王忻凱　王乾俸

摘 要：本文闡述了增材制造的基本概念和不同種類增材制造技術的原理、特點，并對不同種類增材制造技術在航空航天和軍事領域的國內外發(fā)展狀況進行了介紹，歸納總結了當前該技術所存在的問題與不足，最后對增材制造的發(fā)展應用前景進行了展望。

關鍵詞：增材制造；航空航天領域；發(fā)展現(xiàn)狀

1 金屬增材制造的種類和原理

金屬增材制造（Additive Manufacturing，簡稱AM）技術區(qū)別于傳統(tǒng)的鑄、鍛、焊等熱加工“等材成形”技術及車、銑、磨等冷加工“減材成形”技術的一種全新的制造方法，是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術，是一種自下而上的制造方法[2]。它是融合了計算機軟件、材料、機械、控制等多學科知識的系統(tǒng)性、綜合性的技術。增材制造按照不同的加工方法可分為激光增材制造、電子束增材制造、電弧增材制造等，有的加工方法仍可細化成兩種或多種不同的具體方式。下面將對各種不同增材制造方法的原理和特點進行闡述，并對各自的國內外研究現(xiàn)狀進行介紹。

2 激光增材制造

激光增材制造分為激光選區(qū)熔化技術和激光直接沉積技術，激光選區(qū)熔化成形技術原理：它是以激光作為熱源，一層一層熔化金屬粉末，直接制造出近形的金屬零件。

激光快速成形技術打破了傳統(tǒng)材料去除或變形加工成形方法的限制，利用“離散+堆積”的増材成形思想，通過同步送粉（送絲）或激光熔覆數(shù)字化成形一步實現(xiàn)工件的精確成形；屬近凈成形制造技術。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(fā)展起來的一種先進制造技術。該技術是基于離散/堆積原理，通過對零件的三維CAD模型進行分層處理，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成加工路徑，在惰性氣體保護環(huán)境中，以高能量密度的激光作為熱源，按照預定的加工路徑，將同步送進的粉末或絲材逐層熔化堆積，從而實現(xiàn)金屬零件的直接制造與修復。

約翰霍普金斯大學、賓州大學和MTS 公司開發(fā)出一項大功率CO2激光 “鈦合金的柔性制造”技術，并成立AeroMet公司。該公司的目標就是實現(xiàn)具有高性能、大體積鈦合金零件的制造，尤其是大型整體加強筋結構鈦合金零件的快速成形。公司的主要研究方向為軍事領域的航空航天用鈦合金部件的激光增材制造。該公司制造的鈦合金零部件已實現(xiàn)裝機使用。已使用零件分別為F-22戰(zhàn)斗機的某接頭、F-18戰(zhàn)斗機的翼跟加強板的連接吊環(huán)和起落架連接桿。其中，F(xiàn)-22的接頭件能夠達到要求疲勞壽命的兩倍以上，翼根加強筋達到要求疲勞壽命的四倍以上，起落架連桿疲勞壽命超過原件的30%。

美國Sandia國家實驗室的Griffith研究組提出以激光熔覆沉積成形為基礎的激光凈成形（Laser Engineered Net Shaping）技術，并將此技術用于修復渦輪發(fā)動機的零部件。研究的材料種類包括不銹鋼、鈦合金、高溫合金等，成型件的強度和塑性均比鍛造件得到顯著地提高。研究小組還通過對控制軟件的研究和改進，將加工精度提升了一個等級。其水平方向加工精度達到0.05mm，垂直方向加工精度達到0.4mm，加工后零件的表面光潔度達到6.25μm。但是成型精度的提高會影響到成形效率。特別值得一提的是，研究組通過改變金屬粉末的成分，實現(xiàn)了材料成分在一個零件上的梯度變化，從而使得零件的不同部位具有了不同的力學性能，這就為零件的設計優(yōu)化提供了一種新的方法。

