李沛劍 杜 鵑 倪江濤 陳 帥 甘俊雄

（1.海裝駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 10076；2.首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076；3.“航天之星”軍民融合創(chuàng)新研究院，長沙 410000）

1 引言

3D 打印又稱為增材制造技術(shù)，是通過計(jì)算機(jī)對所需的數(shù)據(jù)模型從高度上進(jìn)行分層，然后通過層層堆垛形成所需零件。與傳統(tǒng)使用CNC 設(shè)備進(jìn)行減材生產(chǎn)相比，增材制造技術(shù)具有零件生產(chǎn)周期快，材料利用率高，減少人工，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢[1]。激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective laser melting，SLM)作為增材制造技術(shù)其中一種，主要以金屬粉末為原材料，通過計(jì)算機(jī)軟件切片后（路徑規(guī)劃）控制高能量束的激光在金屬粉末床上描繪并熔化成型零件的單層形狀，通過逐層堆積形成致密的金屬零件。由于激光光斑直徑很小，（85±5）μm，且零件生成方式是通過逐層堆垛成型，SLM 技術(shù)相對傳統(tǒng)加工方式具有高精度和零件凈成形的特點(diǎn)，并且在設(shè)計(jì)端能給予設(shè)計(jì)人員更高的設(shè)計(jì)自由度[2～4]?，F(xiàn)階段的SLM 技術(shù)在設(shè)備穩(wěn)定性、后處理工藝流程方面已經(jīng)趨近于成熟階段。通過SLM 制造的零部件通常具有極高的致密度(＞99.9%)，且靜態(tài)力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造成形零件，基本可以達(dá)到鍛件水平。非常適用于航空航天領(lǐng)域制造復(fù)雜流道、一體化結(jié)構(gòu)的金屬工件，也可以為航空航天領(lǐng)域零件輕量化減重提供方向，由于這些優(yōu)勢使其在航空航天領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注。

目前SLM 技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的研究主要集中于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造，此類零部件服役環(huán)境嚴(yán)苛，且對于構(gòu)件材料、結(jié)構(gòu)和性能的要求較高。在傳統(tǒng)制造技術(shù)中，這部分零件具有加工難度大、生產(chǎn)周期長、材料成本高等問題，SLM 技術(shù)的特點(diǎn)能很好優(yōu)化和解決這些問題，從而在該領(lǐng)域取得了很好的發(fā)展。SLM常用的材料體系主要有鈦合金、鎳基高溫合金、鋁合金和銅合金等[5～7]。本文主要介紹了SLM 技術(shù)常用的材料及其相應(yīng)的力學(xué)性能，基于SLM 技術(shù)所帶來的成型優(yōu)勢和零部件結(jié)構(gòu)特征，重點(diǎn)介紹了國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域的典型應(yīng)用，探討了SLM 技術(shù)存在的問題以及未來的重點(diǎn)研究方向。

2 航空航天領(lǐng)域常用材料體系

航空航天領(lǐng)域常用材料普遍要求有良好的強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性、耐高/低溫性能等多方面性能，且在重量及成本控制上有著特殊要求?，F(xiàn)階段研發(fā)人員通過不同部位具體的性能要求來選擇滿足需求的金屬材料，如有性能要求的結(jié)構(gòu)件會利用鈦合金高強(qiáng)度、耐磨、質(zhì)量輕的特點(diǎn)；有高/低溫性能要求的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件會使用鎳基高溫合金制造；非承重結(jié)構(gòu)和散熱器會利用鋁合金導(dǎo)熱快、質(zhì)量輕的特點(diǎn)；對于火箭燃燒室這種需要快速導(dǎo)熱的零部件，最新研究熱點(diǎn)主要以銅合金作為內(nèi)襯快速導(dǎo)熱，外部再輔以高溫合金作為支撐。各種合金材料具體的應(yīng)用場景和性能將在后面進(jìn)行介紹。

2.1 鈦合金在SLM 技術(shù)中的應(yīng)用

目前在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較多的鈦合金材料體系主要有TC4、TA15、TC11 和TiCu 合金等，TC4 鈦合金由于材料密度低(4.51g/cm3)、相對比強(qiáng)度高、耐磨蝕性好等特點(diǎn)，使零部件在具有高強(qiáng)度的同時(shí)兼顧輕量化。在航空航天領(lǐng)域中作為結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、導(dǎo)彈和衛(wèi)星方面得到了廣泛應(yīng)用。鈦合金現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)主要是TiAl 合金和NiTi 形狀記憶合金。TiAl合金具有高比彈性模量及良好的抗蠕變、高溫強(qiáng)度、抗氧化性能等[8]，而NiTi 合金具有超彈性和形狀記憶特性[9]，相關(guān)材料的研制應(yīng)用能解決部分功能性零部件問題。表1 為SLM 常用的鈦合金材料熱處理后的力學(xué)性能。

