鈦合金加強框及A-100超高強度鋼飛機（jī）起落架等關鍵構件，並實現了包括C919大型客機在內的多種型號飛（fēi）機上的裝機應用，使我國成為世界上唯一突破飛機鈦合金大型整體主承力構件（jiàn）激光3D打印技（jì）術並（bìng）實現裝機應用的（de）國（guó）家。圖6所示為北京航空航天大學研製的某型號飛機“眼鏡式”鈦合金大型、複（fù）雜、整體、主承力構件加（jiā）強框。

 

圖5  航空發動機零件（jiàn）  圖6  鈦合金主承力構件加強框

 

在SLM研（yán）究方麵，我國（guó）最早開展（zhǎn）激光SLM技術研究的單位為華（huá）南理工大學和華（huá）中科技大學。華南理工大學專注（zhù）於SLM技術（shù）的醫（yī）學植入體應用，並開發出了國（guó）內第一套SLM設備DiMetal-240。華中科技大學則首先開拓了SLM技術的（de）航（háng）天應用，開發（fā）擁有自主（zhǔ）知識產權的SLM設備，並成形出（chū）尺寸達615mm×216 mm×236 mm的複雜結構樣件。此外，還有多家單位開展了SLM研究並取得實際（jì）成果，如西安交（jiāo）通（tōng）大學製造出（chū）高表麵質量和幾何尺寸精度（dù）的複雜空心葉片樣件；中科院沈陽自動化研究所成（chéng）功（gōng）製（zhì）備出具有一定複雜外形，能滿足直接使用要求的金屬零件；沈陽航空航天大學激光快（kuài）速成形（xíng）實驗（yàn）室開發出最大成形尺寸為200 mm×200 mm×100 mm，精度達0.1 mm的加工係統。

在EBF研究方麵，中航工業北京航空製造（zào）工程研究所於（yú）2006年（nián）開始EBF技術的研究工作，開發了目前國內最大EBF設備，有效（xiào）加工範圍為3 000 mm×1 500 mm×800 mm，圖7所示為國產EBF設備及其製備的零件。利用其研製的EBF設備，中航工業北京航空製造（zào）工程研究所開展了TC4、TC11、TC21等鈦（tài）合金以及A-100超高強度鋼的EBF工（gōng）藝研究，研製了大（dà）量鈦（tài）合金零件和試驗件，成形出尺寸為2 100 mm×450 mm×300 mm的鈦合金大型、主承力結構（gòu）件，並於2012年（nián）率先實現了在國內飛機上的裝機應用（yòng）。

           圖（tú）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製出（chū）國內（nèi）第（dì）一台EBSM-150電子束快速成形係統，並與西北（běi）有色（sè）金屬研究院聯合開發了第二代EBSM-250電子束快速成形係（xì）統。基於（yú）與清華大學合作開發的成套裝備，西北有色金屬研究（jiū）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深入（rù）研究（jiū），申請（qǐng）了相關專利，並製造出了複雜的鈦合金葉輪葉片。

 

3  存在問題（tí）和（hé）研（yán）究方（fāng）向

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3.1  存（cún）在問題（tí）

1) 工藝質量（liàng）。

由於高能束的長期周期性劇（jù）烈加熱和冷卻以及工藝參數、外部環境（jìng）、掃描路徑的變換等不（bú）連續和不穩（wěn）定因素，導致大型複雜零件出現變形開裂、孔洞、夾雜、裂紋等問題。此外，3D打印金屬（shǔ）零件的（de）疲勞強度、長期使用可靠性和質量的一致（zhì）性難以得到保證，製造效率、質量和成本之（zhī）間的關（guān）係難以協調。金屬零件3D打印技術還缺乏（fá）對材料問題以及材料與工（gōng）藝的關係等基礎問題的研究，尚未找到（dào）材料、工藝和設備之間協（xié）調控製的方法。