國內的增材制造相關研究雖然起步較晚，但是一些相關的大學和研究機構已有異軍突起之勢，在某些方面甚至達到國內外領先的地步。西北工業(yè)大學的黃衛(wèi)東教授的團隊在快速原型制造技術的基礎上提出了激光增材制造技術的研究思路，進行了相關的研究探索。并成功運用激光立體成形技術制造出了大型飛機的鈦合金翼梁緣條和飛機發(fā)動機的高溫合金空心葉片，綜合力學性能優(yōu)于同等條件下的鍛件。北京航空航天大學的王華明教授采用激光增材技術制造出大尺寸金屬零件，并應用于新型飛機的研制過程中，不但提高了飛機的結構強度，而且大大縮短了飛機的研制周期，并于2012年獲得國家科學技術進步一等獎。

但是激光增材制造也存在一些問題[3]。比如：球化現(xiàn)象、裂紋敏感性、殘余應力等，而且設備較昂貴、能量利用率低、低熔點金屬材料的受熱變形、速度與精度之間的矛盾等問題也尤為突出。尤其對鋁合金而言，由于液態(tài)鋁的光反射率很高，激光照射在液體表面大部分反射掉，導致其能量損失嚴重；而且鋁合金熔點較低，激光的能量密度很高，對大型薄壁零件或者殼體增材時，翹曲變形較嚴重。

3 電子束增材制造

電子束增材制造分為熔絲沉積成形和電子束選區(qū)熔化成形，電子束熔絲沉積技術又稱為電子束自由成形制造技術（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF）。在真空環(huán)境中，電子束轟擊金屬表面形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置送入熔池并熔化，同時熔池按照預先規(guī)劃的路徑運動，熔池金屬逐層凝固堆疊，達到致密的冶金結合，從而制造出金屬毛坯件，最后進行表面精加工和熱處理。特點：沉積效率高、真空環(huán)境有利于零件的保護、內部質量好、可實現(xiàn)多功能加工。電子束選區(qū)熔化成形技術[4]（Electron beam selective melting， EBSM）的工藝原理。先在鋪粉平面上鋪展一層粉末并壓實；然后，電子束在計算機的控制下按照斷面輪廓的信息進行有選擇的熔化，層層堆積，直至整個零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末得到所需的三維零件。特點：成形精度高，成形件表面質量較好，光潔度較好，可用于近成型增材制造。

Calcam公司[5]采用電子束熔絲沉積增材制造技術，通過對工藝參數(shù)和控制系統(tǒng)的把控，制造出了綜合力學性能優(yōu)于鍛件的TC4鈦合金葉輪部件，并成功應用于某型飛機上。

2001年瑞典的Arcam公司成立以來，以電子束增材制造技術在粉末近凈成形精度、效率、成本和力學性能等方面具有的優(yōu)勢，針對它的研究很快成為了國外科學前沿的研究熱點。德國紐倫堡大學、英國華威大學、美國北卡羅萊納大學以及美國波音公司、Synergeering集團、德國FAruth公司、瑞典VOLVO公司等都陸續(xù)開展了相關的研究。美國Sciaky公司聯(lián)合Lockheed Martin、Boeing公司等也在同時期合作開展了研究，成形鈦合金時，最大成形速度可達18kg/h，力學性能滿足適航要求。意大利AVIO公司[8]采用其自行制造設備開發(fā)出航空發(fā)動機復雜TiAl基合金構件，并成功應用在新一代航空發(fā)動機上。

2006年北京航空制造工程研究所開始對電子束熔絲沉積成形技術進行深入研究。設計并制造了國內首臺電子束熔絲沉積成形設備，對TC4、TC18、TA15、等鈦合金以及A100超高強度鋼的力學性能進行了系統(tǒng)的研究。研制了大量鈦合金零件和試驗件。2012年，采用電子束熔絲成形制造的鈦合金零件在國內飛機結構上率先實現(xiàn)了裝機應用。

目前電子束增材制造仍面臨著一系列技術問題，吹粉、球化現(xiàn)象、變形及殘余應力控制、表面粗糙度等。而且，電子束增材設備十分昂貴，設備維護成本較高。因為電子束加工需要真空保護，所以其制造周期較長。對輕合金薄壁件的增材制造而言，同樣存在著變形嚴重的難題。