表1 SLM 常用鈦合金力學(xué)性能

2.2 鎳基高溫合金在SLM 技術(shù)中的應(yīng)用

目前在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較多的鎳基高溫合金主要有IN718、IN625 和GH3536 等。鎳基合金在650～1000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化性，在航空航天領(lǐng)域發(fā)動(dòng)機(jī)的耐高溫部件上得到了廣泛應(yīng)用。由于鎳基高溫合金中含有的元素種類較多，使得其在快熱快冷的SLM 成形過程中普遍存在裂紋敏感性強(qiáng)、力學(xué)性能不均勻等問題。熱等靜壓（HIP）作為一種可消除裂紋、降低孔隙率的后處理技術(shù)，能很好彌補(bǔ)鎳基高溫合金零部件在SLM 成形過程中出現(xiàn)的微裂紋和缺陷。表2 為SLM 常用的鎳基高溫合金材料熱處理后的力學(xué)性能。

表2 SLM 常用鎳基合金力學(xué)性能

2.3 鋁合金在SLM 技術(shù)中的應(yīng)用

鋁系合金具有質(zhì)量輕、熱傳導(dǎo)性能高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域非承重結(jié)構(gòu)件和散熱器的應(yīng)用比較廣泛。不過鋁系合金對激光有高反作用，激光能量吸收率低，所需的激光能量密度高，且材料成形效率較低。目前常用的鋁合金材料主要有2 系A(chǔ)l-Cu 合金、4 系A(chǔ)l-Si 合金、6 系A(chǔ)l-Mg-Si 和7 系A(chǔ)l-Zn 等[17～19]，其中AlSi10Mg 材料應(yīng)用最為廣泛。表3 是SLM 常用鋁合金材料在熱處理?xiàng)l件下的力學(xué)性能。

2.4 銅合金在SLM 技術(shù)中的應(yīng)用

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室由于工作環(huán)境的高溫之前一直使用鎳基高溫合金材料，隨著銅合金SLM 工藝的開發(fā)，其優(yōu)良的導(dǎo)熱性能被應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的研發(fā)。已有大量應(yīng)用驗(yàn)證其能顯著提高燃燒室的燃燒溫度，給火箭提供更大的推力。目前常用的銅系合金材料主要有Cu-Cr-Zr合金、Cu-Ni-Sn合金、Cu-13.5Al-4Ni-0.5Ti 合金等。相較于其他材料，銅合金具有高反效應(yīng)，室溫下對常用波長為1064nm 的近紅外光的吸收率僅為5%，這使得其夾雜、球化、孔洞和微裂紋等缺陷更多，成形質(zhì)量更差。另外95%的能量反射也容易引起設(shè)備激光器過熱等故障。針對這個(gè)問題，現(xiàn)在已經(jīng)有很多公司正在開發(fā)適用于銅合金SLM 成形技術(shù)的藍(lán)激光和綠激光打印設(shè)備和工藝。表4 是SLM 常用銅合金材料在熱處理?xiàng)l件下的力學(xué)性能。

表4 SLM 常用銅合金力學(xué)性能

3 SLM 成形技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

增材制造技術(shù)具有零件生產(chǎn)周期快、材料利用率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，其高精度和凈成形特點(diǎn)，都很好符合了航空航天領(lǐng)域現(xiàn)階段的需求，在快速迭代和成本控制方面也有優(yōu)勢。現(xiàn)階段主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域相關(guān)部件一體化、免組裝大型零件，輕量化、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)件，復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零部件及生產(chǎn)成本和周期的控制方面。

歐美發(fā)達(dá)國家的航天機(jī)構(gòu)和企業(yè)一直在開展相關(guān)研發(fā)工作和應(yīng)用積累，在技術(shù)積累、市場成熟度和創(chuàng)新能力方面具有一定的優(yōu)勢。國內(nèi)廠家在國家政策支持的情況下，各企業(yè)都在積極推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和技術(shù)創(chuàng)新，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。因此對于增材制造方面的人才培養(yǎng)和資金都有較大投入；并且中國擁有龐大的制造業(yè)市場需求，為增材制造技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

