航空工業在上個世紀80年代就開始使用增材（cái）製造技術，之前增材製（zhì）造在（zài）航（háng）空製造業隻扮演了做快速原型的小角色。最近的發展趨勢是，這一技術將在整個航空航天產（chǎn）業鏈占據戰略性的地位。 包括波音、空客、Lockheed Martin, 霍尼韋爾以及普惠都做出了表率行動。

 

新一代飛行器不（bú）斷（duàn）向高性能、高可靠性、長壽命、低成本方向發展，越來越多地采用整體結構，零（líng）件趨向複雜化、大型化，從（cóng）而推動了（le）增（zēng）材製（zhì）造技術的發展與應用。增（zēng）材製造技術從零件的三維CAD 模型出發，無（wú）需模（mó）具，直接製造零件，可以大大降低成本，縮（suō）短研製周期，是滿足現代飛行器快速低成本研製的重要（yào）手段，同時也是滿足航空航天超規格、複雜金屬結構製造的關鍵技術之一。

 

電子束熔絲沉積成形

 

電子束熔絲沉積技術又稱為電子束自由（yóu）成形製造（zào）技術(Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3)。在真空環境（jìng）中，高能量（liàng）密度的電子束轟擊金屬表（biǎo）麵形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置送入（rù）熔池並熔化，同時（shí）熔池按照預先規劃的路徑（jìng）運動（dòng），金屬（shǔ）材料逐層凝（níng）固堆積，形成致密的冶（yě）金結合，直（zhí）至製造出金屬零件或毛坯。

 

電子束熔絲沉積快速成形技術具有一些獨特的優點，主要表現在以下幾個方麵：

 

(1)沉積效率高。電子（zǐ）束可以很容易實現數10kW 大功率輸出，可以在較高功率（lǜ）下達到（dào）很高的沉積速率（lǜ）(15kg/h)，對於大型金屬結構的成形，電子束熔絲沉積成形速度優勢十（shí）分明顯。

 

(2)真空環境有利於零件的保護（hù）。電子束熔絲沉積成形在10-3Pa真空壞境中進行，能有效避免空氣中有害雜質（zhì）(氧、氮、氫等)在高溫狀態下混入（rù）金屬（shǔ）零件，非常適合鈦、鋁（lǚ）等活性金屬的（de）加工。

 

(3)內部質量好。電子束是（shì）“體”熱（rè）源，熔池相對較深，能夠消除層間未熔合（hé）現象;同時，利用電子束掃描對熔池進行旋轉攪拌，可以明（míng）顯減少氣孔等缺陷。電子（zǐ）束熔絲沉積成形的鈦合金（jīn）零件，其（qí）超（chāo）聲波探傷內部質（zhì）量可以（yǐ）達到AA 級。

 

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

 

 

 

美國麻省理工學院的V.R.Dave等人最早提出該技術並試製了Inconel 718 合金渦輪（lún）盤。2002年，美國航空航天局(NASA)蘭利研究中心的K.M. Taminger 等人提出了EBF3 技（jì）術（shù），重點（diǎn）開展了微重力條件下的成形技術研（yán）究。同一時期，在海軍、空軍、國防部等機構支（zhī）持下，美國Sciaky 公司聯合Lockheed Martin、Boeing 公司等也在同時期合（hé）作開展了研（yán）究，主要致（zhì）力於大型（xíng）航空金屬零件的製造。成形鈦合金時，最大成形速度可達18kg/h，力學性能（néng）滿足AMS4999 標準要求。Lockheed Martin 公（gōng）司選定了F-35 飛機的襟副翼梁準備用（yòng）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（zhuāng）有電子束熔絲沉積成形鈦合金零件的F-35 飛（fēi）機已（yǐ）於2013 年初試飛。2007 年美國CTC公司領導了一個綜（zōng）合小（xiǎo）組，針對海軍無（wú）人戰鬥機計劃，製定了“無人（rén）戰機金屬製造技術提升計（jì）劃”(N-UCASMetallic Manufacturing Technology Transition Program)，選定電子束熔絲沉積成形技術（shù）作（zuò）為（wéi）未來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（zào）工程研究所於2006年開始電子束熔絲沉積成形技術研究工作，開發了電子（zǐ）束熔絲（sī）沉積成形（xíng）設備（bèi）。開發的最（zuì）大（dà）的電子束成形設備真空室46m3，有效加工範（fàn）圍1.5m×0.8m×3m，5 軸聯動，雙（shuāng）通道送絲。在此基礎上，研究了TC4、TA15、TC11、TC18、TC21 等鈦合金以及A100超高強度鋼（gāng）的力學性能，研製了（le）大量鈦合（hé）金零（líng）件和試驗件。2012 年（nián），采用電子束熔絲成形製造的鈦合金零件（jiàn）在國內飛（fēi）機結（jié）構（gòu）上率（lǜ）先實現了裝機應用（yòng）。

