航空裝備激光增材制造技術(shù)發(fā)展及路線圖

來源：航空材料學(xué)報(bào)
作者：王天元1, 2, 3,  黃帥1, 2, 3,  周標(biāo)1, 2, 3,  鄭濤1, 2, 3,  張國棟1, 2, 3,  郭紹慶1, 2, 3, ,
1.中國航發(fā)北京航空材料研究院
2.中國航發(fā)集團(tuán)增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心
3.北京市航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)焊接工程技術(shù)研究中心

增材制造從三維模型出發(fā)實(shí)現(xiàn)零件的直接近凈成形制造。相比傳統(tǒng)的減材制造，增材制造將多維制造變成簡單的由下而上的二維疊加，降低了設(shè)計(jì)與制造的復(fù)雜程度。航空裝備領(lǐng)域目前涉及的增材制造主要是金屬材料增材制造，已發(fā)展出激光增材制造、電子束增材制造和電弧增材制造三類增材制造技術(shù)。

激光增材制造是當(dāng)前航空裝備領(lǐng)域最具代表性的增材制造方法，主要包括以粉床鋪粉為技術(shù)特征的激光選區(qū)熔化和以同步送粉為技術(shù)特征的激光直接沉積[1]。激光選區(qū)熔化工藝熱輸入小、成形尺寸精度高，適合制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴、渦流器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件以及拓?fù)潼c(diǎn)陣等新型結(jié)構(gòu)；激光直接沉積工藝效率較高、力學(xué)性能較好，但制造精度不高，適合制造飛機(jī)框梁等重要承力結(jié)構(gòu)。由于國內(nèi)外對(duì)激光增材制造技術(shù)非常重視，其技術(shù)發(fā)展迅速，陸續(xù)應(yīng)用于飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造，并且呈現(xiàn)出快速增長的趨勢[2-3]。

為了更好地把握增材制造的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，提前做好航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略布局，推進(jìn)增材制造在航空領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，本文針對(duì)激光增材制造最近幾年的發(fā)展，開展文獻(xiàn)、資料、信息的搜集、整理、分析。在對(duì)增材制造現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析的基礎(chǔ)上，提出2035年航空領(lǐng)域增材制造技術(shù)發(fā)展目標(biāo)和相應(yīng)的政策和環(huán)境支撐、保障需求，并嘗試給出2035年技術(shù)發(fā)展路線圖建議。

1.   激光增材制造的工藝原理及特點(diǎn)
激光選區(qū)熔化（SLM）基于分層疊加制造原理，利用高能量激光束逐層熔化金屬粉末成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件[4]。圖1為激光選區(qū)熔化示意圖。SLM在已有的3D模型切片數(shù)據(jù)的輪廓數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，生成填充掃描路徑，設(shè)備按照這些填充掃描線，控制激光束選區(qū)熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。

圖  1  激光選區(qū)熔化(SLM)示意圖

激光選區(qū)熔化技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）成形原料一般為一種金屬粉末，主要包括不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦合金、鈷-鉻合金、鋁合金以及貴重金屬等；（2）采用細(xì)微聚焦光斑的激光束成形金屬零件，成形的零件精度較高，表面稍經(jīng)打磨、噴砂等簡單后處理即可達(dá)到使用精度要求；（3）成形零件的力學(xué)性能較好，一般拉伸性能可超鑄件，達(dá)到鍛件水平；（4）高向沉積速度較慢，導(dǎo)致成形效率較低，零件尺寸會(huì)受到鋪粉工作箱的限制，不適合制造大型的整體零件。

激光選區(qū)熔化的局限性主要表現(xiàn)在：（1）由于激光器功率和掃描振鏡偏轉(zhuǎn)角度的限制，設(shè)備能夠成形的零件尺寸范圍有限，目前整體制造800 mm以上尺寸零件的設(shè)備不夠成熟；（2）加工過程中，容易出現(xiàn)翹曲，還容易因粉末熔化后不能均勻地鋪展于前一層發(fā)生球化現(xiàn)象；（3）成形體結(jié)構(gòu)密度控制效果不好，難以承受高載荷的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

激光直接沉積工藝如圖2所示。激光從熔覆頭頂部沿軸線方向向下射出，經(jīng)聚焦鏡匯聚在粉末聚焦點(diǎn)附近，將同步出射的粉末熔化；同時(shí)，熔覆頭或工作臺(tái)按每層圖形的掃描軌跡移動(dòng)，熔化的金屬液就在基體或上一層凝固層基礎(chǔ)上完成一層實(shí)體的成形；計(jì)算機(jī)繼續(xù)調(diào)入下一層圖形掃描數(shù)據(jù)，重復(fù)上述動(dòng)作，如此逐層堆積，最終成形出一個(gè)具有完全冶金結(jié)合的金屬零件[4]。

圖  2  激光直接沉積成形原理

激光直接沉積技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）無需模具，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，但懸臂結(jié)構(gòu)需要添加相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)；（2）成形尺寸受限制小，可實(shí)現(xiàn)大尺寸零件的制造；（3）可實(shí)現(xiàn)不同材料的混合加工與梯度材料制造；（4）可對(duì)損傷零件實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)；（5）成形組織均勻，具有良好的力學(xué)性能，可實(shí)現(xiàn)定向組織的制造。

激光直接沉積技術(shù)的局限性主要表現(xiàn)為：（1）成形時(shí)熱應(yīng)力較大；（2）成形精度不高；（3）所得金屬零件尺寸精度和表面粗糙度都較差，需較多的機(jī)械加工后處理才能使用。

目前激光選區(qū)熔化主要應(yīng)用于小尺寸或中等尺寸復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)的精確近凈成形增材制造，結(jié)構(gòu)的功能屬性一般大于承載屬性。激光直接沉積主要用于中等或大尺寸復(fù)雜承力結(jié)構(gòu)的增材制造，結(jié)構(gòu)的承載屬性一般大于功能屬性。