3.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1.1 一體化免組裝零件方面的應(yīng)用

在零部件一體化成型方面,NASA 馬歇爾航天飛行中心(MSFC)在2012年的增材制造驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目中運(yùn)用SLM 技術(shù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)原型，如圖1所示[28]。對原發(fā)動(dòng)機(jī)零部件進(jìn)行了一體化、免組裝設(shè)計(jì)優(yōu)化。使得該發(fā)動(dòng)機(jī)的零件數(shù)量減少80%。原本零部件連接處的焊縫由100 余條減少到30 條以下，大大降低了裝配周期和成本，研制周期也由7a 減少至3a。其他的零部件如噴注器，從傳統(tǒng)制造的255 個(gè)零件設(shè)計(jì)優(yōu)化為6 個(gè)增材制造零件，主氧化劑閥、燃燒室/噴管冷卻夾層、主料閥等零部件都從傳統(tǒng)工藝的幾個(gè)部件一體優(yōu)化成一個(gè)整體零件。

圖1 NASA 基于增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)的演示機(jī)（AMDE）[28]

GE 航空長期對其公司產(chǎn)品進(jìn)行SLM 技術(shù)優(yōu)化和轉(zhuǎn)化，多年來積累下了豐富的轉(zhuǎn)化經(jīng)驗(yàn)和成果。已經(jīng)陸續(xù)推出了燃油噴嘴、中框組件、熱交換器等成熟產(chǎn)品。其中最成功的轉(zhuǎn)化案例是其對于燃油噴嘴的優(yōu)化。優(yōu)化后的燃油噴嘴由原來的20 個(gè)部件組裝而成變成了1 個(gè)精密整體，在重量上新噴嘴減輕了25%，由于減少了零部件的組裝，成本效益提升30%。新噴油嘴在滿足基本功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了噴氣燃料的自身冷卻，使其耐用度提高，產(chǎn)品損耗量降低了5 倍（如圖2a所示）。其后續(xù)推出的中框組件產(chǎn)品也指明了增材制造相對于傳統(tǒng)制造的另外一個(gè)優(yōu)勢。由于將原本需要300 個(gè)零件組裝而成的中框一體化打印成為1 個(gè)整體，不僅省去了原本7 道組裝工藝流程，也使得原本多達(dá)50 家的復(fù)雜供應(yīng)商體系得到了大量刪減，如圖2b所示[29,30]。2022年3月30日，GE 航空測試了第一臺T901-GE-900發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)主要為美國陸軍的UH-60 黑鷹、AH-64 阿帕奇和未來攻擊偵察機(jī)(FARA) 提供動(dòng)力。T901 發(fā)動(dòng)機(jī)利用SLM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了零件的整合，減輕了大約20%重量。與上一代T700 相比，T901 的功率增加了50%，提高了飛機(jī)的性能，而比油耗只提高了25%[31]。其他廠家和產(chǎn)品如阿麗亞娜5 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器部件，如圖3所示，和空中客車（AIR BUS）公司，如圖4所示，都利用SLM 技術(shù)對其產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化和探索[32,33]。

圖2 GE 航空SLM 應(yīng)用案例[29，31]

圖3 SLM 技術(shù)制造的阿麗亞娜5 號火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器部件[32]

3.1.2 輕量化、拓?fù)鋬?yōu)化方面的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域中將1kg 物品運(yùn)入衛(wèi)星軌道的費(fèi)用約為20000 美元，因此在零部件輕量化和拓?fù)鋬?yōu)化上的應(yīng)用尤其重要，零部件上減少的每1g 都有助于提高空間探索的能力。最近NASA 在總結(jié)航空航天領(lǐng)域線路圖和優(yōu)先發(fā)展技術(shù)文章中將增材制造和創(chuàng)新設(shè)計(jì)列為優(yōu)先發(fā)展技術(shù)[34]。圖5 為經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化的衛(wèi)星支架構(gòu)件。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化后通過SLM 技術(shù)制造的衛(wèi)星支架[34]

