頂刊長篇綜述：5萬字51張圖！航空發(fā)動機關(guān)鍵材料激光增材制造

來源：材料科學與工程

航空航天是增材制造(AM)發(fā)展的關(guān)鍵市場驅(qū)動力，因為其高價值的零件往往需要多品種小批量生產(chǎn)、高度集成的復雜結(jié)構(gòu)和快速高效的制造流程。激光增材制造(LAM)航空發(fā)動機材料近年來取得了快速而顯著的進展，包括先進的高強度鋼、鎳基高溫合金和鈦基合金等。盡管新興材料(如高/中熵合金和異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料)具有良好的機械性能，但在實際應(yīng)用于發(fā)動機零件之前，仍然需要嚴格的表征、測試、鑒定和認證。因此，深入了解這些廣泛使用的航空發(fā)動機材料的工藝參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)-機械性能之間的關(guān)系，對于推動優(yōu)質(zhì)高性能合金的發(fā)展仍然十分重要。

新加坡制造技術(shù)研究院的研究人員對激光粉末床熔融(LPBF)和激光定向能量沉積(LDED)制備的關(guān)鍵航空發(fā)動機材料進行了綜述，總結(jié)了這些航空發(fā)動機材料的材料特性和性能范圍，并概述了當前的研究空白區(qū)。此外，對LAM面向航空發(fā)動機材料的研究機遇、新材料開發(fā)、新興技術(shù)和新型數(shù)字化研發(fā)方法進行了展望。近期，該綜述以“Progress and perspectives in laser additive manufacturing of key aeroengine materials”為題發(fā)表在機械與制造領(lǐng)域頂刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上。全文約5萬字，并且包含51個圖和19個表格。

論文開放下載鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2021.103804

作為高價值產(chǎn)品行業(yè)，航空航天行業(yè)一直是先進制造技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的強大推動力。隨著航空工業(yè)對節(jié)能減排、輕量化、可靠性和舒適性要求的不斷提高，傳統(tǒng)的制造工藝已經(jīng)越來越難以滿足需求。增材制造(AM)獨特的逐層沉積方式，為制造幾何形狀、材料、性能和功能較為復雜的零部件提供了無限可能。因此AM的快速發(fā)展為滿足這些行業(yè)需求提供了可能性。

AM已在航空航天、汽車、電子、醫(yī)療、軍事、建筑等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。全球AM市場規(guī)模從2013年的約30億美元迅速增長到2019年的118.67億美元。如圖1所示，近年來年增長率均超過20%。隨著AM行業(yè)市場規(guī)模的擴大，航空航天行業(yè)在2019年將迅速接近20億美元。AM在航空航天行業(yè)的應(yīng)用占據(jù)了整個AM市場的很大一部分，這是因為AM應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域有諸多顯著優(yōu)勢，包括: (1) 幾何設(shè)計和優(yōu)化的自由度高; (2) 功能組合和零件整體化，減少裝配，提高性能和可靠性; (3) 提高材料利用率和能源效率; (4) 定制和小批量生產(chǎn)優(yōu)勢; (5)大大縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)和交付周期。

圖1. Wohlers Report 2014-2020關(guān)于2013-2019年增材制造工業(yè)領(lǐng)域的各行業(yè)市場規(guī)模。

圖3.波音 787 飛機的 GE CF6 渦輪發(fā)動機中的材料分布。

圖13.激光增材制造C300馬氏體鋼的室溫拉伸性能匯總及與鍛件標準。

圖14.激光增材制造先進高強鋼的抗拉強度vs斷裂延伸率匯總圖。

圖15.激光增材制造先進高強鋼的強塑積vs屈服強度匯總圖。

圖18.鎳基高溫合金的可焊性隨Al和Ti含量的變化。

圖22.激光增材制造鎳基高溫合金的典型顯微組織特征。

圖26.激光增材制造鎳基高溫合金的室溫拉伸性能匯總。

圖27.激光增材制造鎳基高溫合金的室溫拉伸屈服強度與維氏硬度的關(guān)系。

圖28.激光增材制制造鎳基高溫合金的拉伸性能。

圖34.激光定向能量沉積Ti-6Al-4V合金的典型顯微組織特征。

圖35.激光增材制造Ti-6Al-4V合金中晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)特征。

圖41.選區(qū)激光熔化Ti-6Al-4V合金的疲勞性能匯總及與鍛件Ti-6Al-4V合金的對比。

圖45.激光增材制造先進高強鋼、鎳基高溫合金、鈦合金以及TiAl合金的室溫拉伸性能匯總及對比。

圖47. (a) 原位電磁攪拌輔助LDED 裝置的示意圖 [451], (b) 同步感應(yīng)加熱輔助LDED 裝備示意圖 [453], (c) 高強度超聲輔助LDED 技術(shù)的工藝原理及其產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu) [454], (d) O-LHAM 實驗裝置示意圖。

圖50.激光增材制造專用新材料設(shè)計路線歸納圖。

圖51.面向航空發(fā)動機的增材制造合金研發(fā)新路線的觀點和展望。

LAM克服了傳統(tǒng)制造方法的缺點，在航空發(fā)動機領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文綜述了航空發(fā)動機中廣泛使用的先進高強度鋼、鎳基高溫合金、鈦合金和鈦鋁合金材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，重點分析了LAM加工工藝、微觀組織(如形態(tài)/織構(gòu)、析出相、相組成/相變)和力學性能(靜態(tài)和動態(tài))之間的關(guān)系；分析了LAM技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，提出了基于LAM過程中獨特的熱輸入研發(fā)專用新材料的方法和思路，設(shè)計了航空發(fā)動機零部件數(shù)字化研發(fā)制備路線。

為了確保飛行安全、經(jīng)濟和環(huán)境效益，先進航空工業(yè)對航空航天部件提出了嚴格的要求(如輕量化、高強度、高韌性等)。當最終目標涉及同時優(yōu)化多種材料性能(例如，高強度、隔熱耐火材料和耐腐蝕性)時，傳統(tǒng)的材料設(shè)計和開發(fā)中采用試錯法效率極低。因此，面向高質(zhì)量航空發(fā)動機部件的新型研發(fā)方式，有助于處理這一復雜的多目標優(yōu)化過程。數(shù)字化技術(shù)的進步，如人工智能(AI)和機器學習(ML)，開啟了航空發(fā)動機部件數(shù)據(jù)驅(qū)動材料開發(fā)的新時代。

圖51所示是作者展望的新型研發(fā)路線圖。新的數(shù)字化技術(shù)可以基于來自高通量實驗基因工程的大數(shù)據(jù)來模擬最佳合金成分、微觀結(jié)構(gòu)演變甚至零件性能。因此，航空發(fā)動機部件的研發(fā)將涉及多學科知識和專業(yè)知識，包括基于AI/ML的計算、多尺度模擬、在線監(jiān)測、微觀結(jié)構(gòu)控制、功能增強、后處理、性能測試和結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化等。通過研究人員的集體努力、數(shù)據(jù)共享、加工和測試方法的標準化，增材制造先進高性能航空發(fā)動機新材料和功能件將能夠?qū)崿F(xiàn)。