2.   國外激光增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
2.1   工藝研究
2.1.1   激光選區(qū)熔化
激光選區(qū)熔化對(duì)粉體材料的要求為：尺寸在15～60 μm的金屬顆粒群，并盡可能同時(shí)滿足純度高、少或無空心、衛(wèi)星粉少、粒度分布窄、球形度高、氧含量低、流動(dòng)性好和松裝密度高等要求。通過近30年的發(fā)展，國外成功采用真空感應(yīng)氣霧化法（VIGA法）、無坩堝電極感應(yīng)熔化氣體霧化法（EIGA法）、等離子旋轉(zhuǎn)霧化法（PREP法）以及等離子火炬法（PA法）等制備SLM增材制造專用粉體材料，已經(jīng)具備成熟穩(wěn)定的批量供貨能力，并壟斷了全球大部分SLM增材制造專用粉體材料市場。

在成形工藝研究方面，波音、洛克希德-馬丁、諾斯羅普-格魯曼、通用動(dòng)力、GE、霍尼韋爾、派克-漢尼汾等公司已利用激光選區(qū)熔化技術(shù)開發(fā)出商業(yè)化的金屬零部件。

在SLM成形過程中伴隨著復(fù)雜的物理、化學(xué)、冶金等過程，容易產(chǎn)生球化、孔隙、裂紋等缺陷。白俄羅斯科學(xué)院研究了金屬粉末球化形成的具體過程，指出球化主要會(huì)形成碟形、杯形、球形3種典型的形狀，并分析了各自形成的機(jī)理[5]。德國魯爾大學(xué)研究了不銹鋼粉末激光選區(qū)熔化成形的相對(duì)密度與工藝參數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)高的激光功率有利于成形出高密度的金屬零件，低的掃描速率有利于掃描線的連續(xù)，促進(jìn)致密化[6]。英國利茲大學(xué)對(duì)不銹鋼和工具鋼合金粉末進(jìn)行了SLM研究，分析了掃描速率、激光功率和掃描間隔對(duì)成形件質(zhì)量的影響[7]。

國外對(duì)增材制造工藝研究非常細(xì)致，例如，德國某設(shè)備商為開發(fā)一種新粉末（可用粒度為20～60 μm）的激光選區(qū)熔化工藝，往往需要6～8個(gè)月的工藝摸索，涉及的參數(shù)多達(dá)70余項(xiàng)。

國外已將拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與輕量化技術(shù)應(yīng)用于SLM增材制造，實(shí)現(xiàn)了由“制造引導(dǎo)設(shè)計(jì)、制造性優(yōu)先設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念向“設(shè)計(jì)引導(dǎo)制造、功能性優(yōu)先設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)”的增材制造設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)變。支撐設(shè)計(jì)方面，國外已經(jīng)應(yīng)用無需線切割即能分離打印件與基板的特殊支撐設(shè)計(jì)技術(shù)，大大縮短了取件周期。

在后續(xù)熱處理技術(shù)方面，2002年美國汽車工程師協(xié)會(huì)發(fā)布了第1個(gè)增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產(chǎn)品》，至今已陸續(xù)頒布了19項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了產(chǎn)品的退火和熱等靜壓、消除應(yīng)力退火以及退火或熱等靜壓后的時(shí)效制度，反映國外已經(jīng)在控制內(nèi)部缺陷、消除殘余應(yīng)力、減少變形等方面開展了大量的研究工作。

航空航天等領(lǐng)域?qū)υ霾闹圃炝慵�表面粗糙度有較高的要求，金屬增材制造零件的后續(xù)光整加工不可或缺。磨粒流加工方法具有高加工可達(dá)性，對(duì)復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行光整加工具有顯著的優(yōu)勢。采用磨粒流拋光增材制造零件，對(duì)由“階梯效應(yīng)”導(dǎo)致的粗糙表面具有良好的改善效果。國外研究發(fā)現(xiàn)，采用磨粒流加工拋光SLM制造的葉片，沿流動(dòng)方向存在明顯的拋光不一致性，葉片進(jìn)排氣邊的拋光效果明顯好于葉盆及葉背中心區(qū)域，葉片型面精度降低。

2.1.2   激光直接沉積
激光直接沉積增材制造對(duì)粉末的要求為：粒度分布一般在45～420 μm范圍內(nèi)，同時(shí)盡可能滿足純度高、少或無空心、衛(wèi)星粉少、球形度高、氧含量低、流動(dòng)性好和松裝密度高等要求。粉末制備推薦采用電極感應(yīng)熔化高純氬氣霧化或等離子旋轉(zhuǎn)電極法。

激光直接沉積技術(shù)效率高，成形零件的尺寸大，還可在原有零件上進(jìn)行修復(fù)和再制造，但缺點(diǎn)是不具備制造復(fù)雜空心結(jié)構(gòu)的能力，成形的毛坯還需要經(jīng)過較多的機(jī)械加工才能獲得最終零件。值得指出的是，激光直接沉積方法還能同步混合不同材料的粉末來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的成形。

1995年起，美國約翰霍普金斯大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)和 MTS 公司共同開發(fā)了利用大功率CO2激光器實(shí)現(xiàn)大尺寸鈦合金零件的制造技術(shù)，并合作成立了AeroMet公司，實(shí)現(xiàn)了 Ti-6Al-4V 合金1~2 kg/h的沉積速率[8]。

對(duì)于激光直接沉積技術(shù)的研究主要從成形工藝和成形組織性能兩方面展開。美國的Sandia國家實(shí)驗(yàn)室和Los Alomos國家實(shí)驗(yàn)室針對(duì)鎳基高溫合金、不銹鋼、鈦合金等金屬材料進(jìn)行了大量的激光直接沉積成形研究，所制造的金屬零件不僅形狀復(fù)雜，且其力學(xué)性能接近甚至超過傳統(tǒng)鍛造技術(shù)制造的零件[9]。瑞士洛桑理工學(xué)院深入研究了激光快速成形工藝參數(shù)對(duì)成形過程穩(wěn)定性、成形零件的精度、顯微組織以及性能的影響，并將該技術(shù)應(yīng)用于單晶葉片的修復(fù)[10]。