 

 

 

 

 

激光直接沉積增材（cái）成形

 

激光直接沉積技術是在快速原型（xíng）技術（shù）和激光熔覆技術的基礎上發展起來的一種先（xiān）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 模型進行分層處（chù）理，獲得各（gè）層（céng）截麵（miàn）的二維輪廓信息並生成加（jiā）工路徑，在惰性氣體保護環境中，以高能量密度的（de）激光作為熱源，按照預定的（de）加（jiā）工路徑，將同步（bù）送進的粉（fěn）末或絲材逐層熔化（huà）堆積，從而實現金屬零件的直接製造與修複。

 

 

 

激光直接沉積技術的特點如下：(1)無需（xū）模具;(2)適於難加（jiā）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，力學性能（néng）優異;(5)可製（zhì）備梯度材料;(6)可實現損傷（shāng）零件的快速修複;(7)加工柔性高（gāo），能夠（gòu）實現多品種、變批量零件製造（zào）的快速轉換。

 

在我國，西安鉑力特的LSF設備就是這類技術的代表。除此之外（wài），典（diǎn）型（xíng）企業還有美國的OPTOMEC公司，法國BeAM公司，德國通快以及專為CNC機床公司提供增材製造包（bāo）的HYBRID公司。

 

激光（guāng）直接沉積技術是20世紀90 年代首先從美國（guó）發展起來的。1995 年，美國Sandia 國家實驗室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、鈦合金、奧氏體不鏽鋼、工具鋼、鎢等多種金屬材料開展了大（dà）量的成形工藝研究（jiū）。1997 年，Optomec Design 公司（sī）獲得了LENS 技術的商用化許可，推出了（le）激光直接沉積成套裝備。1995 年，美國國防部高級研究計劃署和海軍研究所聯合出（chū）資，由約翰霍普金斯大學、賓州州立大學和MTS 公司共同開發（fā）一項名為“鈦合金的（de）柔性（xìng）製（zhì）造技術”的項目，目標是利用大功率CO2 激光器實現大尺（chǐ）寸鈦合金（jīn）零件的製造。基於這一項目的研究成果，1997 年MTS 公司出資與約翰霍普金斯大學、賓州州立大學合作（zuò）成立了AeroMet 公司。為了提高沉積效率並生產大型鈦合金零件，AeroMet 公（gōng）司采用14~18kW 大功率CO2 激光器和3.0m×3.0m×1.2m大型加工艙室，Ti-6Al-4V合金的沉（chén）積速率達1~2kg/h。AeroMet 公（gōng）司（sī）獲（huò）得了美國軍方及三大美（měi）國軍機製造（zào）商波音、洛克希德·馬丁、格（gé）魯曼（màn）公司（sī）的資助，開展了飛機機身鈦合金結構件的激光直接沉（chén）積技術研（yán）究，先後（hòu）完成了激光直接沉（chén）積鈦合（hé）金結構件的性能考核和技術標準製（zhì）定，並於2002 年（nián）在世界上率先實現激光直接沉（chén）積（jī）Ti-6Al-4V 鈦合金次承力構件在F/A-18 等飛機上的裝機應用。

