航空工業在上個世紀80年代就開始使用增材（cái）製造技術，之前增材製造在航空製造業隻扮演了做快（kuài）速原（yuán）型的小角色。最近的發展趨勢是，這（zhè）一技術將在整個航空航天產（chǎn）業（yè）鏈占據戰略性的地位。 包括波（bō）音、空客、Lockheed Martin, 霍尼韋爾以及普惠都做出了表率行動。

 

新（xīn）一代飛行器不斷向高性能、高可靠性、長壽（shòu）命、低成本方向發展，越來（lái）越（yuè）多（duō）地采用整體結構，零件趨向複雜化、大型化，從而推動了（le）增材製造技術的（de）發展與應用。增材製造技術從零件的三維CAD 模型出發，無需模具，直接製造零件，可以大大降低（dī）成本，縮（suō）短研製周期，是滿足現代飛行（háng）器快速低成本研製的重（chóng）要手段，同時也是滿足航空航天超規格、複雜金屬結構製造的關（guān）鍵技術之一。

 

電子束熔絲沉積成形（xíng）

 

電子束熔絲沉積技術又稱為（wéi）電子束自由成形製造技術(Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3)。在真空環境中，高能量密度的電子束轟（hōng）擊金屬表麵（miàn）形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置送入熔池並熔化，同時熔池按照預先規劃的路徑運動，金屬材料逐層凝固堆積，形成致密的冶金結合，直至製造出金屬零件或毛坯。

 

電子束熔絲沉積快速成形技術具有一些（xiē）獨特的優點（diǎn），主（zhǔ）要表現在以下幾個方麵：

 

(1)沉積效率高。電子束可以（yǐ）很容易（yì）實現數10kW 大功率輸出，可以（yǐ）在較高功率下（xià）達到很高的沉積速率(15kg/h)，對於大型金屬結構的成形，電子束熔絲沉積成形（xíng）速度優勢十分明顯。

 

(2)真空環境有利於零件的保護。電子束熔絲沉積成形在10-3Pa真空壞（huài）境中進行，能有效避免（miǎn）空氣中有害雜質（zhì）(氧、氮、氫等)在高溫狀態下混入金屬零件，非常適合鈦、鋁等活性金（jīn）屬的（de）加工（gōng）。

 

(3)內部質量好。電子束是“體（tǐ）”熱源，熔池相對較深（shēn），能（néng）夠消（xiāo）除層間未熔合現象;同時，利用電（diàn）子束掃描對熔池進行旋轉攪拌，可以明顯減少氣孔等缺陷。電子束熔（róng）絲沉積成形的鈦合金零件，其超聲波探傷內部質量可以達到AA 級。

 

(4)可實現多（duō）功能加工。電子束輸出功率可在較寬的範圍內調整，並可（kě）通過電磁場實現對束流（liú）運動方式及聚焦的靈活控製，可實現高頻（pín）率複雜掃（sǎo）描運動。利用麵掃描技術，能夠實（shí）現大麵積預熱及緩冷，利用多束流分束加（jiā）工技（jì）術，可以（yǐ）實現多束流同時工作，在同一台設備上，既可（kě）以實現熔（róng）絲沉積成形，也可（kě）以實現深熔焊接。利用電子束的（de）多功能加（jiā）工（gōng）技術，可以根據零件的結構形式以及使役性能要求，采（cǎi）取多種加工技術組合，實現多種工藝協同優（yōu）化（huà）設計製（zhì）造，以實（shí）現成本效益的最優化。

 

 

 

美（měi）國麻省理工學院的V.R.Dave等人最早（zǎo）提出該技術並試製了Inconel 718 合金渦輪盤。2002年，美國航空航天局(NASA)蘭利研究中心的K.M. Taminger 等人提出了（le）EBF3 技術，重點開（kāi）展了微重力條件下的成形技術研究（jiū）。同（tóng）一時期，在海（hǎi）軍、空（kōng）軍、國防部等機構支（zhī）持下，美國Sciaky 公司聯合Lockheed Martin、Boeing 公司等也（yě）在同時期合作開展了研究，主要致力於大型航空金屬零件的製造。成形鈦合金時，最大成形速度可達18kg/h，力學（xué）性能滿足AMS4999 標準要求。Lockheed Martin 公司選定（dìng）了F-35 飛機的襟副（fù）翼梁準備用電子束熔絲沉積成形代替鍛造，預（yù）期零件成本降低30%~60%。據報道，裝有電子束熔絲沉積成形鈦合金零件的F-35 飛機已於（yú）2013 年初試飛。2007 年美國CTC公司領導了一個綜合小組，針（zhēn）對海（hǎi）軍無人戰鬥機計劃，製定了“無（wú）人戰機金屬製造技術提升計劃”(N-UCASMetallic Manufacturing Technology Transition Program)，選（xuǎn）定電子束熔絲沉積成（chéng）形技術作為未來大型結構低成（chéng）本高效（xiào）製造的方案。目標是將無人機金屬結構（gòu）的重量和成（chéng）本降低35%。