Materialise 作為增材制造中重要的模型處理軟件，在工件的輕量化和拓補(bǔ)優(yōu)化上進(jìn)行了大量的探索。傳統(tǒng)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中傳遞載荷的金屬鑲件通常采用鋁或鈦合金通過機(jī)加工制造，由于是實(shí)體，它們的質(zhì)量和成本都很高。工程師將他們對于SLM 技術(shù)的理解和航空航天工程結(jié)構(gòu)仿真方面的專業(yè)知識相結(jié)合，從內(nèi)到外重新設(shè)計(jì)了這個(gè)新型部件。在工件內(nèi)部采用中空、拓?fù)鋬?yōu)化和晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來滿足工件的性能需求，通過SLM 制造后將工件質(zhì)量從1454g 減少到500g，如圖6所示。在降重同時(shí)由于設(shè)計(jì)優(yōu)化改善了載荷的分布，使得原本存在的熱彈性應(yīng)力問題也得到了很好的解決，延長了鑲件的使用壽命[35]。

圖6 傳統(tǒng)鑲件與拓?fù)鋬?yōu)化后的對比[35]

3.1.3 復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用

由于SLM 技術(shù)具有凈成形和高精度的特點(diǎn)，其在航空航天領(lǐng)域中復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的零部件上也有很好的應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室身部作為復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的典型工件，之前一直有使用高溫鎳基合金進(jìn)行SLM 打印的嘗試并且取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[36]。NASA 馬歇爾航天飛行中心（MSFC）的研發(fā)人員想利用銅合金本身導(dǎo)熱快的特點(diǎn)來制造推力更大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，為此他們專門開發(fā)出了滿足工件高溫蠕變性能和強(qiáng)度要求且適于增材制造的鉻鈮銅（Cu-8at.%Cr-4at.%Nb）材料，實(shí)現(xiàn)了燃燒室身部復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的制造。使用SLM 技術(shù)打印的鉻鈮銅（GRCop-84）和鉻鋯銅（C18150）推力室身部，見圖7a、圖7b。由于銅合金固有的高反現(xiàn)象導(dǎo)致工件中存在部分的冶金缺陷，他們也開發(fā)了一套滿足產(chǎn)品性能的后處理工藝，包括熱等靜壓、固溶+時(shí)效強(qiáng)化等。鉻鈮銅（GRCop-84）和鉻鋯銅（C18150）推力室身部熱試車考核實(shí)驗(yàn)，見圖8a、圖8b，優(yōu)化后的工件分別累積進(jìn)行了2365s 和1443s 的考核試驗(yàn)，均未發(fā)生失效[37]。

圖7 SLM 制造的銅合金身部[37]

圖8 銅合金身部熱測試[37]

2020年，Launcher 公司率先使用EOS 的中大型多光束SLM 設(shè)備M4K（450mm×450mm×1000mm）打印了迄今為止世界上最大的單一組成部分燃燒室，如圖9所示。該組件使用鉻鋯銅合金材料，通過SLM 制造了燃燒室外部大量的復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)，主要用于E-2 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)全尺寸鉻鋯銅合金燃燒室的研制。除燃燒室外，Launcher 公司還將相關(guān)產(chǎn)品的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零部件進(jìn)行了SLM 優(yōu)化，如噴注器、液氧泵、渦輪泵等適用于增材制造生產(chǎn)的工件。到目前Launcher 公司已完成優(yōu)化后的渦輪泵70 多次驗(yàn)證[28]。

圖9 Launcher 公司利用SLM 技術(shù)開發(fā)的E-2 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件[28]

Sintavia 公司利用SLM 技術(shù)優(yōu)化了熱交換器，使其形成了400mm×400mm×990mm 的波浪結(jié)構(gòu)，如圖10a所示[38]。通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化大大提高了其熱交換面積，與之前相比熱傳遞性能提高了2 倍；與傳統(tǒng)加工方式相比，產(chǎn)品成型合格率提高了4 倍以上。顯著提高的性能使得其在航空航天領(lǐng)域得到的快速發(fā)展。為了進(jìn)一步提高火箭推進(jìn)系統(tǒng)的效率，Sintavia 公司開發(fā)了GRCop-42 銅合金的SLM 工藝，以此來進(jìn)行散熱器相關(guān)的零件打印。如圖10b所示是使用銅合金打印出來的只有0.5mm 壁厚的4mm 細(xì)胞的陀螺[39]。

