增材制造及其航空航天领域的发展现状.doc

增材制造及其航空航天领域的发展现状摘要：本文阐述了增材制造的基本概念和不同种类 增材制造技术的原理、特点，并对不同种类增材制造技术在 航空航天和军事领域的国内外发展状况进行了介绍，归纳总 结了当前该技术所存在的问题与不足，最后对增材制造的发 展应用前景进行了展望关键词：增材制造；航空航天领域；发展现状1金属增材制造的种类和原理金属增材制造（Additive Manufacturing,简称AM）技 术区别于传统的铸、锻、焊等热加工“等材成形”技术及车、 铳、磨等冷加工“减材成形”技术的一种全新的制造方法， 是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传 统的材料去除-切削加工技术，是一种自下而上的制造方法 [2]它是融合了计算机软件、材料、机械、控制等多学科 知识的系统性、综合性的技术增材制造按照不同的加工方 法可分为激光增材制造、电子束增材制造、电弧增材制造等, 有的加工方法仍可细化成两种或多种不同的具体方式下面 将对各种不同增材制造方法的原理和特点进行阐述，并对各 自的国内外研究现状进行介绍2激光增材制造激光增材制造分为激光选区熔化技术和激光直接沉积 技术，激光选区熔化成形技术原理：它是以激光作为热源， 一层一层熔化金属粉末，直接制造出近形的金属零件。

激光快速成形技术打破了传统材料去除或变形加工成 形方法的限制，利用"离散+堆积”的❷❷材成形思想，通过 同步送粉（送丝）或激光熔覆数字化成形一步实现工件的精 确成形；属近净成形制造技术激光直接沉积技术是在快速 原型技术和激光熔覆技术的基础上发展起来的一种先进制 造技术该技术是基于离散/堆积原理，通过对零件的三维 CAD模型进行分层处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生 成加工路径，在惰性气体保护环境中，以高能量密度的激光 作为热源，按照预定的加工路径，将同步送进的粉末或丝材 逐层熔化堆积，从而实现金属零件的直接制造与修复约翰霍普金斯大学、宾州大学和MTS公司开发出一项大 功率C02激光“钛合金的柔性制造”技术，并成立AeroMet 公司该公司的目标就是实现具有高性能、大体积钛合金零 件的制造，尤其是大型整体加强筋结构钛合金零件的快速成 形公司的主要研究方向为军事领域的航空航天用钛合金部 件的激光增材制造该公司制造的钛合金零部件已实现装机 使用已使用零件分别为F-22战斗机的某接头、F-18战斗 机的翼跟加强板的连接吊环和起落架连接杆其中，F-22的 接头件能够达到要求疲劳寿命的两倍以上，翼根加强筋达到 要求疲劳寿命的四倍以上，起落架连杆疲劳寿命超过原件的30% o美国Sandia国家实验室的Griffith研究组提出以激光 熔覆沉积成形为基础的激光净成形(Laser Engineered Net Shaping)技术，并将此技术用于修复涡轮发动机的零部件。

研究的材料种类包括不锈钢、钛合金、高温合金等，成型件 的强度和塑性均比锻造件得到显著地提高研究小组还通过 对控制软件的研究和改进，将加工精度提升了一个等级其 水平方向加工精度达到0. 05mm,垂直方向加工精度达到 0.4mm,加工后零件的表面光洁度达到6. 25umo但是成型精 度的提高会影响到成形效率特别值得一提的是，研究组通 过改变金属粉末的成分，实现了材料成分在一个零件上的梯 度变化，从而使得零件的不同部位具有了不同的力学性能， 这就为零件的设计优化提供了一种新的方法国内的增材制造相关研究虽然起步较晚，但是一些相关 的大学和研究机构已有异军突起之势，在某些方面甚至达到 国内外领先的地步西北工业大学的黄卫东教授的团队在快 速原型制造技术的基础上提出了激光增材制造技术的研究 思路，进行了相关的研究探索并成功运用激光立体成形技 术制造出了大型飞机的钛合金翼梁缘条和飞机发动机的高 温合金空心叶片，综合力学性能优于同等条件下的锻件北 京航空航天大学的王华明教授采用激光增材技术制造出大 尺寸金属零件，并应用于新型飞机的研制过程中，不但提高了飞机的结构强度，而且大大缩短了飞机的研制周期，并于 2012年获得国家科学技术进步一等奖。