 

 

 

 

 

中航工業北（běi）京航空製造工程研究所於2006年開始電子束熔絲沉積成形技術研究工作，開發了電子束熔絲沉積成形設備。開發的最大的電子束成形設備真空室46m3，有效加工範（fàn）圍1.5m×0.8m×3m，5 軸聯動，雙通道送絲。在此基礎上，研究了TC4、TA15、TC11、TC18、TC21 等鈦合金以及A100超高強度鋼的力學性能（néng），研製了大（dà）量鈦合金零件和試驗件。2012 年（nián），采（cǎi）用電（diàn）子束熔絲成形製造（zào）的鈦合金零件在國內飛機結構上率先實現了裝（zhuāng）機應用。

 

 

 

 

 

激光直接沉積（jī）增材成（chéng）形

 

激光直接沉積技術（shù）是在快速原型技術和激光熔覆技術的（de）基礎上發展起來的一種先進製造技術。該技術是基於離散/ 堆積原理，通過對（duì）零件的三維CAD 模型進行分層處理，獲得各層截麵的二維輪廓信息（xī）並生成加工路（lù）徑，在惰性氣體保護環（huán）境（jìng）中，以高能量（liàng）密度的激光作為熱（rè）源，按照預定的（de）加工路徑，將同步送進的粉末或絲材逐層熔化堆積，從而實現（xiàn）金屬零件的直接製造與修複。

 

 

 

激光直接沉積技術（shù）的特點如下：(1)無需模（mó）具;(2)適於難加工（gōng）金屬（shǔ）材料製備;(3)精（jīng）度較高，可實現複雜零件近淨成形;(4)內部組織細小均勻，力學性能優異;(5)可製備梯度材料;(6)可實現（xiàn）損傷零件的快速修複;(7)加工（gōng）柔性高（gāo），能夠實（shí）現多品種、變批量零件（jiàn）製造的快速轉換。

 

在我國，西安鉑力特的（de）LSF設備就是這類技術的代表。除此之外，典型企業還有美國的（de）OPTOMEC公（gōng）司（sī），法國BeAM公司，德國通快以及專為CNC機床公司提供增材製造（zào）包的HYBRID公司。

 

激光（guāng）直（zhí）接沉積技術（shù）是20世紀90 年代首先從美國發展起來的。1995 年，美國Sandia 國家（jiā）實驗室開發出了直（zhí）接由激光束逐層熔（róng）化金屬粉末來製造致密金屬零件的快速近（jìn）淨成形技術。此後，Sandia 國家實驗（yàn）室利（lì）用LENS 技術針對鎳基高溫合金、鈦合（hé）金、奧（ào）氏（shì）體不（bú）鏽鋼、工具鋼、鎢等多種金屬材料開展了大量的成形工藝研究。1997 年，Optomec Design 公司獲得了LENS 技術的商（shāng）用化許可，推出了激光直（zhí）接沉積成套裝備。1995 年，美國國防部高級研究計劃署和海軍研究所聯合（hé）出資（zī），由約翰霍普（pǔ）金斯大學、賓州州立大（dà）學和MTS 公司共同開發一項名為“鈦合金的柔性製造技術”的（de）項目，目標是利用大功率CO2 激（jī）光器實現大尺寸鈦（tài）合金零（líng）件的製造。基於這一項目的研究成果，1997 年MTS 公司出資與約翰霍普金斯大學、賓州州立大學合作成立（lì）了AeroMet 公司。為（wéi）了提（tí）高沉積效率並生產大型鈦合金零件，AeroMet 公司采用14~18kW 大功率CO2 激光器和3.0m×3.0m×1.2m大型加工艙（cāng）室，Ti-6Al-4V合金的沉積速率達1~2kg/h。AeroMet 公司（sī）獲得了美國軍方及三大美國（guó）軍機製造商波音（yīn）、洛克希德·馬丁、格魯曼公司（sī）的資助，開展（zhǎn）了飛機機身鈦合金結（jié）構件的激光（guāng）直接沉積技術研究（jiū），先後完成了激光直接沉積鈦合金結（jié）構（gòu）件的（de）性能考核和技術標準製定，並於2002 年在世界上率先實現激光直接沉積Ti-6Al-4V 鈦合金次承（chéng）力構件在F/A-18 等飛機（jī）上的（de）裝機應用。