藍(lán)色起源（Blue Origin）是一家商業(yè)太空公司，主要從事火箭的重復(fù)發(fā)射和回收。他們在3D 打印方面進(jìn)行了大量可行性嘗試，在其謝潑德太空船上就有超過400 個(gè)增材制造的零件。其產(chǎn)品火箭發(fā)動(dòng)機(jī)BE-4(液氧甲烷)中很多關(guān)鍵部件采用3D 打印制造，如發(fā)動(dòng)機(jī)增壓泵（OBP）外殼就采用鋁合金打印，內(nèi)部集成了傳統(tǒng)方法難以加工的復(fù)雜流道。液壓渦輪采用鎳基合金打印，使其通過最少的材料浪費(fèi)就能實(shí)現(xiàn)原本的功能需求。其最新采用增材制造的高性能BE-7 發(fā)動(dòng)機(jī)（BE系列新一代發(fā)動(dòng)機(jī)）已經(jīng)開始進(jìn)行點(diǎn)火測試，如圖11所示。2020年12月4日，在NASA 馬歇爾太空飛行中心，藍(lán)色起源對自主研發(fā)的高效發(fā)動(dòng)機(jī)展開第四次推力艙測試，累計(jì)測試時(shí)間達(dá)到1245s，進(jìn)一步證明了其降落月球的能力[40]。

圖11 藍(lán)色起源公司開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)[40]

3.1.4 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)方面的應(yīng)用

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為關(guān)鍵的動(dòng)力裝置一直是研究的熱點(diǎn)。吳鑫華研究團(tuán)隊(duì)使用增材技術(shù)率先研制出了小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)見圖12，該成果為SLM 技術(shù)在航空航天領(lǐng)域渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)方向的發(fā)展提供了可行性[41]。經(jīng)過不斷的優(yōu)化和改進(jìn)，該成果使其得到了為賽峰公司和阿邁羅公司制造渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的訂單。

圖12 采用SLM 技術(shù)制造的小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)[41]

3.1.5 生產(chǎn)成本、周期及原型開發(fā)方面的應(yīng)用

增材制造（SLM）技術(shù)對于航空航天領(lǐng)域的發(fā)展不僅僅體現(xiàn)在零部件的輕量化、整體性和復(fù)雜結(jié)構(gòu)上，對于生產(chǎn)成本和周期上的提高也是促進(jìn)其大力應(yīng)用的重要原因。GE 航空公司在這方面有過很多嘗試，將一臺水陸兩用發(fā)動(dòng)機(jī)4 個(gè)零部件的生產(chǎn)由鑄造轉(zhuǎn)換為SLM 方式，如圖13所示。不僅保證了零件本來的性能要求，也使得生產(chǎn)成本下降了35%，生產(chǎn)周期從之前的12～18 個(gè)月縮短到10 個(gè)月[42]。

Pankl Racing Systems 是一家奧地利的大型金屬增材制造服務(wù)提供商。該公司透露在不到兩年的時(shí)間內(nèi)，他們就為教練機(jī)制造了2 個(gè)3D 打印部件，通過快速開發(fā)設(shè)計(jì)零部件并取得驗(yàn)證結(jié)果，不僅得到了快速的應(yīng)用也解決了散熱器因?yàn)榻M裝和加工帶來的高壓泄露問題，如圖14所示[33]。

圖14 快速驗(yàn)證的零部件[30]

在高速飛行器方面，VELO 3D 工程師們利用SLM技術(shù)特點(diǎn)，在原型開發(fā)階段設(shè)計(jì)了多種不同結(jié)構(gòu)的噴油器流道，如圖15所示。在短短兩周內(nèi)，就篩選出了性能最好的產(chǎn)品，使其具有他們所尋找的所有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特征[43]。世界上最大的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)工程公司之一的法國賽峰公司，一直致力于增材制造在該領(lǐng)域的應(yīng)用和研究。賽峰公司表示目前關(guān)于產(chǎn)品SLM 優(yōu)化才處于前期驗(yàn)證階段，只有不到1%的產(chǎn)品采用SLM方法進(jìn)行生產(chǎn)制造。不過隨著SLM 優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)，最終在下一代航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)引擎中將會有約25%的組件采用該方式。到目前為止，賽峰公司已經(jīng)生產(chǎn)了1000多個(gè)零件，并計(jì)劃繼續(xù)擴(kuò)大SLM 零件的生產(chǎn)能力，預(yù)計(jì)到2023年制造超過8000 個(gè)部件。其中包括目前正在開發(fā)的M88 發(fā)動(dòng)機(jī)5 個(gè)合格部件，如圖16所示[44]。

圖15 SLM 打印的不同設(shè)計(jì)噴油器流道[43]

圖16 賽峰公司開發(fā)的零部件[44]

