中國航天制造技術(shù)研究院單飛虎：金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

2019年9月19-21日，IAME中國（西安）國際3D打印博覽會(huì)暨高峰論壇將在西安高新國際會(huì)議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技創(chuàng)新的開放合作共享交流平臺(tái)，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打印）領(lǐng)域成果及人才，促進(jìn)行業(yè)各環(huán)節(jié)、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接融合。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體，到西安現(xiàn)場全程報(bào)道。

在2019IAME中國（西安）國際3D打印博覽會(huì)暨高峰論壇上，南極熊注意到2019年9月 20 日“增材制造技術(shù)與航空航天論壇”，中國航天制造技術(shù)研究院單飛虎做了主題是《金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展》的報(bào)告。

下面是南極熊根據(jù)現(xiàn)場速記整理的內(nèi)容：

金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展
增材制造技術(shù)的概況。

增材制造技術(shù)最早是美國引領(lǐng)，國外專利技術(shù)的一些開放，使中國的技術(shù)得到了發(fā)展的機(jī)會(huì)。我們?cè)诤娇罩性陲w機(jī)的更新?lián)Q代，現(xiàn)在呈現(xiàn)著多產(chǎn)品并行研究的態(tài)勢，小批量、多批次、常態(tài)化增材制造應(yīng)用比較明顯。針對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)等等，增材制造技術(shù)高溫合金、鈦合金等損傷零部件的快速修復(fù)，適應(yīng)未來戰(zhàn)爭的快速反映，以及高附加值零件的再制造，這是增材制造應(yīng)該走的方向。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，鈦鎂合金是個(gè)重要方向。

對(duì)承力構(gòu)件，例如飛機(jī)的骨架，有熔絲、激光送粉等等，我們都有應(yīng)用。下面從粉材、絲材、熱源不同種類，最后到用戶等等。接下來介紹五種主要的技術(shù)。

鋪粉技術(shù)，粉末床成型的，散熱性、剛性非常好，滿足輕量化的制造需求。

渦輪葉片，更適合于流道更復(fù)雜。大型框量結(jié)構(gòu)，我們成型的有鋁合金、高溫合金、合金鋼的等等。

我們現(xiàn)在主要做混合制造，混合制造有一個(gè)官方的報(bào)告，一個(gè)混合制造件裝在波音787上，是很典型的案例。混合制造是以增材制造技術(shù)為核心，通過多種工藝組合的方式，滿足功能的前提下提高效率、降低成本。混合制造有一個(gè)基板就可以作為其中的一部分，現(xiàn)在做得比較多的，就是電弧熔絲。限制熔絲技術(shù)的因素是真空室的大小，如果成本低、資金足夠，就可以建大的真空室，成型的構(gòu)件就會(huì)更大。

我們現(xiàn)在和601聯(lián)合做對(duì)耳片的修復(fù)，如果不采用混合制造的方法，單純做出來成本可能會(huì)非常、非常高。我們激光修復(fù)、激光同軸送粉的葉片的修復(fù)，可能會(huì)給葉片帶來第二次生命。激光束、電弧束的技術(shù)對(duì)比，都可以做大構(gòu)件，但是堆積成本、原材料的成本方面都有很大的區(qū)別，電弧成本比較低、效率比較高，它經(jīng)過熱冷擠壓以后，內(nèi)部的孔洞很少。

激光束和電子束鋪粉，激光的鋪粉可能對(duì)粉粒要求更細(xì)一點(diǎn)，電子束成本并不比激光要低。

下面集中講一下制造業(yè)增材制造的發(fā)展情況。

依托高能束流加工技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專用材料、專用裝備、制造工藝關(guān)鍵技術(shù)為核心，針對(duì)航空航天鈦合金、高強(qiáng)鋼等大型、復(fù)雜精密部件進(jìn)行研發(fā)，我們從1990年開始做。

對(duì)于電子束熔絲方面，市場上用得比較多的是美國的NASA，美國的SCIAKY，還有一個(gè)是我們中國航天制造技術(shù)研究院。這是我們做的三個(gè)產(chǎn)品，這個(gè)是在十二五期間就已經(jīng)做出來的產(chǎn)品，這個(gè)產(chǎn)品沒有裝機(jī)，但是已經(jīng)可以體現(xiàn)出一個(gè)能力的驗(yàn)證。

