增材制造概念的提出始于20世紀80年代后期，我國則于90年代初期開始相關研究。經過短短20余年的時間，這一技術已取得了飛速發展，在航空航天、微納制造、生物醫學工程等諸多領域的應用前景十分廣闊。航空航天工業在20世紀80年代末開始使用增材制造技術，最初增材制造在航空制造業只扮演了快速原型的小角色。而最近的發展趨勢顯示，這一技術將在整個航空航天產業鏈占據戰略性的地位。市場調查公司SmarTech Markets2014年初發布的報告中稱，增材制造在航空航天領域未來10年的產業規模將達到12億美元。增材制造技術之所以能在航空航天領域獲得快速發展，主要是因為其不僅在無需模具和鍛造的情況下幫助航空航天企業制造極其復雜的零件，一體成形大型承力結構件，減少零部件重量，縮短生產周期，而且能夠減少設備所需要的零件數量，從而節省成本，提高可靠性。

    本文在簡要闡述激光增材制造技術原理和特點基礎上，介紹其在航空航天領域應用的主要工藝：激光熔化沉積（Laser Melting Deposition，LMD）技術、激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術，歸納了增材制造材料體系及其在航空航天領域的具體應用，并探討了激光增材制造技術的研究現狀和發展趨勢。

激光增材制造技術原理與特點

    激光增材制造技術是一門融合了激光計算機軟件、材料、機械、控制等多學科知識的系統性、綜合性技術。采用離散化手段逐點或逐層“堆積”成形原理，依據產品三維CAD模型，快速“打印”出產品零件，徹底改變了傳統金屬零件，特別是高性能難加工、構型復雜等金屬零件的加工模式。

    激光增材制造技術在航空航天領域主要應用于結構和功能性金屬部件的快速制造，迄今為止發展比較成熟的工藝有激光熔化沉積技術和激光選區熔化技術。

1 激光熔化沉積（LMD）

    LMD技術作為激光金屬增材制造技術的一種典型工藝，是將增材制造的“疊層累加”原理和激光熔覆（Laser Cladding）技術有機結合，以金屬粉末為加工原料，通過“激光熔化-快速凝固”逐層沉積，從而形成金屬零件的制造技術。其技術原理如圖1所示，是利用激光的高能量使得金屬粉末和基材發生熔化，在基材上形成熔池，熔化的粉末在熔池上方沉積，冷卻凝固后在基材表面形成熔覆層。根據成形件CAD模型的分層切片信息，運動控制系統控制X、Y工作臺、Z軸上的激光頭和送粉噴嘴運動，逐點、逐線、逐層形成具有一定高度和寬度的金屬層，最終成形整個金屬零件。

2 激光選區熔化（SLM）

    激光選區熔化技術是由德國Fraunhofer研究所于1995年最早提出的，它與激光熔化沉積的主要不同點在于激光功率和加工原料供給方式。為了保證金屬粉末材料的快速熔化，SLM技術需要高功率密度激光器，使光斑聚焦到幾十到幾百微米。其技術原理如圖2所示，根據成形件的三維CAD模型的分層切片信息，掃描振鏡控制激光束作用于成形缸內的粉末，一層掃描完畢后，活塞缸內的活塞下降一個層厚距離，接著送粉缸上升一個層厚的距離，鋪粉系統的輥筒鋪展一層厚的粉末沉積于已成形層之上。然后重復上述兩個成形過程，直至所有三維CAD模型的切片層全部掃描完畢。這樣，三維CAD模型經逐層累積方式可直接成形金屬零件。

3 技術特點

    直接沉積增材制造技術具有以下特點：無需零件毛坯制備，無需鍛壓模具加工，無需大型或超大型鍛鑄工業基礎設施及相關配套設施；材料利用率高，機加工量小，數控機加工時間短；生產制造周期短；工序少，工藝簡單，具有高度的柔性與快速反應能。另外，采用該技術還可根據零件不同部位的工作條件與特殊性能要求實現梯度材料高性能金屬零件的直接制造，適用于大型結構件或者結構不是特別復雜的功能性零件的加工制造。