 

自“十（shí）五”開（kāi）始，在國家自然科（kē）學基金委（wěi）員（yuán）會（huì）、國家863 計劃、國家973 計劃、總裝預研計劃等（děng）國（guó）家主要科技研究計劃資助下（xià），北京航空航天大學、西北工業大學、中航工業北（běi）京航空製造工（gōng）程研究所等國內多個研究機構開展了激光直接沉積工（gōng）藝研究、力學性能控製、成套裝備研發及工程應用關鍵技術攻關，並（bìng）取得了較大進（jìn）展。

 

C919大客翼身組合體大部段中（zhōng）的關（guān）鍵零部件鈦合（hé）金上、下翼（yì）緣條是由西安鉑力特激光成形技術有（yǒu）限公司使用（yòng）金屬增材製造技術（shù）(3D打印)所製造，上、下翼緣條中最大尺寸3070mm，最大（dà）重量196kg的（de）左上緣條，僅用25天（tiān）即完成交付，大大縮短了航空關鍵零部件的研發周期，實現了航空核心製造技（jì）術上一次新的突破。

 

電子束選區熔化成形

 

電子束選區熔化技術是指電子（zǐ）束在偏轉線圈驅動下按預先規劃的路徑掃描，熔化預（yù）先鋪放的（de）金屬粉末;完成一個層麵的掃描後，工作艙下降一層（céng）高度（dù），鋪粉器重新鋪放一層粉末，如此反複進行，層層堆積，直到製（zhì）造出（chū）需要的金屬零件，整個加工過程均處於10-2Pa 以上的（de）真空環（huán）境中，能有效避免空氣中有害雜質的影響。

 

電子束選區熔化技術特點如下：

 

(1)真空工作環境，能避免空氣中雜（zá）質混入材料。

 

(2)電子束掃描控製依靠電（diàn）磁（cí）場，無（wú）機械運動，可靠性高，控製靈活，反應速度（dù）快（kuài）。

 

(3)成（chéng）形速度快，可達60cm3/h，是激光選區熔化的數倍。

 

(4)可（kě）利用（yòng）電子束掃描、束流參數實時調節控製零件表麵溫度，減少缺陷與變（biàn）形。

 

(5)良好的控溫性能使其能夠加工TiAl 等（děng）金屬間化合物（wù）材料。

 

(6)尺寸（cùn）精度可達±0.1mm，表麵粗糙度約在R a15~50 之間，基（jī）本近淨成形。

 

(7)真空環境下成形，無需消耗保護氣體，僅消耗電能及不多的陰極（jí）材料，且未熔化的金屬粉末可循環使用，因此可降（jiàng）低（dī）生產成本。

 

(8)可加（jiā）工鈦合金、銅合金、鈷基合金、鎳基合金、鋼等材料（liào）。

 

電子束選區熔化技術源於20世紀90 年代初期的瑞典（diǎn），瑞典Chalmers 工業大學與Arcam 公司合作開發了電子束選（xuǎn）區熔化快速成形(Electron BeamMelting，EBM)技術，並（bìng）以CAD-to-Metal 申請了專利。2003 年，Arcam 公司獨立開發了EBM設備。目前以製造EBM 設備為主，產品已成係列，兼顧成形技術開發。美國、日本、英國、德（dé）國、意大利等許多研究（jiū）機構、工廠、大學從該公司購置了EBM 設備，在（zài）航空、航天、醫療（liáo）、汽車、藝術造型等不同領域開展研究，其中，生物醫學植入物方麵的研究較為成熟。近年來，在航空航天領（lǐng）域的應用也迅速興起，美國波音公司（sī）、Synergeering group 公司、CalRAM 公司、意大利Avio 公司等針對火箭發動機噴管、承力支座、起落架零（líng）件、發（fā）動機葉片等開（kāi）展了大量研究，有的已批量應用，材料主要銅合金（jīn）、Ti6Al4V、TiAl 合金等。由於材料對電子束能量的吸收率（lǜ）高且穩定，因此，電子束選區（qū）熔化技術可以加工一些特殊合金材料。