我們進(jìn)行力學(xué)解剖試驗(yàn)的時(shí)候，整體力學(xué)的性能優(yōu)于鍛件。這個(gè)是我們做的另外一些零部件，用電子束熔絲做出來的，有一些部分在地面試測階段了，在性能方面我們做了TC4、TC18等系列材料工藝體系，綜合性能與鍛件實(shí)測相當(dāng)，基本上達(dá)到了與鍛件相當(dāng)，基本上895左右，還有抗疲勞性能，通過多組的試驗(yàn)之后，TC4-DT三項(xiàng)基本上可以達(dá)到均衡的一個(gè)狀態(tài)。

突破的關(guān)鍵技術(shù)，是突破尺寸精度控制關(guān)鍵技術(shù)，如果精度控制不夠，成型件的質(zhì)量是不能滿足的。形成了針對(duì)不同材料及結(jié)構(gòu)的工藝，絲材其實(shí)是成為構(gòu)件的母材，我們的元素比較多，元素是要經(jīng)過一些補(bǔ)償?shù)模�這是我們的路徑化規(guī)劃，這個(gè)是激光選區(qū)熔化的一個(gè)格柵件，一個(gè)也比較常見，這是選區(qū)熔化的優(yōu)點(diǎn)，大家都知道了。我們做鈦合金比較多一些，我們突破了鋁合金格柵激光選區(qū)熔化成型制造工藝，研制出直升機(jī)換氣格柵件并裝機(jī)應(yīng)用。

這是點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)和夾心結(jié)構(gòu)，這個(gè)是相對(duì)容易一些，是一些常規(guī)構(gòu)件，我們現(xiàn)在做的時(shí)候，提出了“等應(yīng)力”的設(shè)計(jì)，大家做過就知道，在不同的狀態(tài)下變形開裂是非常常見的問題，我們還加了各種支撐，支撐加的方向、多少、布局合理不合理，這些問題都非常關(guān)鍵，現(xiàn)在我們?cè)谘芯俊暗葢?yīng)力”的設(shè)計(jì)，軟件可根據(jù)所受載荷條件自動(dòng)生成各截面應(yīng)力均衡的結(jié)構(gòu)，無應(yīng)力集中或者少應(yīng)力集中，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以，我們?cè)谠霾闹圃熘惺峭ㄟ^不斷的優(yōu)化，目前我們已經(jīng)做到了，基本上變形量也就在十幾個(gè)微米左右，已經(jīng)達(dá)到了很好的控制了，這是結(jié)合模擬實(shí)現(xiàn)的一個(gè)小閉環(huán)、初級(jí)閉環(huán)狀態(tài)。

我們后期通過前期的對(duì)比，把點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)又重新做了一遍，發(fā)現(xiàn)變形真的比較小一點(diǎn)，這是我們的打印的性能，特別是TC4性能達(dá)到了跟鍛件相當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，這是電子束選區(qū)熔化做的，我們做得比較好的就是葉片，它的延伸率是非常低的，通過增材制造延伸率在常溫下可以達(dá)到二點(diǎn)幾，這個(gè)是一個(gè)巨大的突破，我們現(xiàn)在做的這個(gè)工作，就是使它的延伸率更加保持穩(wěn)定，可以做到批產(chǎn)更好，現(xiàn)在在攻克這個(gè)難關(guān)，現(xiàn)在做了上百件產(chǎn)品都是比較穩(wěn)定，后面有裝機(jī)的應(yīng)用。

這個(gè)是修復(fù)技術(shù)，大家都講的比較多一點(diǎn)，必要性我就不說了，它是非常非常有作用，但是難度也是非常大，刑總說堆的時(shí)候是一個(gè)數(shù)學(xué)問題，他說得非常對(duì)，你是如何過渡，母材如何連接，這就是程序控制的底層的數(shù)學(xué)問題，當(dāng)然有材料的問題，但是最后的控制是數(shù)學(xué)底層的問題，這是一個(gè)界面問題，這個(gè)需要后期做大量的工作，才能把這個(gè)東西做得更穩(wěn)定，修復(fù)做得更完善，這是我們做了幾個(gè)增厚的方法，實(shí)測也比較好，我們跟商飛合作做項(xiàng)目，給他們提供產(chǎn)品的修復(fù)零件，通過做疲勞試驗(yàn)，疲勞極限可以達(dá)到鍛件的95%，而且它的壽命也是比較好的，所以，達(dá)到了我們修復(fù)的目的。

