航（háng）空工（gōng）業在上（shàng）個世（shì）紀（jì）80年代就開（kāi）始使用增材（cái）製（zhì）造技術，之（zhī）前增材製造在航空製造業隻扮演了（le）做快速原型的小角色（sè）。最近的發展趨勢是，這一技術將在（zài）整個航空航天產（chǎn）業鏈占據（jù）戰略（luè）性的地（dì）位。 包括波音、空客、Lockheed Martin, 霍尼韋爾以及（jí）普惠都做出了表率（lǜ）行動（dòng）。

 

新一代飛行（háng）器不斷（duàn）向高性能、高可靠性、長壽命、低成本方向發展，越（yuè）來越多（duō）地采用整體結構，零件趨向複雜化、大型化，從而推動了增材製（zhì）造技（jì）術的發展與應用（yòng）。增材（cái）製造技術從零件（jiàn）的三維CAD 模型出發，無需模具，直接製造零件，可以大大降低成本，縮短（duǎn）研製周期，是滿足現代飛行器快速低成本研製的重要手段，同時也是滿足航空航天（tiān）超規格、複雜金屬結構製造的關鍵技術之（zhī）一。

 

電子束熔絲沉積成形

 

電子束熔（róng）絲沉積技術又稱為電子束自由成形製（zhì）造技（jì）術(Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3)。在真空環境中，高能量密（mì）度的電子束轟擊金屬表（biǎo）麵（miàn）形成熔池，金屬絲材通過送絲（sī）裝置送入熔（róng）池並熔化，同時熔池按照預先規劃的路徑運動（dòng），金屬（shǔ）材（cái）料逐（zhú）層凝固堆積，形成致密的冶金結合，直至製造出金屬零件（jiàn）或（huò）毛坯。

 

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

 

(1)沉（chén）積效率高（gāo）。電（diàn）子束可以很容易實現數10kW 大功率輸出，可以在較高功率下達到很高的沉積（jī）速率(15kg/h)，對於大（dà）型金屬結構的成（chéng）形，電（diàn）子束熔絲沉積成形速度優勢十分明顯。

 

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

 

(3)內部質量好。電子（zǐ）束是“體”熱源，熔池（chí）相對（duì）較（jiào）深，能夠消除層間未熔合現象;同時，利用電子束掃描對熔池進行旋（xuán）轉攪拌，可以明顯減少氣孔等缺陷。電子束熔絲沉積成形的（de）鈦合金零件，其超聲波探傷內部（bù）質量（liàng）可以達到AA 級。

 

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

 

 

 

美國麻省理（lǐ）工學院的（de）V.R.Dave等人最早提出該技術（shù）並試製了（le）Inconel 718 合（hé）金渦輪盤。2002年，美國航空航（háng）天局(NASA)蘭利（lì）研究中心的K.M. Taminger 等人提出了EBF3 技術，重點開展了（le）微重力條（tiáo）件下的成形（xíng）技術研究。同一時期，在海軍、空軍、國防部等機（jī）構支持下，美國Sciaky 公司聯合Lockheed Martin、Boeing 公司等也在（zài）同時期（qī）合作開展了研究，主要致力於大型航（háng）空金屬零件的（de）製造。成形鈦合金時（shí），最大成形速度可達18kg/h，力學性（xìng）能滿足（zú）AMS4999 標準要求。Lockheed Martin 公司選定了F-35 飛機的襟副翼（yì）梁準備用電子束熔絲沉積成形代替鍛造，預期零件成本降低30%~60%。據報道，裝有電子束熔絲沉（chén）積成形鈦合金零件的F-35 飛（fēi）機已於2013 年初試飛。2007 年美國CTC公司領導了一個綜合小組，針（zhēn）對海軍無人戰鬥機計劃，製（zhì）定了“無人戰機金屬製造技術提升計劃（huá）”(N-UCASMetallic Manufacturing Technology Transition Program)，選定電子束熔絲沉積成形技術作為未來（lái）大型結構低成本高效製造的方（fāng）案。目標是將無人機金屬結構的重量和成本降低35%。

 

 

 

 

 

中航工業北京航空製造工程研究所於2006年開始電子束熔絲沉積成（chéng）形技術研究工作，開發了電子束熔絲沉積成形設（shè）備。開發的最大的電子束成形設備真空室46m3，有效（xiào）加工範圍1.5m×0.8m×3m，5 軸聯動，雙通道送絲。在此基礎（chǔ）上，研究了TC4、TA15、TC11、TC18、TC21 等鈦合金以及A100超（chāo）高強度鋼的力學性能，研製了大量鈦合（hé）金零件和試驗件。2012 年（nián），采用電（diàn）子束（shù）熔絲成形製（zhì）造的鈦（tài）合金零件在國內飛機結構上率先（xiān）實現了裝機應用。

 

 

 

 

 

激光直接沉積增材成形

 

激光直接沉積技術是在快速原型技術和激光熔覆技術的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，通過對零件的三維CAD 模型進行（háng）分層處理（lǐ），獲得各層截麵的二維輪廓信息並生成加工（gōng）路（lù）徑，在惰性氣體保護環境中，以高能量密度的激光（guāng）作為熱源（yuán），按照預定的（de）加工路徑，將同步送進的粉末或絲材逐層（céng）熔化堆積（jī），從而實現金屬零件的直接製（zhì）造與修複（fù）。