2) 成（chéng）形（xíng）裝備。

目前金屬零（líng）件3D打（dǎ）印的能量源主要為激光和電子束，激光、電子束具有能量集中、加（jiā）熱效（xiào）率高、成形材料廣泛的特點。然而，目前的（de）激光、電子束技術自身並不是十分成熟，且存在設備昂貴、複雜等缺點，增加了打印（yìn）成本（běn），限製了金（jīn）屬零（líng）件3D打印的普及。此外，大型複雜金屬（shǔ）零件（jiàn）3D打印（yìn）需要解決更多的技術（shù）問題（tí），對成形（xíng）裝（zhuāng）備及其（qí）穩定性提出更高的要求，如高匯聚光（guāng）-粉耦合（hé）打印頭、大型真空鋪粉係統以及大跨度（dù）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。大型複雜金屬零件3D打印成形過程中，分層處理（lǐ）、掃描路（lù）徑和策略顯得尤為重（chóng）要（yào），科學的路徑規劃能夠很大程度上減緩沉積材料的熱應力累積。具有尖端和大（dà）曲率（lǜ）等複雜結構的（de）金屬零件，在尖端和大曲率位置處存在沉積（jī）層形貌（mào）尺寸偏（piān）差，可以通過（guò）製（zhì）定合理（lǐ）的掃描策略進行控製；然而，目前切片和路徑規劃（huá）軟件隻能進行簡單的設計，不能（néng）根（gēn）據零件結構及成形工藝特性進行掃描策略的局部調整。此外，3D打印過程質量參數（shù）的特征（zhēng）辨識與智（zhì）能處理技術還不夠成熟，不（bú）能實現成形過程工藝參數的自適應控製。

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3.2  研（yán）究（jiū）方向

1) 成形質量及（jí）變（biàn）形開裂控製。

成形件的內部缺陷及組織特征決定其性能，如何（hé）獲得性能優異，實現內部缺（quē）陷、組織性能和（hé）工藝條件的一體化控製是大型複雜金屬零件（jiàn）3D打印（yìn）一個重要研究方（fāng）向。另外，變（biàn）形開裂是（shì）大型複雜金屬零（líng）件（jiàn）3D打印成形的常見和（hé）致命問題，亟待深入分析不同外形結（jié）構、熱力（lì）環境條件下，金屬粉末非平衡（héng）凝固過程的內應（yīng）力演化規律，並製定相應的預防控製方案。

2) 過程監測係統（tǒng）及智能控製（zhì）軟件開發。

大型複雜金屬零件3D打印過程的時間（jiān）長、路徑複（fù）雜多變、不可預見情況較多，導致成形質量及穩定性較低。開發3D打印過程的（de）溫度場、外貌尺寸以及變形開裂等問題的實（shí）時監（jiān）測（cè）係統，並研製融合分層處理、路徑規劃及工藝技術的自適應功能的成形（xíng）控製軟件，對於提高成形質量、穩定性和安全性至關重要。

3) 後處理工藝技術開發。

大型複雜金屬零件3D打印，由於金屬粉末的快速加熱-冷卻以及成形機理、工藝參數複雜，成形零件在尺（chǐ）寸精度、內部缺陷、組織性能（néng）等方麵難以同時達到應用指標；因此，應加強對成（chéng）形零件的後處理工藝技術製定和開（kāi）發研究，提高性能、節（jiē）約資源、降（jiàng）低成本。

 

4  結束語

 

金屬3D打印技術（shù）廣泛應用於航空、航天、石化（huà）、船舶等工業裝備領域，具有無需大型裝備、模具，材料利（lì）用率高，製（zhì）造周期短、成本低，零件性能優異等（děng）突出優點。目前，針對大型複雜（zá）金屬零件3D打（dǎ）印技術，國內外已開（kāi）展了大量的研究工作，取得了廣泛的（de）應用成果；然而，分層處理、掃描路徑和策略技術不（bú）成熟，成形過程不穩（wěn）定，存在變形開裂、內（nèi）部缺陷等問題，製約了大型（xíng）複雜金屬零件3D打印技術的工程應用。大型複雜（zá）金屬零件3D打印（yìn）技術還需在變形開裂和內部缺（quē）陷預防、分層（céng）處理（lǐ）和路徑規劃等方麵開展大量研究工作。