增材制造材料的顯微組織是由移動(dòng)熔池中熔體的冶金動(dòng)力學(xué)行為與晶體形核/長大機(jī)制決定的，激光直接沉積技術(shù)在材料顯微組織控制方面具有較大的自由度，早在 2001年Gäumann 等[11]就實(shí)現(xiàn)了單晶與多晶鎳基高溫合金的調(diào)控，而 Liu[12] 等通過送粉量與激光功率的匹配實(shí)現(xiàn)了具有等軸晶與柱狀晶混合組織鈦合金的成形。

激光直接沉積成形過程中隨著高能激光束長時(shí)間周期性劇烈加熱和冷卻、移動(dòng)熔池在池底強(qiáng)約束下的快速凝固收縮及其伴生的短時(shí)非平衡循環(huán)固態(tài)相變，會(huì)在零件內(nèi)部產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力，容易導(dǎo)致零件發(fā)生嚴(yán)重變形、甚至開裂。

美國國家航空航天局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種新的激光金屬直接成形技術(shù)，可在一個(gè)部件上混合打印多種金屬或合金，解決了長期以來飛行器零部件制造中所面臨的一大難題——在同一零件的不同部位具有不同性能。

德國DMG MORI旗下的Lasertec系列，整合了激光增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)切削技術(shù)，不僅可以制造出傳統(tǒng)工藝難以加工的復(fù)雜形狀，還改善了增材制造過程中存在的表面粗糙問題，提高了零件的精度[13]。

2.2   工藝設(shè)備
經(jīng)濟(jì)、高效的設(shè)備是激光增材制造技術(shù)廣泛推廣和發(fā)展的基礎(chǔ)。目前，激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備的研究主要集中在德國、法國、英國、日本、比利時(shí)等國家。激光直接沉積增材制造設(shè)備的研究主要集中在美國、德國等國家。

2.2.1   激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備
激光選區(qū)熔化SLM技術(shù)及設(shè)備研究起步最早的國家當(dāng)屬德國，其技術(shù)也比較成熟。德國EOS公司是全球最大，同時(shí)也是技術(shù)較為領(lǐng)先的激光選區(qū)熔化增材制造成形系統(tǒng)制造商。

目前EOS設(shè)備主要有EOSINT M280、M290和M400三款。EOSINT M280激光燒結(jié)系統(tǒng)采用Yb-fibre激光發(fā)射器，高效能、長壽命，光學(xué)系統(tǒng)精準(zhǔn)度高。根據(jù)IDTechEx的數(shù)據(jù)，M280曾用于制造當(dāng)前GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)LEAP的噴油嘴。

為全面取代EOS M280，EOS公司推出升級(jí)版的增材制造設(shè)備EOS M290。EOS M290提升了過程監(jiān)控能力，尤其適合航空航天和醫(yī)療等高精尖行業(yè)的要求。除此之外，EOS M290在其他方面也做了一些改進(jìn)。EOS M290增材制造設(shè)備的新增功能包括：

（a） EOSTATE PowderBed，一個(gè)內(nèi)置在構(gòu)建腔室的攝像頭，通過靜止圖像監(jiān)視粉末床上的粉末沉積狀況。

（b） EOSTATE Base，統(tǒng)一監(jiān)控一系列參數(shù)，包括Z軸或掃描儀的位置、激光功率、空氣濕度、溫度和壓力。

（c） EOSTATE LaserMonitoring，檢測在整個(gè)構(gòu)建期間的激光功率。該系統(tǒng)配備有一個(gè)400 W的激光，該激光具備高輻射品質(zhì)和穩(wěn)定的性能。

（d） EOS ParameterEditor，用戶可以使用它修改一系列的曝光參數(shù)。該工具使客戶能夠在EOS參數(shù)集的基礎(chǔ)上根據(jù)具體應(yīng)用開發(fā)自己的參數(shù)，包括激光功率和曝光速度或策略。參數(shù)編輯器的更新版本正在開發(fā)中，新版本的參數(shù)編輯器還可以修改層厚度、惰性氣體流、構(gòu)建平臺(tái)的溫度等。

EOS M400是EOS公司尺寸最大的金屬選區(qū)熔化設(shè)備，也是目前市場上較為成熟的大尺寸選區(qū)熔化設(shè)備，其最大成形尺寸為400 mm×400 mm×400 mm。該設(shè)備采用1 kW的光纖激光器及雙向鋪粉方式，可以有效提高成形效率；同時(shí)設(shè)備集成了監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)鋪粉情況、Z軸位置、激光功率、濕度、溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，保證成形過程的穩(wěn)定和產(chǎn)品的可追溯性。

目前國際上主要SLM裝備的技術(shù)指標(biāo)如表1所示，其中Concept Laser公司生產(chǎn)的SLM裝備可成形的零件尺寸最大，EOS公司生產(chǎn)的SLM裝備可成形的零件尺寸次之，但是EOS公司生產(chǎn)的M系列SLM裝備的商用化成熟度最高，應(yīng)用最廣。

表  1  國際商業(yè)化SLM裝備指標(biāo)參考

2.2.2   激光直接沉積設(shè)備
在激光直接沉積設(shè)備制造研究方面，美國EFESTO公司堪稱大尺寸3D金屬打印專家。該公司推出典型設(shè)備為大型的同步送粉激光增材制造設(shè)備EFESTO 557，該設(shè)備擁有一個(gè)1500 mm×1500 mm×2100 mm的超大工作室。

美國Optomec公司推出的激光直接沉積設(shè)備型號(hào)為LENS 850-R，該設(shè)備擁有一個(gè)900 mm×1500 mm×900 mm的超大工作室，并配有5軸移動(dòng)工作臺(tái)，最大成形速度為8.19 cm3/min。

德國阿諾德激光系統(tǒng)制造有限公司推出的激光綜合加工系統(tǒng)，也是國際上一款主流的激光直接沉積增材制造設(shè)備。

國際上近些年還推出了增減材復(fù)合加工設(shè)備和技術(shù)。日本DMG公司 (DMGMORI)推出的LASERTEC653Dt331，配有2 kW的激光器，可進(jìn)行激光直接沉積，輔以全功能的高剛性單體結(jié)構(gòu)的5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床進(jìn)行高精度的銑削加工，構(gòu)成獨(dú)特的混合加工機(jī)床，最高可比普通粉床中成形速度快20倍，并允許直接銑削最終零件中無法達(dá)到的加工部位。

