航空装备电子束增材制造技术发展及路线图_张国栋.pdf

航空装备电子束增材制造技术发展及路线图张国栋*,许乔郅,郑涛,郭绍庆,熊华平（中国航发北京航空材料研究院3D 打印研究与工程技术中心,北京100095）摘要：增材制造技术在航空装备领域具有广泛的发展前景。作为重要的金属增材制造工艺方法，电子束增材制造正处于快速发展阶段。电子束熔丝增材制造技术可满足航空大尺寸结构件的快速低成本制造，并可用于高价值零件的修复。电子束选区熔化增材制造技术在复杂结构以及难熔合金制件的制造方面具有显著优势。本文在对国内外电子束增材制造技术现状和发展趋势分析的基础上，从发展需求、目标、共性关键技术、应用、战略支撑与保障 5 个方面综合分析，绘制了面向 2035 年的航空装备电子束增材制造技术路线图，以期为航空装备电子束增材制造技术发展提供参考。关键词：航空装备；电子束增材制造；发展现状；技术路线图doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000209中图分类号：TG441文献标识码：A文章编号：1005-5053(2023)01-0028-11Technology development and roadmap of electron beam additivemanufacturing for aviation equipmentsZHANGGuodong*,XUQiaozhi,ZHENGTao,GUOShaoqing,XIONGHuaping（3DPrintingResearchandEngineeringTechnologyCenter,AECCBeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China）Abstract:Additive manufacturing technology has a broad development prospect in the field of aviation equipments.As animportantmetaladditivemanufacturingprocess,theelectronbeamadditivemanufacturingisinarapiddevelopmentstage.Thewire-feedelectronbeamadditivemanufacturingcanmeettherequirementsofrapidandlow-costmanufacturingofaviationlargesizestructuralpartsandcanbeusedtorepairhigh-valuedamagedparts.Electronbeamselectivemeltinghasobviousadvantagesinthemanufacturingofcomplexstructuresandrefractoryalloyparts.Basedontheanalysisofthestate-of-artsoftheelectronbeamadditivemanufacturingtechnology,theroadmapoftheelectronbeamadditivemanufacturingforaviationequipmentsin2035iscomprehensively analyzed and drawn from the five aspects of development needs,objectives,common key technologies,applications,strategic support and guarantee in order to provide reference for the development of the electron beam additivemanufacturingtechnologyofaviationequipments.In2035,aperfectadditivemanufacturingstandardsystemistobebuilt;andelectron beam additive manufactured key load bearing components for airplane and aeroengine realize mass production andapplication.Key words:aviationequipments；electronbeamadditivemanufacturing；developmentstatus；technologyroadmap增材制造（additivemanufacturing，AM）技术被认为是制造技术的一次革命性突破1。与传统制造技术相比，增材制造技术能够实现复杂零件的无模具快速成形，加工余量小，材料利用率高等特点，在航空装备领域具有广泛的应用前景2-3。按照所采用的热源种类不同，增材制造技术主要分为激光增材制造、电子束增材制造以及电弧增材制造。按照所用原材料和成型方式的不同，电子束增材制造分为基于丝材的电子束熔丝增材制造技术和基于预置粉末的电子束选区熔化增材制造技术。电子束熔丝增材制造技术是在真空环境中，用高能量密度的电子束轰击金属表面形成熔池，送2023年第43卷航空材料学报2023，Vol.43第1期第2838页JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSNo.1pp.2838丝装置将金属丝材送入熔池并熔化，同时熔池按照预先规划的路径运动，金属凝固、逐线、逐层堆积，形成致密的冶金结合，直接制造出金属零件或毛坯（图 1（a）。电子束熔丝增材制造具有成形效率高、真空环境材料冶金质量优、丝材成本低、可制造大尺寸结构件等特点4。此外，作为定向能量沉积工艺方法的一种，电子束熔丝增材制造技术也可用于零件的修复。