    激光選區熔化技術可直接制成終端金屬產品，省掉中間眾多過渡環節；零件具有很高的尺寸精度及較好表面質量（Ra為10~30μm）；適合各種復雜形狀的工件，尤其適合內部有復雜異型結構、用傳統方法無法制造的復雜工件；適合單件和小批量復雜結構件無模、快速響應制造。

激光增材制造材料體系及應用

1 可用于激光增材制造技術的航空航天材料

    （1）鈦合金。航空航天用鈦合金零件具有超大外形尺寸、成形加工性能差、制造工藝復雜的特點，且具有多品種、小批量和快速響應等要求，給傳統加工帶來了很大的困難，而激光增材制造技術恰恰可以滿足這些要求。TC4鈦合金在航空航天工業中主要用于框架、梁、接頭、葉片等部件。該合金具有良好的熱塑性和可焊性，非常適合激光增材制造。此外，激光快速成形出的TA15、TC21、TC18、TC2等鈦合金先進飛機大型整體主承力關鍵結構件，TC11、TC17、Ti60等鈦合金整體葉盤等航空發動機關鍵部件也已在飛機研制和生產中得到成功應用。

    （2）鋁合金。對于力求減重、降低成本的航空航天領域來講，鋁合金一直是最主要的結構材料之一，特別是飛機制造業。然而，鋁合金作為增材制造材料存在工藝難點：導熱性能強、粉材質量太輕導致流動性太差、過高的反射率。德國Fraunhofer研究所于2013年已經成功攻克了該項技術難題，并且已經由EOS和Concept Laser等世界一流金屬三維打印公司進行推廣。現在可進行激光3D打印的鋁合金材料有AlSi10Mg、A6061、AlSi12、AlSi12Mg，圖3為SLM技術成形的輕質AlSiMg合金零件。另外，AlSi7Mg、AlSi9Cu3、AlMg4.5Mn4和6061等鋁合金材料也已被研究和應用。

（3）銅合金。銅合金具有良好的導熱、導電性能和較好的耐磨與減磨性能，是發動機燃燒室及其他零件內襯的理想材料。然而，這種屬性卻給銅合金增材制造帶來挑戰，而且銅粉具有較高的反射率，加上容易被氧化，激光很難連續熔化銅合金粉末，所以向銅粉里添加元素來改變粉材的熱物特性對于激光增材成形至關重要。2015年4月，美國NASA工程人員通過3D打印了首個全尺寸銅合金火箭發動機零件，該零件是由NASA格倫研究中心的材料科學家創造的GRCo-84銅合金制造而成，如圖4所示。

    （4）高溫合金。Inconel 718合金中含有鈮和鉬等元素，在700℃時具有高強度、良好的韌性和耐腐蝕性，常用于汽輪機和火箭液體燃料中的零部件。此類合金還具有良好的可焊性，無焊后開裂傾向，所以特別適用于激光增材制造。另外，Inconel 625和Inconel 738也是該系列中被重點研究和應用的兩種材料。此外，Inconel 600、Inconel 690和Inconel 713等材料也被用于激光增材制造技術成形研究中。

    （5）Invar合金。Invar合金號稱金屬之王，物理屬性非常穩定，幾乎不會因為溫度的極端變化而收縮或膨脹，因此，是理想的光學設備平臺和穩定性要求比較高的設備平臺制造材料，在航天領域應用廣泛。Goddard太空飛行中心的技術專家Tim Stephenson與EOS北美公司合作，首次使用激光選區熔化技術開發了Invar合金結構。

    （6）其他材料。錸合金、鉬合金、鎢合金、鈦、鉭、釩、梯度功能材料、金屬間化合物等航空航天用材也都逐漸發展出激光增材制造工藝。

2 具體應用

    航空航天飛行器越來越先進、越來越輕、機動性也越來越好，這對結構件提出了更高的要求：輕量化、整體化、長壽命、高可靠性、結構功能一體化、低成本運行。增材制造技術就是滿足這些要求的“靈丹妙藥”。增材制造在航空領域的應用主要包括以下幾個方面。