 

 

 

激光直接沉積技術的特點如下：(1)無需模具;(2)適於難（nán）加工金屬材料（liào）製備;(3)精度較高，可實現複雜零件近淨成形;(4)內部組織細小均勻，力學性（xìng）能優異;(5)可製備梯度材料;(6)可實現損傷（shāng）零件的快速修複;(7)加工柔（róu）性高，能夠實現多品種、變批量零件（jiàn）製造的快速轉換。

 

在我（wǒ）國，西安鉑力特的LSF設備就是這類技術的代表。除此之外，典型企業還有（yǒu）美國的OPTOMEC公司，法國BeAM公司，德國通快以及專為CNC機（jī）床公司提供增材製造包的HYBRID公司。

 

激光直接沉（chén）積技術是20世紀90 年代首先從美國發展起來的。1995 年，美國Sandia 國（guó）家實驗室（shì）開發出了直接由激光束逐層熔化金屬粉末來製造致密金屬零件的快速近淨（jìng）成形技術。此後，Sandia 國家實驗室利用LENS 技術針對鎳基高溫合金、鈦合（hé）金、奧氏體（tǐ）不鏽鋼、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（sī）獲得了LENS 技術的商用化許可（kě），推出了激光直接沉積成套（tào）裝備。1995 年，美國國防部高級研究計劃署（shǔ）和（hé）海軍研究所聯合出資，由約翰霍普金斯（sī）大學、賓州（zhōu）州立大學和MTS 公司共同開發一項名為“鈦合金的柔性製造技術”的項目，目標是利用大功率CO2 激光器實現（xiàn）大尺寸鈦合金零件的製造。基於這（zhè）一（yī）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（zhōu）州立大學（xué）合作（zuò）成立了AeroMet 公司。為了提高沉（chén）積效率並生產大型（xíng）鈦合金零（líng）件，AeroMet 公司采用14~18kW 大功率CO2 激光器（qì）和3.0m×3.0m×1.2m大型加工艙室，Ti-6Al-4V合金的沉積速率（lǜ）達1~2kg/h。AeroMet 公司獲得了美國軍方及三大美國軍機製造商波音、洛克希德·馬丁、格（gé）魯曼（màn）公司的資（zī）助，開展了飛機（jī）機身鈦合金（jīn）結構件的激光直接沉積技術研究，先後完成了激光直接沉積鈦合金結構件的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 鈦合金次承力構件（jiàn）在F/A-18 等飛（fēi）機上的（de）裝機應用。

 

自“十五”開（kāi）始，在國家自（zì）然科學基金委員會、國（guó）家863 計劃、國家973 計（jì）劃、總裝預研計劃等國家主要科技研究計劃資（zī）助下，北京航空航天大學、西北工業大學、中航（háng）工業北京航空製造工程研究所等國內多個研究機構（gòu）開（kāi）展了激光直接沉積工藝研究、力學性能控製、成（chéng）套裝備研發及工程應用關鍵技術攻關（guān），並取得了較大進展。

 

C919大客翼（yì）身組合體大部段中的關鍵零（líng）部（bù）件鈦合金上、下翼緣條是由西（xī）安鉑力（lì）特激光成形技術（shù）有限公司使用金（jīn）屬（shǔ）增材製造技術(3D打印)所製造，上、下翼緣（yuán）條中最大尺寸3070mm，最大重量196kg的左上（shàng）緣條，僅用25天即（jí）完成交付，大大縮短了航空關鍵零部件的研發（fā）周期，實（shí）現了航空核心製造技術上一次新的突破。

 

電子束選區熔化（huà）成形

 

電子束選區熔化技術（shù）是（shì）指電子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（fàng）的金屬粉末;完成一個層（céng）麵的掃描後，工作艙（cāng）下降一層高度，鋪粉器重新鋪放一層粉末，如此（cǐ）反複進行，層層堆積（jī），直到製造出需要的金屬零件，整個（gè）加（jiā）工過程均處於10-2Pa 以上的真（zhēn）空環境中，能（néng）有效避免（miǎn）空氣中有害雜質（zhì）的影響。

 

電子束選區熔化技術特點如下：

 

(1)真空工作（zuò）環境，能避免空氣（qì）中雜質混入材料。

 

(2)電子束掃描控（kòng）製依靠電磁場，無機械運動，可靠性高，控製靈活，反應速度快。

 

(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（lì）用電子（zǐ）束掃描、束流參數實時調節控製零件表麵溫度，減少缺陷與變形。

 

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

 

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

 

(7)真空環境下成形，無需消耗保護（hù）氣體，僅消耗電能及不多的（de）陰極材料，且未熔化的金屬粉末（mò）可循環（huán）使用，因此可降低生產成（chéng）本。

 

(8)可加工鈦合金、銅合金、鈷基合金、鎳基（jī）合金、鋼等材料。

 