3.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著SLM 技術(shù)在國外航空航天領(lǐng)域逐漸應(yīng)用，其高效的生產(chǎn)方式、凈成形以及一體化結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，吸引著國內(nèi)許多科研院所和企業(yè)對其進(jìn)行探索和研究。航天動(dòng)力技術(shù)研究院經(jīng)過多年的研制和優(yōu)化，在最終的地面熱試車中成功驗(yàn)證了其通過SLM 生產(chǎn)的噴管組件，該結(jié)果表明使用SLM 制造的零部件能滿足較高壓強(qiáng)下的承載性能和可靠性。

西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司主要致力于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，他們使用SLM 技術(shù)優(yōu)化了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的關(guān)鍵構(gòu)建加強(qiáng)肋。相比于之前采用熔模精密鑄造需要經(jīng)過29 道工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)，優(yōu)化后的產(chǎn)品不僅能滿足原本的性能要求，在生產(chǎn)制造周期和成本上分別降低了75%和30%，產(chǎn)品的合格率也由之前的20%提升至98%。2022年11月8日，在珠海航展的商業(yè)航天發(fā)動(dòng)機(jī)展會上，航天推進(jìn)技術(shù)研究院推出了85t級開式循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。該產(chǎn)品定位于低成本的中、小型液體商業(yè)運(yùn)載火箭主動(dòng)力，用于發(fā)射國內(nèi)外主流的中小型商業(yè)衛(wèi)星。該型號的關(guān)鍵零部件部位采用SLM 制造，經(jīng)過方案的快速驗(yàn)證，在長期試驗(yàn)中進(jìn)行了數(shù)十次可靠性考核。該發(fā)動(dòng)機(jī)已完成11 臺單機(jī)研制試車，6 臺工藝試車，共進(jìn)行了40 次點(diǎn)火，累計(jì)點(diǎn)火時(shí)長達(dá)到3536s。單臺設(shè)備考核最多6 次，累計(jì)點(diǎn)火時(shí)長達(dá)到834s，最長單次點(diǎn)火時(shí)長達(dá)到500s。80t 及以上工況單臺試車時(shí)間451s、累計(jì)試車時(shí)間超過800s。首臺產(chǎn)品搭載總體完成動(dòng)力系統(tǒng)試車，第二臺已組裝完成具備交付條件[45]。

中國航天科工防御技術(shù)研究院利用SLM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了某發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜構(gòu)件的整體集成制造。與之前傳統(tǒng)制造方法相比，優(yōu)化后的零部件成本降低了50%，整個(gè)制造周期縮短了50%，零部件的性能指標(biāo)滿足原有要求，如圖17所示。北京遙感設(shè)備研究所根據(jù)SLM技術(shù)原理對某熱控功能一體化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，有效解決了大功率信息處理機(jī)常見的熱散和減重問題。SLM 制造的零部件與之前產(chǎn)品相比，工作時(shí)間提高了6 倍，重量僅為原來的50%。北京動(dòng)力機(jī)械研究所通過一體化設(shè)計(jì)，將某發(fā)動(dòng)機(jī)組件的外涵中介機(jī)匣、滑油箱等多個(gè)零部件進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，利用SLM 實(shí)現(xiàn)了該組件的整體集成制造，并且通過了試車考核。優(yōu)化后的組件相較于原有組件零件數(shù)量由1000 多個(gè)縮減為30 多個(gè)，生產(chǎn)流程和產(chǎn)品裝配流程得到了極大簡化。

圖17 采用SLM 技術(shù)制造的集成設(shè)計(jì)飛行部件

隨著SLM 技術(shù)在航空航天領(lǐng)域不斷的嘗試和應(yīng)用，已取得了相當(dāng)可觀的成果。現(xiàn)階段國內(nèi)民營航天企業(yè)也開始應(yīng)用SLM 技術(shù)在航空航天領(lǐng)域進(jìn)行探索。藍(lán)箭航天主要致力于SLM 技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究，基于降低研發(fā)成本和迭代周期的考慮，采用一體化成型的方式制造了其液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品TQ-11 和TQ-12，該產(chǎn)品現(xiàn)已成功完成試車考核。

在提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率方面，深藍(lán)航天與鉑力特公司通過合作，將LT-5 5t 級液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化并使用SLM 制造并進(jìn)行驗(yàn)證，如圖18所示，研制結(jié)果表明該產(chǎn)品推力室效率從95%提升至99%，實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)領(lǐng)域的巨大跨越，該推力室也已經(jīng)通過了長程試車考核[46]。

圖18 SLM 技術(shù)整體形成的噴油器和推力室[46]