其實(shí)，前面講的那一部分混合制造，還有修復(fù)，以及我們的等應(yīng)力成型的方法，最后歸結(jié)到用這個(gè)模型，就是把前面把梁要挖一段，不能在上面直接成型，可能坑坑洼洼的不平，最后我們使它挖一塊，然后使里面的金屬盡可能的和斷面多接觸，相當(dāng)于面積增大，達(dá)到修復(fù)的效果，同時(shí)葉盤也是這個(gè)思想。

我們除了做這個(gè)工藝，我們還做大功率逆變電源、電子槍、增材制造監(jiān)控裝置、增材制造的處理軟件，我們有一個(gè)制造中心，大概有500多人，從機(jī)床到大家想到的市面上的床子基本上都可以做，我們這些東西都是他們做出來的。

這是我們目前在用的，已經(jīng)做出來的一個(gè)800×450×700的設(shè)備，這個(gè)已經(jīng)可以打成型零件，還有我們的電子束熔絲設(shè)備，這個(gè)我就不說了。

我們做了很久發(fā)現(xiàn)我們還是有很多不足，理論上面歸結(jié)為以下的五條。

• 第一，在理論上面主要是我們研究機(jī)理并不是，包括我們現(xiàn)在看到的文章不是那么深入，有一些東西不是拿來就可以用。
• 第二，關(guān)鍵共性技術(shù)研究不夠，這是現(xiàn)在增材制造的共性。
• 第三，材料研究技術(shù)薄弱，我們做的時(shí)候，有時(shí)候我們性能達(dá)不到要求，如果用材料到老外打的時(shí)候他們也達(dá)不到，但是他們的材料進(jìn)我們機(jī)器打，就可以達(dá)到，這個(gè)證明材料是非常關(guān)鍵的，我們研究的材料是聯(lián)合開發(fā)材料。
• 第四，是整體裝備和工業(yè)先進(jìn)水平低，我們裝備做的比較差一點(diǎn)，還是有待于改進(jìn)。
• 第五，核心元器件還是以來進(jìn)口，穩(wěn)定性還是不足。
  

技術(shù)全過程系統(tǒng)深入研究，技術(shù)支撐，開展增材制造設(shè)計(jì)、材料、工藝、裝備、質(zhì)量檢測、考核評(píng)價(jià)，應(yīng)用等全過程技術(shù)研究，現(xiàn)在缺的材料就是檢測，現(xiàn)在我們?cè)阂步�立了自己的�?biāo)準(zhǔn)體系，大家看看這個(gè)是比較全的，做得比較久一些，所以沉淀下來一些東西。

接下來就是成果的孵化，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在做的有一些東西是非常突出的，需要一個(gè)成果孵化基地，所以，想著的是聯(lián)系現(xiàn)在的大數(shù)據(jù)做一個(gè)孵化基地。

最后，就是我們需要進(jìn)一步解決的問題，就是產(chǎn)品的一致性、穩(wěn)定性、可靠性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證和提高，拓展可加工材料范圍，目前有一些材料我們打不出來，或者打出來性能不達(dá)標(biāo)，還有性能評(píng)估，如何評(píng)估也是亟待解決的問題，評(píng)估首先得檢測，剛才GE的工程師說的檢測，可能是檢測一些不是特別大的，有一些大構(gòu)件放都放不進(jìn)去，這正如王老師說的逐漸達(dá)到不可檢的狀態(tài)，檢測是我們的共性問題。

第四就是高端增材制造裝備的國產(chǎn)化，核心裝備是進(jìn)口的，軟件、硬件需要國產(chǎn)化。

第五，金屬增材制造的缺陷控制及組織性能控制是國內(nèi)外公認(rèn)的難點(diǎn)，成熟的材料工藝體系還不多，還有大量問題需要解決。

第六，激光、電子束、電弧直接沉積大型金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)在尺寸精度和表面質(zhì)量進(jìn)一步要改善，包括大家看到表面挺光滑，但是這個(gè)量比較大，成型精度直接決定了我們的質(zhì)量，可能稍微彎一點(diǎn)點(diǎn)，這個(gè)件就浪費(fèi)掉了。

第七，就是增材制造與鍛造、焊接技術(shù)等聯(lián)合的混合制造，有利于高效成型和降低成本，是未來開發(fā)的成本，在鍛件上直接成型達(dá)到混合成型，使一些不太復(fù)雜的件焊上就行，我們的鍛件，我們?cè)霾耐旰湾懺斓�，雖然是同一個(gè)成分，但是精度參數(shù)、熱力條件是不太一樣的，如果我們直接做，直接焊或者直接什么都有問題，這個(gè)也需要研究的。

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