航空装备激光增材制造技术发展及路线图_王天元.pdf

航空装备激光增材制造技术发展及路线图王天元1,2,3,黄帅1,2,3,周标1,2,3,郑涛1,2,3,张国栋1,2,3,郭绍庆1,2,3*（1中国航发北京航空材料研究院,北京100095；2中国航发集团增材制造技术创新中心,北京100095；3北京市航空发动机先进焊接工程技术研究中心,北京100095）摘要：激光增材制造支持结构设计创新、快速研制和验证，是当前航空装备领域最具代表性的增材制造方法，其中激光选区熔化主要应用于复杂精密功能结构的精确近净成形制造，激光直接沉积主要用于大尺寸复杂承载结构的制造。为支撑航空领域增材制造技术发展的战略布局，本文对激光增材制造现状和发展趋势进行梳理，指出增材制造发展重点必然会转向产品的冶金质量、力学性能及其稳定性控制方面，增材制造设备的在线监测、参数自整定控制等智能化功能的研究开发正成为设备的研发热点，基于损伤失效分析、寿命预测研究的增材制件力学行为研究以及基于元件、特征结构的性能考核验证技术，开始引起工程应用部门的关注。在对技术发展趋势分析的基础上，提出 2035 年航空领域激光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，并给出 2035 年技术发展路线图建议。关键词：激光增材制造；金属材料；飞机；航空发动机；发展路线图doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000210中图分类号：TG665文献标识码：A文章编号：1005-5053(2023)01-0001-17Development and roadmap of laser additive manufacturing technology foraviation equipmentWANGTianyuan1,2,3,HUANGShuai1,2,3,ZHOUBiao1,2,3,ZHENGTao1,2,3,ZHANGGuodong1,2,3,GUOShaoqing1,2,3*（1.AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China；2.AECC Innovation Center of AdditiveManufacturingTechnology,Beijing100095,China；3.BeijingResearchCenterofAdvancedWeldingEngineeringTechnologyforAeroengine,Beijing100095,China）Abstract:Asthemostrepresentativeadditivemanufacturingmethodinthefieldofaviationequipmentatpresent,thelaseradditivemanufacturingsupportsthestructuredesigninnovation,rapiddevelopmentandverification.Amongthem,selectivelasermeltingismainlyusedforprecisionnearnetshapemanufacturingofcomplexprecisefunctionalstructures,andlaserdirectmetaldepositionismainlyusedformanufacturinglargeandcomplexload-bearingstructures.Inordertosupportthestrategiclayoutofthedevelopmentofadditivemanufacturingtechnologyintheaviationfield,thispapersortsthecurrentsituationanddevelopmenttrendoflaseradditivemanufacturing,andpointsoutthatthefocusofadditivemanufacturingdevelopmentisboundtoturntothemetallurgicalquality,mechanicalpropertiesandtheirstabilitycontrolofproducts.Theresearchanddevelopmentofintelligentfunctionssuchasonlinemonitoring,parameterself-tuningcontrolofadditivemanufacturingequipmentarebecomingaresearchhotspot.Eithertheresearchonmechanicalbehaviorofadditivepartsbasedondamagefailureanalysisandlifepredictionortheperformanceevaluationandverificationtechnologybasedoncomponentsandcharacteristicstructureshavebeguntoattracttheattentionofengineeringapplication departments.Based on the analysis of the technology development trend,the development goal of laser