    （1）大型整體結構件、承力結構件的加工，可縮短加工周期，降低加工成本。為了提高結構效率、減輕結構重量、簡化制造工藝，國內外飛行器越來越多地采用大型整體鈦合金結構，但是這種結構設計給制造帶來了極大的困難。目前美國F35的主承力構架仍靠幾萬噸級的水壓機壓制成形，然后還要進行切割削制、打磨，不僅制作周期長，而且浪費了大量的原材料，大約70%的鈦合金在加工過程中成為邊角廢料，將來在構件組裝時還要消耗額外的連接材料，導致最終成形的構件比增材制造出來的構件重將近30%。

    圖5為北京航空航天大學在2013年北京科博會現場展示的“眼鏡式”鈦合金主承力構件加強框。與鍛造相比，該鈦合金大型復雜整體構件的材料利用率提高了5倍、制造周期縮短了2/3、制造成本降低了1/2以上。

    （2）優化結構設計，顯著減輕結構重量，節約昂貴的航空材料，降低加工成本。減輕結構重量是航空航天器最重要的技術需求，傳統制造技術已經接近極限，而高性能增材制造技術則可以在獲得同樣性能或更高性能的前提下，通過最優化的結構設計來顯著減輕金屬結構件的重量。根據EADS介紹，飛機每減重1kg，每年就可以節省3000美元的燃料費用。圖6為EADS公司為空客加工的結構優化后的機翼支架，比使用鑄造的支架減重約40%，而且應力分布更加均勻。

    （3）加工復雜形狀、具有薄壁特征的功能性部件，突破傳統加工技術帶來的設計約束。“制造改變設計”將成為可能，增材制造技術將必然帶來對CAD模型的新的設計要求，帶來設計方面革命性的變化。新型航空航天器中常需制造出復雜內流道結構以便于更理想的溫度控制、更優化的力學結構，避免危險的共振效應、同一零件不同部位承受不同的應力狀態。增材制造區別于傳統的機械加工手段，幾乎不受限于零件的形狀，且可以獲得最合理的應力分布結構，通過最合理的復雜內流道結構實現最理想的溫度控制手段，通過不同材料復合實現同一零件不同部位的功能需求等。圖7為通用航空公司設計的內置流道的航空發動機葉片。

    （4）通過激光組合制造技術改造提升傳統制造技術，實現復合加工。一方面，激光增材制造技術可以實現異質材料的高性能結合，可以在鑄造、鍛造和機械加工等傳統技術制造出來的零件上任意添加精細結構，并且使其具有與整體制造相當的力學性能；另一方面，激光增材制技術可以制造毛坯，而后用減材制造的方法進行后處理。因此，可以把增材制造技術成形復雜精細結構、直接近凈成形的優點與傳統制造技術高效率、低成本、高精度、優良的表面質量的優勢結合起來，形成最佳的制造策略，如圖8所示。

 （5）航空功能性零件的快速修復。飛機修復中常需要更換零部件，僅拆機時間就長達1~3個月。而利用增材制造將受損部件視為基體增長材料，不僅可以實現在線修復，而且修復后的零件性能仍然可以達到甚至超過鍛件的標準。以制造成本高昂的整體葉盤為例，近幾年來包括美國GE公司、美國H&R Technology公司、Optomec公司以及德國Fraunhofer研究所在內的多個研究機構開展了整體葉盤的激光成形修復技術研究。2009年3月，作為美國激光修復技術商用化推進領頭羊的Optomec公司宣稱其采用激光成形修復技術修復的T700整體葉盤通過了軍方的振動疲勞驗證試驗。圖9為Fraunhofer研究所激光增材制造修復葉片過程。