日本Mazak公司也推出了增減材復(fù)合制造裝備。其典型設(shè)備INTEGREX i-400AM能夠進(jìn)行全面的五軸車銑復(fù)合加工，B軸擺動(dòng)幅度在−30°~+210°之間，同時(shí)配置了全C軸分度車削主軸及可編程尾座。

2.3   技術(shù)應(yīng)用
激光增材制造技術(shù)最早于2001年開始應(yīng)用于美國的艦載殲擊機(jī)中，通過鈦合金增材制造技術(shù)生產(chǎn)出飛機(jī)的承力結(jié)構(gòu)件。2011年英國的南安普頓大學(xué)通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)出包括無人機(jī)的機(jī)翼、控制面板和艙門的整體框架。

2012年之后，鈦合金增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用取得前所未有的發(fā)展，鈦合金零件不僅在飛機(jī)制造中得到廣泛的應(yīng)用，而且新型的鈦合金材料開始在火箭、航天飛機(jī)等航天裝備中得到應(yīng)用。鈦合金增材制造技術(shù)生產(chǎn)的零件大大減少了航天設(shè)備之間的焊縫數(shù)量，由于鈦合金的強(qiáng)度更高，使得航天設(shè)備的安全性大大提高。

NASA 馬歇爾航天中心采用激光增材制造技術(shù)制備大量的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件，包括發(fā)生器導(dǎo)管、旋轉(zhuǎn)適配器等。激光增材制造的RS-25 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)彎曲接頭，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，減少60%以上的零件數(shù)量、焊縫以及機(jī)械加工工序。NASA還提出AMDE計(jì)劃，對(duì)增材制造技術(shù)在氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)整體化設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。與傳統(tǒng)制造方法相比，采用增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)制造的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)零件總數(shù)減少80%。

法國泰雷茲阿萊尼亞宇航公司將激光直接沉積制造的鋁合金大尺寸遙測及指令天線支撐零件應(yīng)用于Koreasat5A和Koreasat7通信衛(wèi)星的制造。零件已經(jīng)通過振動(dòng)驗(yàn)收測試，展示了很好的動(dòng)態(tài)特性重復(fù)性。使用增材制造技術(shù)可減重22%，縮短生產(chǎn)時(shí)間1~2個(gè)月，節(jié)省經(jīng)費(fèi)約30%，并可提高產(chǎn)品的性能。

基于激光增材制造工藝的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)在航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)與激光增材制造工藝相結(jié)合，可以發(fā)揮出激光增材制造工藝在零件輕量化制造方面的最大優(yōu)勢，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的制造。空中客車防務(wù)與宇航公司英國分部采用激光增材制造技術(shù)制備了歐洲航天局Eurostar E3000的鋁合金支架（圖3），用于安裝遙測和遙控天線。通過拓?fù)鋬?yōu)化以及激光增材制造工藝，實(shí)現(xiàn)原本由4個(gè)零件通過44個(gè)鉚釘連接而成支架結(jié)構(gòu)的整體制造，并且通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)35%減重的同時(shí)使結(jié)構(gòu)剛度提高40%。該鋁合金支架已經(jīng)完成質(zhì)量檢測，具備衛(wèi)星裝載飛行的資質(zhì)。

圖  3  激光增材制造的Eurostar E3000 衛(wèi)星支架

2012年，GE公司收購了Morris公司以及其兄弟公司Rapid Quality Manufacturing。這兩家公司均是增材制造領(lǐng)域的佼佼者，同時(shí)也是GE公司下一代LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件供應(yīng)商。收購Morris公司后，GE立即開始探索增材制造技術(shù)的極限，尋找新的應(yīng)用點(diǎn)。GE商用發(fā)動(dòng)機(jī)獲得FAA批準(zhǔn)的首個(gè)增材制造零件為高壓壓氣機(jī)溫度傳感器（T25）外殼（圖4）。T25傳感器外殼由鈷鉻合金制造，保護(hù)溫度傳感器脆弱的電子器件，防止其結(jié)冰以及被急速氣流損壞。T25傳感器外殼于2014年10月完成最終設(shè)計(jì)，2015年2月獲得FAA認(rèn)證，在第二周就投入使用。2015年4月GE公司宣布，該公司有超過400臺(tái)GE90-40B發(fā)動(dòng)機(jī)加裝了用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的T25傳感器外殼。GE航空公司還采用激光增材制造技術(shù)制造了新一代的LEAP噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴（圖5），并于2015年服役。

圖  4  T25傳感器殼體

圖  5  增材制造燃油噴嘴

2015年GE公司設(shè)在印度Chakan的增材制造工廠開始運(yùn)營。GE公司希望該工廠最終使GE公司具備每年超過44000個(gè)燃油噴嘴的增材制造能力。2016年4月，GE公司斥資4億美元在匹茲堡建設(shè)新的增材制造技術(shù)發(fā)展中心（The Center for Additive Technology Advancement，CATA），希望將其打造成為能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)和應(yīng)用提供開發(fā)服務(wù)的創(chuàng)新中心，通過共享其設(shè)施，由公司每個(gè)事業(yè)部來分擔(dān)費(fèi)用，從而整合整個(gè)公司的力量，改變各事業(yè)部各自投資增材制造、研發(fā)效率低下的狀況。CATA將會(huì)把精益生產(chǎn)、生產(chǎn)力優(yōu)化與先進(jìn)的軟件分析結(jié)合起來，用于提升增材制造在整個(gè)GE公司內(nèi)部的創(chuàng)新能力和使用情況。

2016年9月，GE以14億美元收購兩大金屬增材制造設(shè)備制造商瑞士Arcam公司和德國SLM Solutions公司。GE公司計(jì)劃通過GE Store模式將增材制造技術(shù)用于GE的所有業(yè)務(wù)。GE公司預(yù)計(jì)到2020年增材制造業(yè)務(wù)將增長至10億美元，在未來十年內(nèi)節(jié)約30億到50億美元的成本。

