航空裝備雷射增材製造技術發展及路線圖

雷射增材製造的 Eurostar E3000 衛星支架

航空發動機燃油噴嘴、軸承座、控制殼體、葉片等零件，內部具有複雜油路、氣路和型腔，為提高效能而進行結構創新設計，更增加了結構的複雜性和製造難度。飛機發動機艙進、排氣門格柵結構，武器艙的艙門支座等部件，結構非常複雜，這些新型複雜構件的成形對基於雷射選區熔化的增材製造技術具有迫切需求。

航空發動機各類機匣、壓氣機/渦輪整體葉盤、尾噴調節片等結構，形狀複雜，為提高效能甚至需採用異種或梯度材料結構。飛機超高強度鋼和不鏽鋼接頭、滑軌、起落架，鋁合金承力框、梁，鈦合金框、支座、滑軌、滑輪架、筋壁板等承力構件，高馬赫飛行器翼舵格柵結構承載骨架，為提高減重和承載效能須進行拓撲優化結構創新設計，結構的複雜性和製造難度增加，採用傳統工藝製造難度大，對雷射直接沉積增材製造具有明確技術需求。

Trent XWB-84 發動機中間級壓縮機匣,該機匣採用包括增材製造工藝和新的焊接技術等最新設計方法和製造技術。

高推重比發動機渦輪進口溫度的提高，要求採用超高溫金屬間化合物以及金屬基/陶瓷基復合材料等新型高溫結構材料。新型高溫/超高溫材料零部件的研製對雷射增材製造技術提出了潛在需求。

飛機、發動機某些帶局部凸台、耳片等特殊結構的承力構件，採用鍛造工藝無法保證局部組織和性能；大型飛機的超大規格鈦合金承力框，超出現有鍛造設備的加工能力。對鍛造+增材製造/增材連接的復合製造技術具有明確技術需求。

雷射增材製造技術經過近年的項目支持，基本解決了原材料、成形工藝、複雜零件製造等關鍵技術，開始獲得應用。目前制約雷射增材製造大規模應用的瓶頸之一是疲勞問題。需要特別重視雷射增材製造疲勞問題的原理性研究。

為了提高航空產品雷射增材製造的工藝過程穩定性和質量，需要發展基於熔池動態監測、粉末床和熔融層可見光檢測的在線監測、檢測技術。

航空領域對雷射增材製造的需求主要體現以下幾個方面：

（1）飛機鈦合金框梁重要承力結構高性能高可靠雷射直接沉積；

（2）飛機超高強度鋼起落架抗疲勞長壽命雷射直接沉積；

（3）飛機鈦合金、鋁合金格柵點陣複雜結構雷射選區熔化；

（4）航空發動機燃油噴嘴類零件雷射選區熔化；

（5）航空發動機渦流器、葉片類零件雷射選區熔化；

（6）航空發動機控制、附件殼體類零件雷射選區熔化；

（7）航空發動機機匣、軸承座類承力零件雷射選區熔化；

（8）航空發動機整體葉盤/機匣類承力零件雷射直接沉積；

（9）飛機、發動機超大規格結構鍛造+增材製造/增材連接的復合製造；

（10）雷射增材製造疲勞問題的原理性研究；

（11）雷射增材製造過程的在線監測、檢測技術研究。

2.目標

突破飛機、發動機材料雷射增材製造缺陷、組織、力學性能控制關鍵技術，掌握粉末設計與製備技術，制定材料、工藝、檢測標準，建立工藝、性能資料庫和冶金圖譜，掌握零件產品質量控制技術，制定零件產品技術標準。在產品增材製造質量控制技術、產品技術標準研究和零件充分考核驗證的基礎上，推進雷射增材製造在航空、航天、船舶、核工業等重點製造領域的應用。至2035年，在航空領域普通金屬雷射增材製造全面量產應用；金屬間化合物增材製造的組織-性能-變形控制技術全面突破，性能驗證基本完成，功能考核部分完成，部分產品進入量產。鈮-矽、陶瓷基材料增材製造物理冶金原理得到揭示，性能驗證基本完成，部分產品開始裝機應用。