激光增材制造技術在航空航天領域的發展和展望

1 研究現狀

    依靠自身的技術特點，激光增材制造技術在航空航天工業制造中展現出無與倫比的優越性。美國和歐盟等國家開始大力發展增材制造，以將其應用于航空航天領域。2012年8月，美國增材制造創新研究所成立，它聯合了賓夕法尼亞州、俄亥俄州和弗吉尼亞州的14所大學、40余家企業、11家非營利機構和專業協會。歐洲航天局則于2013年10月公布了“驚奇”計劃，該計劃將匯集28家機構來開發新的金屬零部件，新部件要比常規部件更輕、更堅固、更廉價，旨在“將3D打印帶入金屬時代”。此外，美國波音公司、Lockheed Martin公司、GE航空發動機公司、Sandia國家實驗室和Los Alomos國家實驗室、歐洲EADS公司、英國Rolls-Royce公司、法國SAFRAN公司、意大利AVIO公司、加拿大國家研究院、澳大利亞國家科學研究中心等大型公司和國家研究機構都對增材制造在航空航天領域的應用開展了大量研究工作。

    我國的金屬材料激光增材制造處于世界先進水平，但是仍與歐美等發達國家存在一定差距。西北工業大學、北京航空航天大學、南京航空航天大學等團隊針對航空航天等高技術領域對結構件高性能、輕量化、整體化、精密成形技術的迫切需求，開展了鈦合金、高溫合金、超高強度鋼和梯度材料激光立體成形工藝研究，突破了結構件的輕質、高剛度、高強度、整體化成形，應力變形與冶金質量控制，成形件組織性能優化等關鍵技術。

2 挑戰與展望

    隨著激光增材制造技術的發展，其在航空航天制造領域扮演著愈來愈重要的較色，但是要真正實現大規模產業化應用，還有很長的路要走。航空航天工業制造工藝的特殊性對激光增材制造提出了更高的要求。

    （1）進行更加深入的機理研究。激光金屬增材制造的物理、化學、力學和材料冶金現象極其復雜，技術難度很大，國內外對金屬零件激光增材成形內部組織形成規律和內部缺陷形成機理、零件內應力演化規律及變形開裂行為等關鍵基礎問題缺乏深入的認識和研究，而更深入的機理研究可為工藝優化提供理論基礎。

    （2）優化的工藝保證更高的加工質量。航空航天工業高工藝要求對激光增材制造技術提出更大的挑戰，需擴大材料體系、突破零件尺寸來擴大激光增材技術適用范圍，開發實時監測反饋系統、優化設備和工藝參數來提高加工精度及表面質量。

    （3）質量檢測新手段和新的加工標準的建立。由于激光增材成形零部件往往形狀非常復雜，而且在制造的時候是一體式一次制造完成，因此應改進傳統的檢測方法以避免對部件造成影響，而新的檢測手段必然會引起加工標準的變革。

    （4）更優化的軟件、數據庫支持。增材制造成形路徑的規劃、支撐添加以及數據庫參數支持對加工質量和成形效率有著決定性的影響。

    （5）激光增材制造技術和傳統加工技術的有機結合。將增材制造技術成形復雜精細結構、直接近凈成形的優點與傳統制造技術高效率、低成本、高精度、優良的表面質量的優勢結合起來，形成最佳的制造策略。

    （6）承擔更多航空航天領域的加工制造。

結束語

    激光增材制造在航空航天領域的研究和應用越來越廣泛，在先進制造技術發展的同時，也促進了結構設計思想的解放和提升，兩者的相互促進必將對未來航空航天制造領域產生深遠影響。

    激光增材制造是涉及激光、機械、數控、材料等的多學科交叉新技術，并且發展時間很短，相對于鑄、鍛、焊、粉末冶金、機械加工等傳統的制造技術而言，其技術成熟度還有顯著差距，需要開展系統深入的基礎研究和工程化研究工作。此外，多團隊的精誠合作也是保障增材制造得以進一步發展的基石，以利于增材制造在航空領域發揮更大的作用。

    高速、高機動性、長續航能力、安全高效低成本運行等苛刻服役條件對飛行器結構設計、材料和制造提出了更高要求。增材制造讓飛行器輕量化、整體化、長壽命、高可靠性、結構功能一體化以及低成本運行成為可能，而航空航天領域則讓增材制造插上了騰飛的翅膀！