2016年10月27日GE公司宣布以5.99億美元的價(jià)格收購德國Concept Laser公司75%的股份。GE公司將在航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得或者重塑多個(gè)平臺(tái)的產(chǎn)品銷售渠道。

根據(jù)已經(jīng)披露的GE公司增材制造計(jì)劃，很多增材制造的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件已通過美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）的認(rèn)證，并且已經(jīng)在LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。GE航空公司將進(jìn)一步在旗下最先進(jìn)渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)（ATP）上應(yīng)用增材制造零部件。通過增材制造技術(shù)，將傳統(tǒng)工藝所需的855個(gè)零件（占到總零件數(shù)的35%）減少為12個(gè)�？梢酝ㄟ^增材制造的零部件分別是：機(jī)油箱、軸承座、框架、排氣機(jī)匣、燃燒室、熱交換器和固定流通組件等，該發(fā)動(dòng)機(jī)的總壓比將達(dá)到16∶1，質(zhì)量減少5%，油耗將比現(xiàn)在同類型競爭型號(hào)低20%左右，同時(shí)返修周期延長30%以上。

英國羅羅公司1994年開始與英國Crankfield大學(xué)一起探索航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的激光直接沉積技術(shù)。2008年初，羅羅公司宣布與GKN航宇公司（GKN Aerospace）成立一家合資公司，目的在于為下一代發(fā)動(dòng)機(jī)提供低成本的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，其中增材制造技術(shù)將得到大規(guī)模應(yīng)用。2015年羅羅公司通過與英國制造技術(shù)中心（MTC）所屬的新國家增材制造中心合作，利用增材制造打印出了有史以來最大的增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)組件——遄達(dá)XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)直徑1.5 m的鈦合金前軸承，組件包含的48個(gè)翼型導(dǎo)葉也采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)。羅羅公司于2016年開發(fā)出自動(dòng)化的渦輪葉片激光增材制造工藝流程，該流程可以實(shí)施小的系列生產(chǎn)。

2016年羅羅公司和GKN航宇公司達(dá)成協(xié)議，擴(kuò)展雙方在遄達(dá)XWB-84發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目上的合作，GKN負(fù)責(zé)為XWB-84發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)供應(yīng)高性能中間級(jí)壓縮機(jī)匣（圖6）。該機(jī)匣采用包括增材制造工藝和新的焊接技術(shù)等最新設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)。首件產(chǎn)品于2018年初交付。Trent XWB-84發(fā)動(dòng)機(jī)用來為空客A350 900飛機(jī)提供動(dòng)力，計(jì)劃于2020年初投入使用。

圖  6  Trent XWB-84發(fā)動(dòng)機(jī)中間級(jí)壓縮機(jī)匣

與很多大型科技企業(yè)不同，羅羅公司自身很少從事基礎(chǔ)理論研究工作，而是依賴與世界頂級(jí)大學(xué)建立的協(xié)同創(chuàng)新體系，即大學(xué)技術(shù)中心網(wǎng)絡(luò)。

普惠公司主要將增材制造用于塑料部件的制造，作為金屬部件的原型和型芯等工藝輔助器材。迄今為止已經(jīng)制造了超過10萬件原型零件，僅在Pure Power齒輪傳動(dòng)式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)過程中就使用了數(shù)百個(gè)增材制造零部件的原型。普惠公司采用激光選區(qū)熔化制造了PurePower PW1100G-JM發(fā)動(dòng)機(jī)的管道鏡套筒，可直接使用管道鏡檢查渦輪殼體和葉片的磨損和損壞狀況。在PurePower齒輪傳動(dòng)式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中，使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)了壓縮機(jī)定子和同步環(huán)支架。幾十件增材制造鈦金屬和鎳金屬部件已經(jīng)通過飛行測試并將應(yīng)用于龐巴迪和空客飛機(jī)。

印度INTECH DMLS公司通過SLM增材制造技術(shù)為印度斯坦航空公司（HAL）生產(chǎn)25KN發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室機(jī)匣。首個(gè)增材制造的燃燒室機(jī)匣已交付給HAL公司，并通過了用戶性能測試。

2019年1月，金屬增材制造部件在F-22猛禽上得到應(yīng)用。猶他州希爾空軍基地的倉庫維修車間第574飛機(jī)維修中隊(duì)在F-22猛禽上安裝了一個(gè)金屬增材制造部件（飛機(jī)支架）。增材制造能夠在短時(shí)間內(nèi)獲得維修更換部件，不再需要訂購。這不僅節(jié)省費(fèi)用，而且減少飛機(jī)的維修時(shí)間。激光選區(qū)熔化的飛機(jī)支架不會(huì)被腐蝕，從訂購到交付至倉庫再到安裝最快需要三天。此外，維修人員還會(huì)使用增材制造的部件來替換駕駛艙總成中易腐蝕的鋁部件，至少還有5個(gè)金屬增材制造部件計(jì)劃在F-22上進(jìn)行驗(yàn)證。如果能夠打印更復(fù)雜的部件，可能會(huì)使飛機(jī)的維修時(shí)間減少60~70天。

美國宇航局馬歇爾航天飛行中心、格林研究中心、阿姆斯特朗飛行研究中心正在與維珍軌道公司合作開發(fā)和測試增材制造的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件。他們的目標(biāo)是制造一個(gè)燃燒室，結(jié)合多種材料，并利用先進(jìn)的制造工藝。傳統(tǒng)的燃燒室制造、測試和交付周期需要數(shù)月時(shí)間。采用增材制造技術(shù)，交付周期將會(huì)大大縮短，并為發(fā)動(dòng)機(jī)零部件提供新的設(shè)計(jì)理念和制造機(jī)會(huì)。維珍軌道公司使用了增/減材混合機(jī)床對(duì)零部件進(jìn)行制造與精加工。在2018年末和2019年初，使用高壓液氧/煤油推進(jìn)劑對(duì)燃燒室進(jìn)行了測試。在近24次60 s的測試發(fā)射中，該實(shí)驗(yàn)裝置成功地提供了超過8890 N的推力。