 

自“十五”開始，在國家自然科（kē）學基金委員會、國家863 計劃、國家973 計劃、總（zǒng）裝預研計劃等國（guó）家主要科技研究計劃（huá）資助下，北京航（háng）空航（háng）天大學、西北工業大學、中航工業北京航空製造工程研究所等國內多個研究機構開展了（le）激光直接沉積工藝研究、力學性能控製、成套（tào）裝備研發及（jí）工程應（yīng）用關鍵技（jì）術（shù）攻關，並取得了較大進展（zhǎn）。

 

C919大客翼身組合（hé）體大部（bù）段（duàn）中的關鍵零部件鈦合金上、下翼緣條是由（yóu）西安鉑力特（tè）激光成形（xíng）技術（shù）有限公司使用金屬增材製（zhì）造技術(3D打印)所製造，上、下翼緣條（tiáo）中最大尺寸3070mm，最大重量196kg的左上緣條，僅用25天即完成交付，大大縮短了（le）航空關鍵零部（bù）件的研發周期，實現了航空核心製造技術上一次新的突破。

 

電子（zǐ）束選區熔化成形

 

電子束選區熔化技術是指電（diàn）子束在偏轉線圈驅動下按預先規劃的路徑掃描，熔化預先鋪放的金屬粉末;完成一個層麵的掃描後，工作艙下降一層高度，鋪粉（fěn）器重新鋪放一層粉末，如此反複進行，層層堆積，直到製造出（chū）需要的金屬（shǔ）零件，整個加工過程均處於10-2Pa 以上的真空環境（jìng）中，能有效避免空氣中有害雜質（zhì）的影響。

 

電（diàn）子束選區熔（róng）化技（jì）術特點如下：

 

(1)真空工作環（huán）境，能避免空氣中雜質混入材料。

 

(2)電子束掃描控製依靠（kào）電（diàn）磁場，無機械運動，可靠性高，控製靈（líng）活，反應速（sù）度快。

 

(3)成（chéng）形速度快，可達60cm3/h，是激光選區熔化的數倍。

 

(4)可利用電子束掃描、束流參數實時調節（jiē）控製零件表麵溫度，減少缺陷與變形。

 

(5)良好（hǎo）的（de）控溫性能使其能夠加工TiAl 等（děng）金屬間（jiān）化合物材料。

 

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

 

(7)真空（kōng）環境下成形，無需消耗保護氣體，僅消耗電能及不多的陰極材料，且未熔化的金屬粉末可循環使用，因此可（kě）降低生產成本。

 

(8)可加（jiā）工鈦合金、銅合金、鈷基合金、鎳基合金、鋼等材料。

 

電子束選區熔化技術源於20世紀（jì）90 年（nián）代初期的瑞典，瑞典Chalmers 工業大學與Arcam 公司合（hé）作開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（gōng）司（sī）獨立開發了EBM設備。目（mù）前（qián）以製造EBM 設備為主，產品已成係列，兼顧（gù）成形技（jì）術開（kāi）發。美國、日本、英（yīng）國、德國、意大利等許多研究機構、工廠、大學從該公司購置了EBM 設備（bèi），在航空、航天、醫療、汽車、藝術造型等不同領（lǐng）域開展研究，其中，生物醫（yī）學植（zhí）入物方麵的（de）研究較為成熟。近（jìn）年來，在航空（kōng）航天領域的應用也迅速興起，美國波音公司、Synergeering group 公司、CalRAM 公司、意大利Avio 公司等針對火箭發動機噴管、承（chéng）力支座、起落架零件、發動機葉片等開展了大量研（yán）究（jiū），有的已批量應（yīng）用，材料主要銅合金、Ti6Al4V、TiAl 合金等。由於材料對電子束（shù）能量的吸收率高且穩定，因此，電子束選區（qū）熔化技術可以（yǐ）加工一些特殊合金材料。