但是激光增材制造也存在一些问题［3］比如：球化现 象、裂纹敏感性、残余应力等，而且设备较昂贵、能量利用 率低、低熔点金属材料的受热变形、速度与精度之间的矛盾 等问题也尤为突出尤其对铝合金而言，由于液态铝的光反 射率很高，激光照射在液体表面大部分反射掉，导致其能量 损失严重；而且铝合金熔点较低，激光的能量密度很高，对 大型薄壁零件或者壳体增材时，翘曲变形较严重3电子束增材制造电子束增材制造分为熔丝沉积成形和电子束选区熔化 成形，电子束熔丝沉积技术又称为电子束自由成形制造技术 (Electron Beam Freeform Fabrication, EBF)O 在真空环 境中，电子束轰击金属表面形成熔池，金属丝材通过送丝装 置送入熔池并熔化，同时熔池按照预先规划的路径运动，熔 池金属逐层凝固堆叠，达到致密的冶金结合，从而制造出金 属毛坯件，最后进行表面精加工和热处理特点：沉积效率 高、真空环境有利于零件的保护、内部质量好、可实现多功能加工电子束选区熔化成形技术［4］ (Electron beamselective melting，EBSM)的工艺原理先在铺粉平面上铺展一层粉末并压实；然后，电子束在计算机的控制下按照 断面轮廓的信息进行有选择的熔化，层层堆积，直至整个零 件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末得到所需的三维零 件。

特点：成形精度高，成形件表面质量较好，光洁度较好, 可用于近成型增材制造Calcam公司［5］采用电子束熔丝沉积增材制造技术，通 过对工艺参数和控制系统的把控，制造出了综合力学性能优 于锻件的TC4钛合金叶轮部件，并成功应用于某型飞机上2001年瑞典的Arcam公司成立以来，以电子束增材制造 技术在粉末近净成形精度、效率、成本和力学性能等方面具 有的优势，针对它的研究很快成为了国外科学前沿的研究热 点德国纽伦堡大学、英国华威大学、美国北卡罗莱纳大学 以及美国波音公司、Synergeering集团、德国FAruth公司、 瑞典VOLVO公司等都陆续开展了相关的研究美国Sc laky 公司联合Lockheed Martin、Boeing公司等也在同时期合作 开展了研究，成形钛合金时，最大成形速度可达18kg/h,力 学性能满足适航要求意大利/WI0公司［8］采用其自行制造 设备开发出航空发动机复杂TiAl基合金构件，并成功应用 在新一代航空发动机上 2006年北京航空制造工程研究所开始对电子束熔丝沉积成形技术进行深入研究设计 并制造了国内首台电子束熔丝沉积成形设备，对TC4、TC18、 TA15、等钛合金以及A100超高强度钢的力学性能进行了系 统的研究。

研制了大量钛合金零件和试验件2012年，采用 电子束熔丝成形制造的钛合金零件在国内飞机结构上率先 实现了装机应用目前电子束增材制造仍面临着一系列技术问题，吹粉、 球化现象、变形及残余应力控制、表面粗糙度等而且，电 子束增材设备十分昂贵，设备维护成本较高因为电子束加 工需要真空保护，所以其制造周期较长对轻合金薄壁件的 增材制造而言，同样存在着变形严重的难题4其他增材制造方法4. 1电弧增材制造电弧增材制造又叫做形状金属沉积(shaped metal deposition SMD)技术它采用的是牢乌级气体保护焊技术和 高密度丝材工件在保护气环境下被层层叠加制造，同时焊 接机器人直接由电脑CAD模型控制通常情况下，精度和表 面质量都不如激光或电子束增材制造但是，它可以制造大 到lm3的工件并且沉积速率可以达到lkg/ho因此，高速的 电弧增材制造大型高密度部件的能力在这方面使得它比其 他方法具有巨大优势英国谢菲尔德大学的贝恩等人用六轴联动的机器人在 两轴的平台上对铜丝材进行电弧增材制造，获得了厚度为 20mm的箱体坯件组织性能接近同等条件下激光增材的性 能天津大学的尹玉环等人使用TIG电弧作为热源对5356 铝合金零件的增材成形进行了研究。