2019年7月，美國Carpenter技術(shù)公司和比利時(shí)BMT航空航天國際公司合作開發(fā)了一種金屬增材制造航空齒輪。零件由Carpenter技術(shù)公司的業(yè)務(wù)單位Carpenter增材制造公司生產(chǎn)，使用其高強(qiáng)度的定制465®不銹鋼增材制造而成。該產(chǎn)品的合作研發(fā)表明，在原材料、生產(chǎn)、驗(yàn)證和設(shè)計(jì)方面的合作能夠迅速將具有潛力的新產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

2019年8月，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商Cobra Aero與英國金屬增材制造公司Renishaw合作，成功優(yōu)化了飛機(jī)和摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)流程。Cobra的團(tuán)隊(duì)與Renishaw的工程師合作，優(yōu)化了一種無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)的部分是一個(gè)用來改善氣流的復(fù)雜網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并將各種組件合并成一個(gè)單個(gè)輕質(zhì)部件。通過使用金屬增材制造，Cobra Aero能夠生產(chǎn)出具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的單一部件，性能優(yōu)于傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)的組件。Cobra Aero公司預(yù)判，金屬增材制造將成為其主導(dǎo)制造方法。

據(jù)美國空軍實(shí)驗(yàn)室2019年8月22日消息，AF-9628鋼的增材制造零件在極限抗拉強(qiáng)度方面比傳統(tǒng)增材制造合金提高20％左右。AF-9628是一種高強(qiáng)度和高韌性的合金鋼，也叫Rachel鋼，它不含鎢，比Eglin鋼和HP-9-4-20等其他一些高性能鋼合金的價(jià)格更低；但它比常規(guī)彈藥中使用的普通等級(jí)鋼更昂貴。美國空軍實(shí)驗(yàn)室的研究確定AF-9628是增材制造的最佳材料。其增材制造的力學(xué)性能好，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋的跡象，與傳統(tǒng)制造的部件非常相似。在強(qiáng)度增加的同時(shí)并沒有變脆，滿足10%伸長率要求。采用激光選區(qū)熔化制造的復(fù)雜零件，包括幾個(gè)復(fù)雜的彈丸、鋼瓶。制造的零件適合于武器應(yīng)用，能夠使未來的穿透武器具有理想的爆炸外形，最終用于制備質(zhì)量更輕的彈藥，使飛機(jī)可以攜帶更多的武器。

3.   國內(nèi)激光增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
3.1   工藝研究
3.1.1   激光選區(qū)熔化工藝研究
西安交通大學(xué)在激光增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)研究、裝備制造、相關(guān)軟件開發(fā)以及技術(shù)應(yīng)用等方面展開全方位研究，尤其是在應(yīng)用方面展開深入研究，已將激光增材制造技術(shù)應(yīng)用于快速模具制造、汽車零部件制造等技術(shù)領(lǐng)域。并且為其在航空空心渦輪葉片、航天發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)器等核心零部件制造方面的應(yīng)用作了基礎(chǔ)準(zhǔn)備。除此之外，還在陶瓷材料的激光增材制造基礎(chǔ)研究和技術(shù)應(yīng)用方面展開大量深入的研究，取得了豐碩的研究成果。

西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司現(xiàn)已掌握了鈦合金、鋁合金、高溫合金等材料增材制造工藝，組織和性能數(shù)據(jù)庫完備。流道類零件可成形的小孔直徑最小僅為0.3 mm左右，且能保證孔和流道的流通性；薄壁零件的最小薄壁尺寸約為0.2 mm，大面積薄壁的尺寸精度可以控制在±0.3 mm左右；整體成形零件的整體尺寸精度基本上可以達(dá)到±0.2 mm，粗糙度可達(dá)Ra3.2 μm以下。無論是工藝技術(shù)還是裝備水平，鉑力特公司都已經(jīng)邁入工程化應(yīng)用階段。

華中科技大學(xué)研發(fā)出系列增材制造專用材料制備方法，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，包含聚合物、金屬、陶瓷、鑄造型（芯）等材料及其復(fù)合材料，研發(fā)了系列材料制備成形一體化工藝與裝備，包括建立材料制備成形一體化的數(shù)字化表達(dá)方法、發(fā)明材料制備成形一體化過程多狀態(tài)測量與形性調(diào)控方法、國際獨(dú)創(chuàng)多材料激光3D打印一體化制備成形工藝與裝備等。

中國航發(fā)北京航空材料研究院系統(tǒng)開展了激光選區(qū)熔化用鈦合金和鋁合金超細(xì)粉在飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)上的工程化應(yīng)用研究，積累了粉末特性評(píng)價(jià)、增材成形工藝、成形后熱處理與熱等靜壓、無損檢測、冶金組織和缺陷分析、力學(xué)性能測試、零件性能驗(yàn)證等各環(huán)節(jié)的研究經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、預(yù)旋噴嘴、渦流器、軸流機(jī)匣、軸承座、整體導(dǎo)向器、渦輪葉片、管接頭、阻尼環(huán)等典型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)鑄造高溫合金、鋁合金、鈦合金、不銹鋼以及鈦鋁金屬間化合物、單晶高溫合金、鈮硅超高溫合金等各種材料，深入開展粉末成分設(shè)計(jì)和粉末制備、激光選區(qū)熔化工藝、后處理及組織性能等研究，試制出十多種典型零件，為激光選區(qū)熔化技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[14]。

南京航空航天大學(xué)以選區(qū)激光熔化（SLM）精密增材制造技術(shù)為主線，開展了航空航天難加工金屬材料構(gòu)件激光精密增材制造應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在激光精密增材制造裝備研發(fā)、專用金屬粉末設(shè)計(jì)制備、激光成形工藝及機(jī)理、高性能復(fù)雜金屬零件控形與控性等方面積累并凝練了關(guān)鍵技術(shù)及科學(xué)理論，實(shí)現(xiàn)了激光成形零件綜合性能提升及實(shí)際工程應(yīng)用。

北京星航機(jī)電裝備有限公司掌握了鈦合金、高溫合金、鋁合金等材料的增材制造工藝，重點(diǎn)突破了TA15鈦合金、GH99高溫合金激光選區(qū)熔化成形工藝技術(shù)，形成了金屬粉末原材料、產(chǎn)品制造、檢測規(guī)范等多項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