电子束选区熔化增材制造技术是利用计算机把零件的三维模型进行分层处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生成成形路径，电子束按照预定的路径进行二维图形的扫描预热及熔化，熔化预先铺放的金属粉末，逐层堆积，最终实现金属零件的近净成形（图 1（b）。与激光选区熔化增材技术相比，电子束选区熔化增材技术具有真空环境、电子束扫描速度快（103m/s）、成形效率高、残余应力小等优点。电子束选区熔化工艺可实现高温预热，使其非常适合室温低塑性材料（如钛铝金属间化合物）的快速成形制造5-6。为了更好地把握电子束增材制造的发展现状和趋势，提前做好航空领域电子束增材制造技术发展的战略布局，推进电子束增材制造在航空领域的发展与应用，本文针对电子束熔丝及电子束选区熔化增材制造技术，开展文献、资料、信息的搜集、整理、分析。在对电子束增材制造现状和发展趋势分析的基础上，提出 2035 年航空装备增材制造技术发展目标和相应的政策和环境支撑、保障需求，并尝试给出面向 2035 年的技术发展路线图。(a)(b)Electron beam gunElectron beamNozzlePowderhopperRakeElectronbeamBuild partSubstrateWireDeposited material图1电子束增材制造原理示意图（a）熔丝；（b）选区熔化Fig.1Schematicdiagramofelectronbeamadditivemanufacturing（a）wire-feed；（b）electronbeamselectivemelting1国内外电子束增材制造技术发展现状 1.1 国外电子束增材制造技术发展现状1.1.1电子束熔丝增材制造技术（1）工艺研究电子束熔丝增材制造技术于 2002 年首先由NASA兰利研究中心提出。美国航空航天局、洛克希德马丁公司、波音公司、空客公司、美国焊接学会、麻省理工学院等多个研究机构、大学及防务集团正在积极推进相关技术的研究和应用。目前电子束熔丝增材制造技术涉及的材料主要有高温合金、不锈钢、钛合金及铝合金。美国航空航天局兰利研究中心针对电子束熔丝增材制造 IN718 高温合金的研究发现7：沉积态组织具有强的织构，晶向与沉积方向近似平行；热处理后，发生了再结晶现象，晶粒尺寸趋于均匀，形成近似等轴晶形貌，织构明显减弱。与此同时，热处理后力学性能的各向异性减弱，且抗拉强度、屈服强度及 L 向弹性模量明显提高。美国麻省理工学院 MATZ和 EAGAR 在美国海军研究部的资助下，评估了采用电子束熔丝增材制造技术制造涡轮盘的可行性。结果表明：采用该技术制造的部件碳化物尺寸在 300600nm 之间，而传统电弧熔炼的铸锭中碳化物尺寸可达 40m，认为电子束熔丝增材制造工艺是细化碳化物尺寸及分布的潜在方法8。加拿大科学院航空研究中心采用 347 不锈钢丝材在 1mm厚的 321 不锈钢薄板端部开展了电子束熔丝增材修复工艺实验，获得了无缺陷的修复试样且修复区性能与基体相当9。针对电子束熔丝增材修复的Ti6Al4V 钛合金模拟叶片 CT 检测结果发现：内部致密且无缺陷显示。增材制造 Ti6Al4V 部件拉伸性能满足铸造和增材标准要求，与变形 Ti6Al4V 钛合金材料标准要求相当。电子束熔丝增材 Ti6Al4V 具有优良的断后伸长率，达到 12%以上10。作为电子束熔丝增材制造工艺和工程化应用第1期航空装备电子束增材制造技术发展及路线图29研究的代表性单位，美国洛克希德马丁公司对钛合金增材制造工艺开展了大量研究。针对 Ti-6Al-4V 钛合金增材制造过程中 Al 元素的烧损问题，该公司研究了 5 种不同 Al 含量的 Ti-6Al-4V 合金丝以及 2 种熔丝沉积效率下的 Al 元素烧损行为11。结果表明：沉积效率为 3.2kg/h 的 Al 元素损失量大于沉积效率 6.8kg/h 的损失量；2 种沉积效率及5 种成分丝的 Al 元素烧损比例在 11%15%之间；Al 元素的损失量与熔池尺寸、温度及结构轮廓有关。美国空军实验室研究了在取向的单晶Ti-6Al-4V 合金基板上电子束熔丝增材制造 Ti-6Al-4V 的晶粒外延生长行为12，结果表明：随着沉积高度增加，外延生长的晶粒被方向生长的柱状晶逐渐消耗替代，如图 2 所示。美国科罗拉多矿冶学院针对电子束熔丝增材过程中合金元素的烧损和晶粒外延生长的问题，制备了调整成分的金属粉芯 Ti-6Al-4V 合金丝材，使用该丝材制备的试块铝含量为 6%。同时，与原始Ti-6Al-4V 合金丝材相比，通过加入 FeB 粉末使得原始 晶粒尺寸从 1450m 减小至 290m，网篮组织的 相宽度从 0.75m 减小至 0.44m13。此外，该学院评价了脉冲电子束对熔丝成形 Ti-6Al-4V 合金原始 晶粒及 相的影响。结果表明：与传统方法相比，脉冲电子束能使柱状晶向等轴晶转变，晶粒尺寸从 1164m 减小至 734m14。“Build”Alpha IPF Map(a)3 mm3 mm211210101110011010001X-Dir.X-Dir.2110ZYZY(b)“Build”Prior Beta IPF Map35图2电子束熔丝增材制造 Ti-6Al-4V 的晶粒 YZ 面 IPF 图（a）相；（b）重构获得的原始 相12Fig.2IPFmapsofYZplaneofTi-6Al-4Vgrainproducedbywire-feedelectronbeamadditivemanufacturing（a）phase；（b）reconstructedprior-phase12针对沉淀强化型 2139 铝合金电子束熔丝增材制造实验发现，Mg 元素烧损了 60%80%。由于Mg 能够促进（Al2Cu）沉淀相的形成，Mg 烧损使得固溶时效后的成形组织中 相少于基体。通过补偿丝材中 Mg 元素含量，获得了与基体相似的 相数量，力学性能与基体相当15。（2）工艺设备在 电 子 束 熔 丝 增 材 制 造 设 备 方 面，美 国NA