基於分區掃描成形的雷射增材製造工藝（a）、（b）分區掃描軌跡規劃；（c）增材製造毛坯。

/ 2035年發展路線圖

l 重點產品

（1）飛機：

鈦合金框梁重要承力結構；

超高強度鋼起落架外筒；

鈦合金、鋁合金格柵點陣複雜結構。

（2）發動機：

航空發動機燃油噴嘴類零件；

航空發動機渦流器、葉片類零件；

航空發動機控制、附件殼體類零件；

航空發動機機匣、軸承座類承力零件；

航空發動機整體葉盤/機匣類承力零件。

2035年航空領域雷射增材製造技術發展路線圖

l 關鍵共性技術

（1）雷射選區熔化用高品質粉末成分設計與製備技術

雷射增材製造成形製件的組織與鑄件、塑性成形件具有顯著差別，為獲得相當的性能水平，通常需要對材料成分進行設計調整，即開發適合增材製造的專用材料。為獲得良好的成形工藝性、優良的製件內部和外部質量，雷射選區熔化增材製造工藝對所採用的粉末原材料的質量，如粉末的球形度、空心粉率、氣體含量、夾雜率、粒徑分布、流動性等，均提出嚴格的要求。加之所採用的材料為了提高力學性能，均採用特殊的成分體系，導致其液態和固態塑性加工性能較差。這些都增加了高品質粉末製備的挑戰性。

（2）雷射增材製造的缺陷控制和組織性能改善技術

飛機、發動機優良的綜合性能的獲得，通常以犧牲材料的熱加工性為代價。用於燃油噴嘴、渦流器等零件的高溫合金、鈦合金、鋁合金、馬氏體不鏽鋼等材料，在凝固過程中，發生裂紋的傾向性普遍較高，容易導致製件報廢，或嚴重降低製件的可靠性。對於鈦合金的增材製造，產生氣孔的機率很高。增材製造採用逐層堆積，如工藝參數選取不合適，容易在層間產生未熔合或熔合不充分等缺陷。飛機重要承力結構，要求長壽命、抗疲勞、高可靠。發動機熱端部件還對持久、蠕變等性能提出了要求，這就要求對增材製造的組織形態進行嚴格的控制。因此，需要通過工藝優化及合適的後續處理，防止缺陷產生、獲得優良組織，保證製件性能。由於工藝參數的調整，對於不同性質缺陷的產生、組織形態和力學性能的變化等所產生的影響十分複雜，最優的工藝窗口可能很窄，必須經過實質上的一個多目標優化過程才可能確定。

（3）複雜結構精確成形的增材製造應力變形控制技術

增材製造過程的逐層堆積引起熱應力和變形的累積。每層材料的熔融、凝固均會產生一次凝固收縮。因此，增材製造的製件內部存在較大的應力，這會引起製件開裂或宏觀變形。對於飛機框梁、起落架等大投影面積、大厚度結構，以及發動機燃油噴嘴、渦流器、機匣等複雜、薄壁結構，應力變形問題更為突出，導致製件外觀尺寸和內部通道等形狀控制難度大為增加。因此，需要通過優化製件的空間擺放，採用合適的沉積策略、工藝支撐，優化成形工藝參數、採用合適的預熱及後熱處理，才能實現對應力變形的有效控制。

（4）雷射選區熔化成形複雜結構的評價與測試技術

雷射增材製造技術應用于飛機重要承力和功能結構，其內部缺陷、組織特點不同於鍛造、鑄造結構，導致傳統的檢測、評價方法和技術標準未必適用。雷射增材製造技術應用於發動機燃油噴嘴、渦流器、軸承殼體等帶內部流道或者中空薄壁類的複雜結構，這些結構的內部流道角度、形狀和尺寸公差、表面粗糙度，對結構功能均有重要影響；但是這些結構特徵採用常規的檢測技術難以檢測，必然會對增材製造技術的推廣應用造成限制。由於雷射選區熔化成形材料及結構的組織、缺陷有其特殊性，常見的氣孔、未熔合、裂紋等缺陷的尺寸僅為微米量級，採用常規的方法難以檢測，另外，材料的組織特徵及缺陷的類型、尺寸、分布等對結構的力學性能、可靠性和使用壽命影響還缺乏系統性研究。這些問題嚴重限制了雷射增材製造技術在航空領域應用。