大連理工大學(xué)針對(duì)增材制造鋁合金異形群孔格柵結(jié)構(gòu)外表面和內(nèi)孔表面磨粒流拋光，設(shè)計(jì)了格柵件磨粒流加工夾具，建立了內(nèi)外表面一體化磨粒流拋光技術(shù)方案，采用混合磨粒進(jìn)行格柵表面和內(nèi)孔均勻一體化加工，磨粒介質(zhì)采用含有24#(20％)、80#(80％)SiC混合磨粒介質(zhì)。不僅有效去除了格柵表面附著的金屬球、粉末顆粒，而且顯著降低了工件表面粗糙度值。

中國科學(xué)院金屬研究所致力于增材制造用高溫合金粉末、鈦合金粉末等高性能金屬粉末的研發(fā)及成形構(gòu)件組織性能調(diào)控技術(shù)研究，開發(fā)出激光增材制造專用高溫合金粉末、鈦合金粉末等材料，突破了激光選區(qū)熔化成形技術(shù)用超細(xì)鈦合金、高溫合金粉末的潔凈化制備技術(shù)，粉末特性達(dá)到國外進(jìn)口粉末水平。

西安歐中材料科技有限公司專業(yè)從事金屬球形粉末及制件生產(chǎn)與服務(wù)。針對(duì)激光增材制造的球形金屬粉末生產(chǎn)部署了國際先進(jìn)水平國內(nèi)首條超高速(30000 r/min)等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化SS-PREPTM金屬球形粉末工業(yè)化生產(chǎn)線。在鈦合金和高溫合金球形粉末制備技術(shù)、PREP設(shè)備裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面擁有核心技術(shù)100余項(xiàng)。粉末產(chǎn)品通過了中國航發(fā)商用發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司、航天材料及工藝研究所等20余家航空航天單位供方評(píng)審。

3.1.2   激光直接沉積工藝研究
北京航空航天大學(xué)在飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形工藝研究、工程化成套裝備研發(fā)與裝機(jī)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等方面取得突破性進(jìn)展，提出大型金屬構(gòu)件激光直接成形過程“內(nèi)應(yīng)力離散控制”的新方法，解決了大型金屬構(gòu)件激光快速成形過程翹曲變形與開裂的“瓶頸難題”，突破了激光快速成形鈦合金大型結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷和內(nèi)部質(zhì)量控制及其無損檢測關(guān)鍵技術(shù)，飛機(jī)構(gòu)件綜合力學(xué)性能達(dá)到或超過模鍛件[15]。

西北工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用激光增材制造技術(shù)打印了最大尺寸3 m、質(zhì)量達(dá)196 kg的飛機(jī)鈦合金左上緣條。該成品在放置了一個(gè)月之后，最大變形量小于0.8 mm，表明其成形精度和變形控制都達(dá)到了很高的技術(shù)水平。

沈陽航空航天大學(xué)提出基于分區(qū)掃描成形的激光增材制造工藝方法（圖7）。通過反饋沉積層面溫度分布，動(dòng)態(tài)規(guī)劃激光掃描軌跡，顯著減小沉積過程溫度梯度，降低熱應(yīng)力、約束應(yīng)力和晶格儲(chǔ)存能，離散成形過程的殘余應(yīng)力，有效地控制了沉積過程零件的變形和開裂。

圖  7  基于分區(qū)掃描成形的激光增材制造工藝（a）、（b）分區(qū)掃描軌跡規(guī)劃；（c）增材制造毛坯

有研工程技術(shù)研究院有限公司開展了鈦合金整體葉盤激光修復(fù)、激光增材制造Ti2AlNb基合金開裂控制及組織性能調(diào)控、TC11/Ti2AlNb雙合金整體葉盤及TA15/Ti2AlNb異種材料進(jìn)氣道一體化成形研究，突破了修復(fù)界面、異種材料界面質(zhì)量控制及復(fù)雜外形一體化控制難題，激光修復(fù)的飛機(jī)鈦合金整體葉輪及不同材料飛機(jī)部件獲得實(shí)際應(yīng)用，激光增材制造的TA15鈦合金薄壁進(jìn)氣道通過地面試驗(yàn)考核。

北京航空材料研究院是中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心依托單位。掌握粉體材料成分設(shè)計(jì)和控制技術(shù)，擁有較為完善的粉末性能檢測體系。采用激光直接沉積增材制造的鎳基雙合金渦輪整體葉盤通過超轉(zhuǎn)試驗(yàn)考核，增材修復(fù)的伊爾76飛機(jī)起落架獲得批量應(yīng)用。研制出3D打印制件超聲掃查與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，建立了檢測標(biāo)準(zhǔn)與對(duì)比試塊。成果應(yīng)用于飛機(jī)型號(hào)裝機(jī)件批量檢測，累計(jì)檢測滑輪架、框架、短梁等增材制造零件近500件。對(duì)增材制造材料力學(xué)行為表征與評(píng)價(jià)、損傷失效分析形成了一整套組織性能損傷關(guān)聯(lián)性研究、疲勞定量化分析以及壽命預(yù)測的理論、技術(shù)和方法集成。

3.2   激光增材制造設(shè)備
3.2.1   激光選區(qū)熔化設(shè)備
西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司自主開發(fā)了激光選區(qū)熔化成形裝備系列BLT-S300和BLT-S200，激光高性能修復(fù)系列BLT-C600和BLT-C1000。其中S300型設(shè)備通過CE認(rèn)證。公司累計(jì)交付各類增材制造設(shè)備60余臺(tái)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、兵器、核工業(yè)、汽車和醫(yī)療等領(lǐng)域。

湖南華曙高科技有限責(zé)任公司主攻增材制造主流技術(shù)——選擇性激光燒結(jié)/選區(qū)激光熔融裝備制造、材料生產(chǎn)和加工服務(wù)，持續(xù)開展高頻度自主創(chuàng)新與實(shí)踐，先后研制出全球最快、唯一可燒結(jié)PA6材料和開源可定制化的7型11款高分子、金屬材料工業(yè)級(jí)增材制造裝備，以及20余款增材制造專用高分子及金屬粉末材料。華曙的所有設(shè)備均采用開源性系統(tǒng)平臺(tái)，客戶可根據(jù)自身需求調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，還可以利用華曙設(shè)備進(jìn)行二次研發(fā)，開發(fā)新的材料、工藝及應(yīng)用。