研究结果表明：同一层 成形时通过对道次间冷却时间的控制可以获得较好的增材 成形效果，而对整个成形件而言不同层之间冷却时间的合理 控制对获得良好的增材成形效果也起着至关重要的作用还 发现在后续焊接中采用不同的焊接速度虽然可以有效的控 制热输入量，但是如果焊接速度的差异过大将导致增材成形 过程的稳定性变差华中科技大学的王桂兰［7］等研究了电磁场对电弧熔积 快速成形温度场及参与应力的影响，研究结果表明：添加磁 场之后，成形件表面温度场各温度区域范围增大，熔积层表 面热循环峰值温度升高，冷却速度降低，成形件表面的纵向 和横向残余应力均减小电弧增材制造也存在一些不可回避的难题［8］：吹粉和 球化现象严重造成成形稳定性差、成形材料种类的局限性、 成型零件易发生开裂和变形综合力学性能较差、组织差异大 和需要较多的后期精加工等4. 2超声增材制造超声增材制造 Ultrasonic additive manufacturing （UAM）作为一种固态金属成形加工方式，它是运用超声波 焊接方法，通过周期性的机械操作，将多层金属带加工成三 维形状，最后成形为精确的金属部件下面是滚轴式超声焊 接系统，它是由两个超声传感器和一个焊接触角组成，传感 器的振动传递到磁盘型的焊接触角上，能够在金属带与基板 之间进行周期性的超声固态焊接，进而触角的连续滚动将金 属带焊在基板上。

这种技术能够使铝合金、铜、不锈钢和钛 合金达到高密度的冶金结合若将它与切削加工做比较，UAM 可以做出深缝、空穴、格架和蜂巢式内部结构，以及其他的 传统的切削加工无法加工的复杂结构5展望增材制造技术经过二三十年的探索发展，目前正处于蒸 蒸日上的时期，一方面期待在技术上有新的突破，提高增材 制造在材料、精度和效率上的要求；另一方面是基于现有技 术的新应用，拓宽增材制造的应用领域和范围相信在不久 的将来，一定能看到增材制造技术在航空航天领域的更大范 围的应用参考文献：[1] 田宗军，顾冬冬，沈理达，等•激光增材制造技术在 航空航天领域的应用于发展[J].航空制造技术，2015 (11)： 38-42.[2] 李涤尘，田小永，王永信，等•增材制造技术的发展 [A].地14届全国特种加工学术会议论文集[C1.2011.[3] 宋建丽，邓绮林，葛志军，等.鎳基合金激光快速成 形裂纹控制技术[J].上海交通大学学报，2006, 3.[4] 颜永年，齐海波，林峰，等•三维零件的电子束选区 熔化快速成形[J].机械工程学报,2007, 43 (6)： 87-92.[5] 杨鑫，奚正平，刘咏，等・TiAl基合金电子束快速成 形研究进展[J].稀有金属材料与工程，2011, 40 ( 12)： 2252-2256.[6] 锁洪波.解开电子束快速成型的神秘面纱[N].中国 航空报，2013-2-7 (T2)・[7] 王桂兰，孙怡峰，柏兴旺，等•电磁场对电弧熔积快 速成形温度场及残余应力的影响[J].焊接技术，2013, 42(3)： 6—8.[8] FUDE WANG, STEWART WILLIAMS, PAUL COLEGROVE, ALPHONS A. Mcrostrueture and Mechanical Properties of Wire and Arc Additive Manufactured TC4[J]・ METALLURGICAL AND MATERALS TRANSACTIONS A, 2012, 9(28)： 1123-1132.[9] R. J. Friel， R.A. Harris・ Ultrasonic additive manufacturi。