電子束選區熔化技術源於20世紀90 年（nián）代初期的瑞典，瑞典Chalmers 工業大學與Arcam 公司合作開（kāi）發了電子束選區熔化快速成形(Electron BeamMelting，EBM)技術，並以CAD-to-Metal 申請了專利。2003 年，Arcam 公司獨立開發了EBM設備。目（mù）前以製（zhì）造（zào）EBM 設（shè）備為主，產（chǎn）品已成（chéng）係（xì）列，兼（jiān）顧（gù）成形技術開發。美國（guó）、日（rì）本（běn）、英（yīng）國、德國、意大利等許多研究機構、工廠、大學從該公司購（gòu）置了（le）EBM 設備，在航空、航天（tiān）、醫（yī）療、汽（qì）車、藝術造型等不同領（lǐng）域開展研究（jiū），其中，生（shēng）物醫學植入物（wù）方麵（miàn）的研究較為成熟。近年來，在航空航天（tiān）領域的應（yīng）用也（yě）迅（xùn）速興起，美國波音（yīn）公（gōng）司、Synergeering group 公司、CalRAM 公司、意大利Avio 公（gōng）司等針對火箭發動機噴管（guǎn）、承力支座、起落架零件（jiàn）、發（fā）動機（jī）葉（yè）片等開展了大量研究，有的已批量應用，材料主要銅合金、Ti6Al4V、TiAl 合金等。由於材料對（duì）電子（zǐ）束能量的吸收率高且穩定，因此，電子束選區（qū）熔化技術可（kě）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或導彈用小型發動機多聯葉片、整體葉盤、機匣、增壓渦輪、散熱器、飛行器筋板結構、支座、吊耳（ěr）、框梁、起落架結構的製造，其共同特點是（shì）結（jié）構複雜，用傳（chuán）統方法加工困難，甚至無法加（jiā）工。其局（jú）限在於隻能加工小型零（líng）件。目前世界上最大的電子束選區熔化（huà）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相關研究，並開發了裝備。近年來（lái），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（dà）學、北京（jīng）艾康儀誠等單位利用Arcam 公司生產的設備開展了研究，涉（shè）及多孔材（cái）料（liào）、醫（yī）學應用等領域。自2007 年以來，在航空支撐及國防預研（yán）基金（jīn）等項目支持下，中（zhōng）航工業北（běi）京航空製造工（gōng）程研究所針（zhēn）對航空應用開展（zhǎn）了鈦合（hé）金、TiAl 合金的研究。開發了（le）電子束精確掃描（miáo）技術、精密鋪粉技術、數據處理（lǐ）軟（ruǎn）件等裝備核心技術。針對飛行器結構輕量化需（xū）求，重點（diǎn）研究了鈦（tài）合金的力（lì）學性能及空間（jiān）點陣結構的（de）承載性能和變形失效行為，目前正（zhèng）進行飛機複雜鈦合金接頭及TiAl 葉片的電子束選區熔（róng）化（huà）製造技術研究，

 

激光選區熔化增材成形技術

 

激光選區熔化成（chéng）形（xíng）技術原理與電子束選區熔化技術類似，通過把零件3D 模（mó）型沿一定方向離散成一係列（liè）有序的微米量級（jí）薄層，以激（jī）光為熱源，逐層熔化金屬粉末，直接製（zhì）造零件。利用該（gāi）技（jì）術可以製造出傳統（tǒng）方法無法加工的任意形狀的複雜結構，如輕質點（diǎn）陣夾芯結構、空間（jiān）曲麵多（duō）孔結構、複雜型腔（qiāng）流道結構等。在航空、航天領域，可用於製造火箭發動機燃料噴（pēn）嘴、航空（kōng）發動機超冷葉片、小（xiǎo）型發動機整體（tǐ）葉輪、輕質接頭等，同時還可用於船舶、兵器、核能、電子器件、醫學植（zhí）入等各個領域，具有廣泛的應用前景。相較於電子束選區熔化技術，激光選區熔化（huà）由於所使用的粉末尺寸小，因此具有（yǒu）很高的尺寸精（jīng）度和表麵質量。

 

激光選區熔化增材成形技術由（yóu）激光選區燒（shāo）結（jié）技術發展而來。20 世（shì）紀80 年代以來，經曆了低熔點（diǎn）非金屬粉末燒結、低（dī）熔點包覆高熔點（diǎn）金屬粉末燒結（jié）、高熔點金屬粉末直接熔化成形等階段。激光選區燒結成形主要用於蠟模、砂模等（děng）製造，為精密鑄造（zào）提供模型。這種原型表（biǎo）麵粗糙，疏鬆多孔，還需要經過高溫重熔或滲金（jīn）屬填補孔隙等以後才能使用。隨著激（jī）光技術的發展以及高亮（liàng）度光纖激光器出現，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，英國、德國、法國、美國、瑞（ruì）典等國外發達國家先後開GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4 等（děng）合金金屬複雜結構的激光選區熔化增成形設備，並開展應用基礎研究。國外著名R-R、GE、P&W、MTU、Boeing、EADS、Airbus 等航空航天武（wǔ）器裝備已利用此（cǐ）技術開發商業化（huà）的金屬（shǔ）零部件。