additivemanufacturingtechnologyintheaviationfieldin2035andthecorrespondingpolicyandenvironmentalsupportandguaranteeneedsareproposed,andthetechnicaldevelopmentroadmapin2035isputforward.In2025-2035,thecontroltechnologyofmicrostructure,2023年第43卷航空材料学报2023，Vol.43第1期第117页JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSNo.1pp.117propertyanddeformationforadditivemanufacturingofordinarymetal,intermetalliccompound,Nb-Siandceramicbasedmaterialistobemadeacomprehensivebreakthrough,theperformanceverificationistobebasicallycompleted,thefunctionalassessmenthasbeenpartiallycompleted,andsomeproductsaretobeenteredmassproduction.Importantload-bearingstructuresofaircraftandrotatingpartsofaeroenginemadebyadditivemanufacturingaretobewidelyused.Key words:laseradditivemanufacturing；metalmaterials；aircraft；aeroengine；developmentroadmap增材制造从三维模型出发实现零件的直接近净成形制造。相比传统的减材制造，增材制造将多维制造变成简单的由下而上的二维叠加，降低了设计与制造的复杂程度。航空装备领域目前涉及的增材制造主要是金属材料增材制造，已发展出激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造三类增材制造技术。激光增材制造是当前航空装备领域最具代表性的增材制造方法，主要包括以粉床铺粉为技术特征的激光选区熔化和以同步送粉为技术特征的激光直接沉积1。激光选区熔化工艺热输入小、成形尺寸精度高，适合制造航空发动机喷嘴、涡流器等复杂结构零件以及拓扑点阵等新型结构；激光直接沉积工艺效率较高、力学性能较好，但制造精度不高，适合制造飞机框梁等重要承力结构。由于国内外对激光增材制造技术非常重视，其技术发展迅速，陆续应用于飞机和航空发动机的制造，并且呈现出快速增长的趋势2-3。为了更好地把握增材制造的发展现状和趋势，提前做好航空领域增材制造技术发展的战略布局，推进增材制造在航空领域的发展与应用，本文针对激光增材制造最近几年的发展，开展文献、资料、信息的搜集、整理、分析。在对增材制造现状和发展趋势分析的基础上，提出 2035 年航空领域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 2035 年技术发展路线图建议。1 激光增材制造的工艺原理及特点激光选区熔化（SLM）基于分层叠加制造原理，利用高能量激光束逐层熔化金属粉末成形复杂结构金属零件4。图 1 为激光选区熔化示意图。SLM在已有的 3D 模型切片数据的轮廓数据基础上，生成填充扫描路径，设备按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。Scanning systemLaser beamProtective glassesShielding gasShielding gasPowder spreading systemBuild chamberPowder feeding systemSLM partsLoose powderSubstratePiston图1激光选区熔化（SLM）示意图Fig.1Schematicdiagramofselectivelasermelting（SLM）激光选区熔化技术具有以下特点：（1）成形原料一般为一种金属粉末，主要包括不锈钢、镍基高温合金、钛合金、钴-铬合金、铝合金以及贵重金属等；（2）采用细微聚焦光斑的激光束成形金属零件，成形的零件精度较高，表面稍经打磨、喷砂等简单后处理即可达到使用精度要求；（3）成形零件的力学性能较好，一般拉伸性能可超铸件，达到锻件水平；（4）高向沉积速度较慢，导致成形效率较低，零件尺寸会受到铺粉工作箱的限制，不适合制造大型的整体零件。激光选区熔化的局限性主要表现在：（1）由于激光器功率和扫描振镜偏转角度的限制，设备能够2航空材料学报第43卷成形的零件尺寸范围有限，目前整体制造 800mm以上尺寸零件的设备不够成熟；（2）加工过程中，容易出现翘曲，还容易因粉末熔化后不能均匀地铺展于前一层发生球化现象；（3）成形体结构密度控制效果不好，难以承受高载荷的结构效应。激光直接沉积工艺如图 2 所示。激光从熔覆头顶部沿轴线方向向下射出，经聚焦镜汇聚在粉末聚焦点附近，将同步出射的粉末熔化；同时，熔覆头或工作台按每层图形的扫描轨迹移动，熔化的金属液就在基体或上一层凝固层基础上完成一层实体的成形；计算机继续调入下一层图形扫描数据，重复上述动作，如此逐层堆积，最终成形出一个具有完全冶金结合的金属零件4。激光直接沉积技术具有以下特点：（1）无需模具，可实现复杂结构的制造，但悬臂结构需要添加相应的支撑结构；（2）成形尺寸受限制小，可实现大尺寸零件的制造；（3）可实现不同材料的混合加工与梯度材料制造；（4）可对损伤零件实现快速修复；（5）成形组织均匀，具有良好的力学性能，可实现定向组织的制造。激光直接沉积技术的局限性主要表现为：（1）成形时热应力较大；（2）成形精度不高；（3）所得金属零件尺寸精度和表面粗糙度都较差，需较多的机械加工后处理才能使用。目前激光选区熔化主要应用于小尺寸或中等尺寸复杂精密结构的精确近净成形增材制造，结构的功能属性一般大于承载属性。激光直接沉积主要用于中等或大尺寸复杂承力结构的增材制造，结构的承载属性一般大于功能属性。2国外激光增材制造技术发展现状和趋势 2.1 工艺研究2.1.1激光选区熔化激光选区熔化对粉体材料的要求为：尺寸在1560m 的金属颗粒群，并尽可能同时满足纯度高、少或无空心、卫星粉少、粒