 

電子束選區熔化技術可用於航空發動機（jī）或導彈用小（xiǎo）型發動機多聯葉片、整體葉盤、機（jī）匣、增壓渦輪、散熱器、飛行（háng）器筋板結構、支座、吊耳、框梁、起落架結（jié）構（gòu）的製造，其共同特（tè）點是結構複（fù）雜，用傳統方法加工（gōng）困難，甚至無法加（jiā）工。其局限在於隻能（néng）加工小（xiǎo）型零件。目前世界（jiè）上最大的電子束選區熔化設備是Arcam 公司的A2XX 型設備有效加工範圍為φ 350mm×380mm。

 

清華大學在國內較早開展了（le）相關研究，並開發了裝備。近年來，西北有色金屬研究總院、中科院金屬研究所、北京航空航天大學、北京艾康儀誠等單位利用（yòng）Arcam 公（gōng）司生產的設備開展（zhǎn）了研究，涉及多孔（kǒng）材料、醫學應用等領域。自2007 年（nián）以來，在（zài）航空支撐及國防預研基金等項目支持下，中航工業（yè）北京航空製造工程研究（jiū）所針對航空應用開展了鈦合金（jīn）、TiAl 合金的（de）研究。開發了電子束精確掃描技（jì）術、精密鋪粉技術、數據（jù）處理軟件等裝備核心技（jì）術。針對飛行器結構輕量化需求，重點研究了鈦合金的力學性能及空間點陣結構（gòu）的承載性能和變形失效行為，目前正（zhèng）進行飛機複雜鈦合（hé）金接頭及（jí）TiAl 葉片的電（diàn）子束選區熔化製造技術研究，

 

激光選區（qū）熔化增（zēng）材（cái）成形技術

 

激光選區熔化成形技術原理與（yǔ）電子（zǐ）束選區熔化技術類似，通過把零件3D 模型沿（yán）一定方向離散（sàn）成一係列有序的微米量級薄（báo）層，以激光為熱源，逐層熔化金屬粉末，直接製造零件。利用該技術可以製造出傳統（tǒng）方法無法加（jiā）工的任意形狀的複雜結構，如輕質點陣夾芯（xīn）結（jié）構、空（kōng）間曲麵多孔（kǒng）結構、複雜型腔流道結構等。在航空、航天領（lǐng）域，可用於製造火箭發動機燃料噴嘴、航空發動機超冷葉片、小型發（fā）動機整體葉輪、輕質接頭等，同時還可用於（yú）船舶、兵器、核能、電子器件、醫學植入等各個（gè）領域，具（jù）有廣泛的應用前景。相較於電子束（shù）選區熔化技術，激（jī）光選區熔（róng）化由於所使（shǐ）用的粉末尺寸小，因此具有很高的尺寸精度和表麵質量。

 

激光選區熔化增（zēng）材（cái）成形（xíng）技術由（yóu）激光選區燒結技術發展而來。20 世（shì）紀80 年代以來，經曆了低熔點非金屬（shǔ）粉末燒結、低熔點包覆高熔（róng）點（diǎn）金（jīn）屬（shǔ）粉末燒結、高熔點金屬粉末（mò）直接（jiē）熔（róng）化成形等階段。激光選區燒結成形主要用於蠟模（mó）、砂模等製造，為精密鑄造提供模型。這種原型表麵粗糙，疏鬆多孔，還需要經過高溫重熔或滲金屬填（tián）補孔隙等（děng）以後才能使用。隨著（zhe）激光技術的發展以及高亮度（dù）光纖激光器出現，國內外金（jīn）屬激光選區熔化增材成形技術發展突飛猛進。近幾年來，英（yīng）國、德國、法國（guó）、美國、瑞典等國外發達國家（jiā）先後開GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4 等合金金屬複雜結構的激光選區熔化增成形（xíng）設備，並開展應用基（jī）礎研究。國外著（zhe）名R-R、GE、P&W、MTU、Boeing、EADS、Airbus 等航空航天武器裝備已利用此技術開發（fā）商業（yè）化的金屬零部（bù）件。