深藍(lán)公司利用華曙高科的FS621M 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大尺寸火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的批量生產(chǎn)。該燃燒室高度為780mm，直徑為550mm，見圖19。該工件實(shí)現(xiàn)了許多創(chuàng)新，包括一體化設(shè)計(jì)、輕量化晶格結(jié)構(gòu)和自支撐的幾何形狀。深藍(lán)公司表示，現(xiàn)在基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)85%的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件使用增材制造，未來可能還會增加[47]。

圖19 使用FS621M 生產(chǎn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室[47]

深藍(lán)航天還一直在開發(fā)被稱為“星云-1”的中型軌道運(yùn)載火箭。它由“雷霆”發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，其發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤、燃?xì)獍l(fā)生器身部都使用SLM 進(jìn)行制造，并將在2024年底完成其首次軌道發(fā)射-回收任務(wù)。其20t 級“雷霆-R1”可復(fù)用發(fā)動(dòng)機(jī)已成功完成首輪點(diǎn)火試車。此次試驗(yàn)使用同一臺發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)產(chǎn)品，共計(jì)進(jìn)行了5 次點(diǎn)火測試，累計(jì)點(diǎn)火工作時(shí)間達(dá)到138s，最長單次工作時(shí)長達(dá)到90s[48]。

鉑力特參與了大連理工大學(xué)設(shè)計(jì)研制的“大連1號-連理衛(wèi)星”12U 高分辨率對地遙感衛(wèi)星項(xiàng)目，利用八激光BLT-S800 設(shè)備制造了AlSi10Mg 部署器框架并順利點(diǎn)火升空，進(jìn)入預(yù)定軌道。部署器框架由主框架、艙門等多個(gè)部件組成，其中主框架結(jié)構(gòu)尺寸約為400mm×400mm×500mm，最小壁厚1mm，對一體成形零件的精度要求較高，如圖20所示?？朔叩蜏?、熱真空、原子氧腐蝕等太空因素，保證衛(wèi)星長期在軌存儲與釋放的可靠性[49]。九州云箭與鉑力特公司合作，共同開發(fā)了龍?jiān)埔貉跫淄榘l(fā)動(dòng)機(jī)中的旋轉(zhuǎn)零部件、燃燒裝置零部件以及發(fā)動(dòng)機(jī)管路等零部件，如圖21所示，并完成了系列可靠性熱試車考核[50]。

圖20 采用SLM 技術(shù)制造的零部件[49]

圖21 龍?jiān)埔貉跫淄榘l(fā)動(dòng)機(jī)SLM 零件[50]

4 SLM 技術(shù)問題和展望

SLM 技術(shù)是增材制造技術(shù)中非常重要的一種，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在設(shè)備完整性、可用性和穩(wěn)定性上都有一定成果，這也促進(jìn)了其在航空航天制造領(lǐng)域更好的發(fā)展和應(yīng)用。但針對于航空航天領(lǐng)域?qū)τ诋a(chǎn)品可靠性、可復(fù)制性等高要求，現(xiàn)在的SLM 技術(shù)仍存在諸多關(guān)鍵問題急需解決。

4.1 粉末循環(huán)利用研究

粉末原材料作為SLM 成形技術(shù)最初的環(huán)節(jié)，容易被研發(fā)及工藝人員忽略。現(xiàn)在對于粉末原材料的檢測主要為粉末粒徑范圍、粉末霍爾流速、粉末松裝密度、振實(shí)密度及粉末形貌，以此來保證其在打印過程中具有很好的流動(dòng)性和成形效果。對于現(xiàn)在成形尺寸越來越大的多激光束設(shè)備（如米級大設(shè)備），打印單個(gè)工件所需要的粉末可以達(dá)到噸的量級；還有進(jìn)入批量生產(chǎn)階段的型號零件。這些生產(chǎn)需求對于粉末原材料的批次穩(wěn)定性提出了更高的要求。其次是粉末的循環(huán)使用以及與新粉的摻雜混合對于產(chǎn)品性能影響還需要更多的研究和數(shù)據(jù)支持。

4.2 SLM 成形過程中的缺陷控制

SLM 制造的零部件內(nèi)部存在彌散、隨機(jī)分布且形狀不規(guī)則的冶金缺陷，如夾雜、氣孔、微裂紋等，這些缺陷帶來的不確定性已成為制約SLM 技術(shù)在航空航天高端應(yīng)用的重要問題。在SLM 超快熔化、超快凝固的成形過程中，還存在著許多不清楚的問題，如全幅面打印質(zhì)量均勻性的把控、熔融液體與保護(hù)氣流交互作用對打印質(zhì)量的影響、合金元素凝固時(shí)的擴(kuò)散偏析機(jī)制等，這些問題都需要研究人員和企業(yè)進(jìn)一步的探索和驗(yàn)證。