（5）增材製造元件級及零件級力學性能考核

由於增材製造與傳統的鑄造、鍛造組織缺陷存在明顯差異，使增材製造構件的力學性能及其斷裂行為存在顯著不同。對於增材製造整體葉盤，如何表征材料及整體葉盤的力學行為也是亟待解決的科學問題之一。增材製造整體葉盤的力學行為研究，包括增材製造材料力學行為、元件級（單元體）力學行為、零件典型件力學行為研究。對於單元體力學行為、零件典型件力學行為，國內還沒開展相關研究，國外RR、GE、MTU等機構的研究也鮮有公開報道，仍處於保密階段。

/ 結論與建議

（1）增材製造特別適合零件的快速研製、快速驗證和設計改進，並且支持結構設計創新，因此在飛機鈦合金承力框、滑輪架和超高強度鋼起落架外筒等重要承力結構以及飛機艙門連接件、輔助動力艙進氣門、排氣門格柵結構、武器艙門支座、橫樑等複雜結構的製造中得到應用，在航空發動機燃油噴嘴、渦流器、渦輪葉片、傳感器殼體、燃油控制系統殼體等複雜結構的製造中也得到批量應用。不僅縮短了零件研製周期，降低了製造成本，而且增加了設計的自由度，通過結構功能一體化設計創新，取得了質量減輕、承載耐溫能力提高、工作效能提高等效果。一方面加快了飛機、發動機的研製進度，另一方面由於採用結構功能一體化製造，大大減少了零件數量，顯著提高了裝備的可靠性。

（2）國內增材製造技術發展仍存在短板和不足，制約著增材製造技術創新及產業化應用。增材製造設備雷射器、光路、加工頭等核心器件自主保障能力不足，零件數模切片、掃描路徑規劃、實時監測控制軟體研發能力欠缺，限制了工藝創新的上升空間。對傳統材料和新材料增材製造組織、性能、缺陷、應力變形發展規律的研究不深入，導致製件增材製造的控性控形工藝開發效果不佳。對於粉末、絲材原材料和增材製造工藝過程的質量控制以及製件性能評價研究不充分，導致相關材料規範、工藝標準、檢測方法、產品技術標準的缺失，嚴重製約增材製造的批量化規模化應用推廣。

（3）為推動我國增材製造技術在航空領域的發展和應用推廣，需要從科研項目支持、科研生產條件配套、設備研發能力提升等方面提供全方位的戰略保障。具體建議如下：

設立不同類型科研項目支持技術研發

結合在研、在役飛機、發動機型號研製和性能提升，設立型號課題，針對已具備較好研究基礎的TC4鈦合金、AlSi10Mg鋁合金、GH3536高溫合金增材製造技術，支持開展工程化應用研究，解決產品質量控制和產品技術標準關鍵技術，推動技術的規模化量產應用。針對預研飛機、發動機型號研製需求，設立預先研究課題，針對高強高韌鈦合金、高鋁鈦高溫合金等高性能材料增材製造技術，支持開展控性、控形關鍵技術，研製典型零件並開展相關考核試驗，推動技術型號應用。面向未來飛機、發動機型號需求，設立應用基礎研究課題，支持開展超高溫結構材料、新型材料、新型結構增材製造技術研究，為新概念航空裝備設計製造儲備技術基礎。

配套科研條件建設

根據型號課題、預先研究課題、應用基礎研究課題需要，進行配套科研條件建設，建立各階段研究所需設備、計算機軟體等硬、軟體設施。

支持相關基礎元器件、設備集成、軟體開發

支持提升國內增材製造設備集成能力、重要核心元器件的研發製造能力，支持開展國內數模切片軟體、掃描策略規劃軟體、工藝參數控制軟體、模擬仿真軟體的優化、開發，提高裝備和工藝的智能化水平。

航空裝備雷射增材製造技術發展及路線圖

王天元，黃帥，周標，鄭濤，張國棟，郭紹慶

《航空材料學報》2023,43（1）：

doi:10.11868/j.issn.1005-5053.2022.00

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