 

電子束選區熔化技術可（kě）用於航空發動機或導彈用小型發動機多（duō）聯葉片、整體葉盤、機匣、增壓渦輪、散熱器、飛行器筋（jīn）板結構、支座、吊（diào）耳、框梁、起落架結構的製造，其共同特點是結構（gòu）複雜，用傳統方法加工困難，甚至（zhì）無法加工。其局限在於隻能加工小型零件（jiàn）。目前（qián）世界上最大的電子束選區熔化設備是Arcam 公司的A2XX 型設（shè）備有效加工範圍（wéi）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，西北有色金屬研究總院、中科院（yuàn）金屬研究所、北京航空（kōng）航天大學、北京艾康儀誠等單位利用Arcam 公司生產的設備開展了研究，涉及多（duō）孔材料、醫學（xué）應用等領域。自2007 年以來，在航空支撐及國（guó）防預研基金等項目支持下，中航工業北京（jīng）航空（kōng）製造工程研究所針對（duì）航空應用開展了鈦合金、TiAl 合金的研（yán）究。開發了電子束精（jīng）確掃描技術、精（jīng）密鋪粉技術、數據處理軟件（jiàn）等裝備核心技（jì）術。針對飛行器結構輕（qīng）量化（huà）需求，重點研究了鈦（tài）合金的力（lì）學性能及空間點陣結構的承載性能和變形失效行為，目前正進行飛機複雜鈦合金接頭及TiAl 葉片的電子束選區熔（róng）化製造技術研究，

 

激光選區熔化增材成形技術

 

激光選區熔化成（chéng）形技術原（yuán）理與（yǔ）電子（zǐ）束選區熔化技術類似，通過把零件3D 模型沿一定方向離散成一係列有序的微米量級薄層，以激光為熱源，逐層熔化金屬粉末，直接製造零件。利用該技術可以製造（zào）出傳統（tǒng）方法無法加工的（de）任意形狀的複雜結構（gòu），如輕質點陣夾芯（xīn）結構、空間曲麵多孔結構、複雜型腔流道結（jié）構（gòu）等。在航空、航天領域，可用於製造（zào）火箭發動機燃料噴嘴、航空發動機超冷葉片、小型發動機（jī）整（zhěng）體葉輪（lún）、輕質接頭（tóu）等，同時還可用於船舶、兵器、核能（néng）、電子器件、醫學植入等（děng）各個領（lǐng）域（yù），具有廣泛的應用（yòng）前（qián）景。相較於電子束選區熔化技術，激光選區熔化由（yóu）於（yú）所使用的粉末尺寸小，因此具有很（hěn）高（gāo）的尺寸精（jīng）度和表麵（miàn）質量。

 

激光選區熔化增材成形技術由激光選區燒結技術發展而來（lái）。20 世（shì）紀80 年代以來，經曆了低熔點非金屬粉末燒結、低熔點包覆高熔點金屬（shǔ）粉末燒結、高熔點金屬粉末直接熔（róng）化成形等階段。激光選區燒結成形主（zhǔ）要用（yòng）於蠟模、砂模等製造，為精密鑄造提供模型。這種原型表麵（miàn）粗（cū）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（shǐ）用。隨著激光技術的發（fā）展以（yǐ）及高亮（liàng）度光纖激光器出現，國內外金屬激光選區熔化增材成（chéng）形技術發展突飛猛進。近幾年來，英國、德（dé）國、法國、美國、瑞典等國外發達國家先後開GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4 等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 等航空航天武器裝備已利用此技術（shù）開（kāi）發商（shāng）業化（huà）的金屬零部件。