4.3 大幅面/多激光束設(shè)備的研制

目前航空航天領(lǐng)域的零部件正朝大尺寸及超大尺寸方向發(fā)展，而現(xiàn)階段較成熟的大型SLM 成形設(shè)備主要為400mm 和600mm 尺寸。且大尺寸及超大尺寸的零部件若使用單激光進(jìn)行打印，會出現(xiàn)生產(chǎn)時(shí)間過長，打印失敗風(fēng)險(xiǎn)增加的情況，這會給生產(chǎn)廠家?guī)矸浅４蟮牟淮_定性和成本損失。面對這個(gè)限制SLM 技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素，現(xiàn)在急需大尺寸、高效率的SLM 成形設(shè)備（多光束米級）的研制和開發(fā)。研制出這種多光束米級設(shè)備還需要攻克許多技術(shù)問題，如多光束振鏡搭接與打印分配技術(shù)、大幅面設(shè)備的風(fēng)場均勻性控制技術(shù)、粉末循環(huán)系統(tǒng)及粉床均勻性控制技術(shù)、設(shè)備功能系統(tǒng)模塊化及可替代性、設(shè)備可靠性驗(yàn)證技術(shù)等，這些技術(shù)問題還需要設(shè)備廠家進(jìn)一步的研究和應(yīng)用驗(yàn)證。

4.4 無支撐工藝及工件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

SLM 工藝現(xiàn)階段最主要的應(yīng)用在于對零部件功能結(jié)構(gòu)一體化的優(yōu)化。目前航空航天領(lǐng)域的零部件設(shè)計(jì)還是基于傳統(tǒng)的鑄造工藝和機(jī)加工藝進(jìn)行，采用“自上而下”的設(shè)計(jì)流程，這些原因造成了許多零部件的結(jié)構(gòu)并不適合進(jìn)行SLM 制造。針對于這個(gè)問題，可以從設(shè)計(jì)端和設(shè)備端兩頭著手進(jìn)行優(yōu)化。由于SLM 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)工件的一體化制造，設(shè)計(jì)人員可以從功能出發(fā)來進(jìn)行工件設(shè)計(jì)。對于這種新的“自下而上”設(shè)計(jì)流程，需要工藝人員與設(shè)計(jì)人員更多的進(jìn)行交流，將SLM制造特點(diǎn)傳達(dá)給設(shè)計(jì)人員，從而對傳統(tǒng)工件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。其次設(shè)備端也需要優(yōu)化激光掃描策略，使其能逐步實(shí)現(xiàn)無支撐打印來滿足航空航天領(lǐng)域零部件的生產(chǎn)制造。這些措施都將對航空航天領(lǐng)域的復(fù)雜零部件高效制造具有重大意義。

4.5 智能化管理系統(tǒng)需求

航空航天領(lǐng)域傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造主要按功能性對流程進(jìn)行劃分，如機(jī)加、熱處理、焊接等。使用SLM 制造后，許多工序和流程都可以省略，現(xiàn)階段并沒有與之相適應(yīng)的智能化綜合管理系統(tǒng)。典型的SLM 零件制造需要經(jīng)過清粉、線切割、熱處理、機(jī)加、X 光、熒光和檢驗(yàn)等工序才能交付使用，傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造體系較為分散，整個(gè)生產(chǎn)工藝流程的流轉(zhuǎn)仍需大量人員對接，導(dǎo)致SLM 工藝生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢并未完全體現(xiàn)出來。在智能化管理需求下，現(xiàn)階段增材制造系統(tǒng)都是基于單臺設(shè)備、單個(gè)工序（SLM 成形）、單個(gè)產(chǎn)品的制造系統(tǒng)，系統(tǒng)流程中的各個(gè)接口缺乏有效的互聯(lián)互通。未來需要基于SLM 全流程的智能化綜合管理系統(tǒng)開發(fā)，構(gòu)建以質(zhì)量管理、多設(shè)備的生產(chǎn)管理、打印監(jiān)控及反饋、生產(chǎn)耗材物料、后處理及檢測數(shù)據(jù)的全流程管理實(shí)時(shí)監(jiān)測體系。將各設(shè)備、工序和單元鏈接，真正實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)的可共享、可追溯、可利用，減少流程，釋放產(chǎn)能，降低生產(chǎn)成本。