4 其他增材制造方法

4.1 電弧增材制造

電弧增材制造又叫做形狀金屬沉積（shaped metal deposition SMD）技術。它采用的是鎢級氣體保護焊技術和高密度絲材。工件在保護氣環(huán)境下被層層疊加制造，同時焊接機器人直接由電腦CAD模型控制。通常情況下，精度和表面質量都不如激光或電子束增材制造。但是，它可以制造大到1m3的工件并且沉積速率可以達到1kg/h。因此，高速的電弧增材制造大型高密度部件的能力在這方面使得它比其他方法具有巨大優(yōu)勢。

英國謝菲爾德大學的貝恩等人用六軸聯(lián)動的機器人在兩軸的平臺上對銅絲材進行電弧增材制造，獲得了厚度為20mm的箱體坯件。組織性能接近同等條件下激光增材的性能。

天津大學的尹玉環(huán)等人使用TIG電弧作為熱源對5356鋁合金零件的增材成形進行了研究。研究結果表明：同一層成形時通過對道次間冷卻時間的控制可以獲得較好的增材成形效果，而對整個成形件而言不同層之間冷卻時間的合理控制對獲得良好的增材成形效果也起著至關重要的作用。還發(fā)現(xiàn)在后續(xù)焊接中采用不同的焊接速度雖然可以有效的控制熱輸入量，但是如果焊接速度的差異過大將導致增材成形過程的穩(wěn)定性變差。

華中科技大學的王桂蘭[7]等研究了電磁場對電弧熔積快速成形溫度場及參與應力的影響，研究結果表明：添加磁場之后，成形件表面溫度場各溫度區(qū)域范圍增大，熔積層表面熱循環(huán)峰值溫度升高，冷卻速度降低，成形件表面的縱向和橫向殘余應力均減小。

電弧增材制造也存在一些不可回避的難題[8]：吹粉和球化現(xiàn)象嚴重造成成形穩(wěn)定性差、成形材料種類的局限性、成型零件易發(fā)生開裂和變形綜合力學性能較差、組織差異大和需要較多的后期精加工等。

4.2 超聲增材制造

超聲增材制造Ultrasonic additive manufacturing（UAM）作為一種固態(tài)金屬成形加工方式，它是運用超聲波焊接方法，通過周期性的機械操作，將多層金屬帶加工成三維形狀，最后成形為精確的金屬部件。下面是滾軸式超聲焊接系統(tǒng)，它是由兩個超聲傳感器和一個焊接觸角組成，傳感器的振動傳遞到磁盤型的焊接觸角上，能夠在金屬帶與基板之間進行周期性的超聲固態(tài)焊接，進而觸角的連續(xù)滾動將金屬帶焊在基板上。這種技術能夠使鋁合金、銅、不銹鋼和鈦合金達到高密度的冶金結合。若將它與切削加工做比較，UAM可以做出深縫、空穴、格架和蜂巢式內部結構，以及其他的傳統(tǒng)的切削加工無法加工的復雜結構。

5 展望

增材制造技術經過二三十年的探索發(fā)展，目前正處于蒸蒸日上的時期，一方面期待在技術上有新的突破，提高增材制造在材料、精度和效率上的要求；另一方面是基于現(xiàn)有技術的新應用，拓寬增材制造的應用領域和范圍。相信在不久的將來，一定能看到增材制造技術在航空航天領域的更大范圍的應用。

參考文獻：

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[5]楊鑫，奚正平，劉詠，等.TiAl基合金電子束快速成形研究進展[J].稀有金屬材料與工程，2011，40（12）：2252-2256.

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[7]王桂蘭，孫怡峰，柏興旺，等.電磁場對電弧熔積快速成形溫度場及殘余應力的影響[J].焊接技術，2013，42（3）：6-8.

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[9] R.J. Friel， R.A. Harris. Ultrasonic additive manufacturing A hybrid production process for novel functional products[J]. Procedia CIRP， 2013（6）：35-40.