導讀：金屬材料增材制造技術(shù)，又稱3D打印技術(shù)、激光快速成型技術(shù)，由于能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復雜結(jié)構(gòu)金屬零件的無模具、快速、全致密近凈成形，成為應(yīng)對飛機及航空發(fā)動機領(lǐng)域技術(shù)挑戰(zhàn)的最佳新技術(shù)途徑。
整體葉盤結(jié)構(gòu)示意圖
該技術(shù)主要以金屬粉末（尺寸小于1mm的金屬顆粒群）、顆粒或金屬絲材為原料，通過CAD模型預分層處理，采用高功率激光束熔化堆積生長（“增材制造”），直接從CAD模型一步完成高性能構(gòu)件的“近終成形”。該技術(shù)可分為激光選區(qū)熔化（SLM）、激光直接沉積（LMD）、電子束選區(qū)熔化（SEBM）、電子束熔絲沉積（EBF）和電弧熔絲沉積（WAAM），如圖1所示。
先進飛機的設(shè)計、材料與制造技術(shù)對于國防工業(yè)的發(fā)展有關(guān)鍵性的作用，先進航空制造技術(shù)是體現(xiàn)一個國家科技水平、軍事實力和綜合國力的重要標志之一。為了提高飛機的戰(zhàn)技指標或飛行性能以及經(jīng)濟性、可靠性，先進飛機和發(fā)動機越來越多地增加鈦合金、高溫合金、高強鋁合金和超高強度鋼等高強度合金的用量，且結(jié)構(gòu)越來越復雜，加工精度要求越來越高，對制造工藝提出了更高的要求。此外，通常高強度合金的熱加工和力學性能加工都很困難，飛機及航空發(fā)動機中復雜高強度合金構(gòu)件用量的增加，導致了高強度合金大型復雜整體結(jié)構(gòu)件和精密復雜構(gòu)件的制造尤為困難，成為制約先進飛機及航空發(fā)動機發(fā)展的瓶頸之一。
各增材制造技術(shù)的特點
結(jié)合目前已有的技術(shù)成果以及航空發(fā)動機零部件的特點，增材制造技術(shù)在航空發(fā)動機中的應(yīng)用優(yōu)勢主要如下：
拓寬設(shè)計自由度。航空發(fā)動機零部件結(jié)構(gòu)復雜，傳統(tǒng)制造需要模具加工而來。增材制造技術(shù)則跨越造模這個環(huán)節(jié)，無需刀具、模具及工裝卡具，即可將任意復雜形狀的設(shè)計方案通過計算機圖形數(shù)據(jù)快速加工生成實體產(chǎn)品，并能對產(chǎn)品設(shè)計進行不斷優(yōu)化。
減少產(chǎn)品上市時間。通過增材制造技術(shù)制造的每件產(chǎn)品都是單獨成形，不需要模具，使復雜的設(shè)計不再造成額外成本增加；同時與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)通過摒棄生產(chǎn)線而降低成本。從產(chǎn)品的全過程分析，增材制造技術(shù)使一些產(chǎn)品零部件的庫存只需要保留電子文檔，而無需制造出來存在倉庫，一旦有需要，直接制造即可，從而減少庫存和物流工作。
降低材料成本、機加工成本。相比一些傳統(tǒng)工藝加工的零部件相比，增材制造技術(shù)生產(chǎn)出的零部件加工余量小，加工周期短。
適合整體設(shè)計制造，提高結(jié)構(gòu)效能和可靠性。如圖2所示將發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片與輪盤進行整體設(shè)計與制造，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，由于省去了榫頭、榫槽和鎖緊裝置，可使發(fā)動機重量減輕20%~30%，零件數(shù)量減少50%，結(jié)構(gòu)更加簡化，可靠性更高。同時，避免了榫頭的氣流損失，提高了壓氣機工作效率。
但同時，增材制造技術(shù)也有一定的局限性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
工藝制造。增材制造不適于直接制造高精度零件。由于通過增材制造技術(shù)制造的零件是一層一層堆積而成，所以每一層都有它的厚度，這就決定了它的表面粗糙度難以企及傳統(tǒng)的減材制造方法。同時，由于存在一些難以克服的問題，它很難制造類似軸承、滾珠類的產(chǎn)品。
材料領(lǐng)域。增材制造技術(shù)還未形成廣泛的工業(yè)應(yīng)用，最主要原因是適用原材料種類有限，許多原材料不能滿足設(shè)計要求。原材料是用于逐層堆積制作零部件的基礎(chǔ)原材料，也是增材制造技術(shù)的核心。目前可應(yīng)用于增材制造的原材料種類較少，大量材料的應(yīng)用潛能也未開發(fā)出來。
適航取證。目前各大航空發(fā)動機公司對增材制造的實際應(yīng)用顯得異常審慎。如霍尼韋爾航空航天集團通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)的零部件仍然只是用于適航取證的測試件，并未投入實際生產(chǎn)中。事實上，在航空制造領(lǐng)域，短時間內(nèi)增材制造技術(shù)還無法完全替代傳統(tǒng)的制造工藝。一些企業(yè)希望從風險最低的、小的零部件開始，逐步推進，并以最安全的方式進入到生產(chǎn)階段。對于新技術(shù)的應(yīng)用，提倡循序漸進的開發(fā)和使用，無論是原材料、工藝還是系統(tǒng)方面，都要經(jīng)過嚴格的驗證，在被確認是成熟的且具有長期利用價值后才會取得適航許可，從而確保萬無一失。
總之，金屬增材制造技術(shù)作為一種兼顧精確成形和高性能成形需求的一體化制造技術(shù)，已經(jīng)在航空制造領(lǐng)域顯示了廣闊和重要的應(yīng)用前景。但是，相比于傳統(tǒng)鑄鍛等熱加工技術(shù)和機械加工等冷加工技術(shù)，金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展歷史畢竟僅有近30年，其技術(shù)成熟度相比傳統(tǒng)技術(shù)還有很大差距，在很大程度上制約了金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。這也意味著，對于金屬增材制造技術(shù)，仍有大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究工作有待開展。
來源：中國航空報