北京星航機(jī)電裝備有限公司在增材制造設(shè)備研發(fā)方面，實(shí)現(xiàn)光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、高精度運(yùn)動(dòng)控制、設(shè)備電氣控制等一系列技術(shù)突破，完成8 臺(tái)工業(yè)級(jí)、3 臺(tái)小型金屬SLM 設(shè)備小批量生產(chǎn)；在非金屬增材制造設(shè)備方面，研制生產(chǎn)2臺(tái)500 mm非金屬SLS設(shè)備，及1臺(tái)700 mm非金屬SLS設(shè)備。

北京易加三維科技有限公司專注于研發(fā)、生產(chǎn)制造工業(yè)級(jí)SLS、SLM和SLA型3D打印設(shè)備，聚焦于工業(yè)3D打印裝備并圍繞3D打印工藝應(yīng)用的加工服務(wù)業(yè)務(wù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，與傳統(tǒng)制造和桌面型3D打印形成差異化。目前已經(jīng)成功開發(fā)出金屬材料打印、工程塑料材料打印、砂型及蠟型材料打印、光敏樹脂材料打印等5大系列、20余種機(jī)型的產(chǎn)品鏈條。

北京工業(yè)大學(xué)2014年研發(fā)出國內(nèi)首臺(tái)基于DLP技術(shù)的面曝光3D打印設(shè)備，并通過北京市科委的驗(yàn)收。2016年開發(fā)出基于粉末床技術(shù)的金屬3D打印設(shè)備。

上海航天設(shè)備制造總廠有限公司研制出鋪粉型激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備，經(jīng)過多代迭代已經(jīng)形成成熟的市場型型號(hào)。先后研制了多激光束金屬熔化增材制造設(shè)備（成形空間250 mm×250 mm×250 mm）、標(biāo)準(zhǔn)型激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備（成形空間250 mm×250 mm×280 mm）、大幅面選區(qū)熔化增材制造設(shè)備（成形空間350 mm×350 mm×300 mm）。此外，鑒于國外數(shù)據(jù)處理軟件以及控制軟件對(duì)用戶處于封閉狀態(tài)，用戶無法根據(jù)工藝研究需求對(duì)其中的相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行更改，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了基于三維數(shù)字模型分層切片處理軟件及全流程金屬增材制造設(shè)備控制軟件。

3.2.2   激光直接沉積設(shè)備
南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司自主研發(fā)6 kW光纖激光器、全自動(dòng)變焦同軸送粉噴頭、高穩(wěn)定長程送粉器、高效惰性氣體循環(huán)凈化箱體等核心器件，形成具有自主核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能合金激光定向能量沉積3D打印系列化裝備，包括：LDM 2020、LDM 8060、LDM 1500、LDM 4000，并成功實(shí)現(xiàn)航空航天整體葉盤、起落架等結(jié)構(gòu)件及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的3D打印制造。

上海航天設(shè)備制造總廠有限公司研制出機(jī)器人型同軸送粉激光直接沉積增材制造設(shè)備（成形空間1500 mm×1200 mm× 900 mm）。團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了基于三維數(shù)字模型分層切片處理軟件及全流程金屬增材制造設(shè)備控制軟件。

3.3   技術(shù)應(yīng)用
激光直接沉積主要應(yīng)用于承載結(jié)構(gòu)件的研發(fā)和小批試制。

北京航空材料研究院將激光直接沉積技術(shù)應(yīng)用于伊爾76飛機(jī)超高強(qiáng)度鋼起落架作動(dòng)筒修復(fù)，修復(fù)的前起作動(dòng)筒經(jīng)900 h起落飛行，狀態(tài)良好，修復(fù)的起落架已實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用。激光直接沉積修復(fù)的伊爾76飛機(jī)襟翼滑軌、環(huán)控導(dǎo)管，軍用飛機(jī)端軸頸、搖臂、螺栓、扭力臂，以及民航飛機(jī)轉(zhuǎn)軸、閥芯等零件也實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用。此外，將激光選區(qū)熔化應(yīng)用于航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片高溫合金導(dǎo)流管的成形制造，并實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用。

中國航空制造技術(shù)研究院激光選區(qū)熔化技術(shù)在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用，并于2014年先后向航空、航天、兵器等行業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

航空工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所通過設(shè)計(jì)及需求牽引，組織國內(nèi)優(yōu)勢單位聯(lián)合攻關(guān)，將激光選區(qū)熔化成形的發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)、排氣門格柵結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某型飛機(jī)。

沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所基于設(shè)計(jì)/制造一體化新概念結(jié)構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)研究，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)牽引激光增材制造技術(shù)發(fā)展，通過工程化應(yīng)用驗(yàn)證促進(jìn)技術(shù)成熟度的提升，實(shí)現(xiàn)了8種金屬材料、10類3D打印制造結(jié)構(gòu)件（框、梁、肋、接頭、耳片、起落架）在4個(gè)飛機(jī)型號(hào)或項(xiàng)目中的應(yīng)用。

航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院經(jīng)過近10余年的自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，在飛機(jī)大型整體鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造及裝機(jī)應(yīng)用研究方面取得突破性進(jìn)展，大型飛機(jī)鈦合金外主襟翼滑輪架、尾翼方向舵支臂兩個(gè)零件得到裝機(jī)應(yīng)用。

航空工業(yè)直升機(jī)所在直升機(jī)前期設(shè)計(jì)階段，吹風(fēng)模型、駕駛艙人機(jī)功效模型等大量采用激光3D增材制造技術(shù)完成數(shù)模加工。通風(fēng)格柵結(jié)構(gòu)、淋雨密封結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣道多腔體結(jié)構(gòu)等功能結(jié)構(gòu)及復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)件已實(shí)現(xiàn)3D打印加工制造及裝機(jī)，某些主受力結(jié)構(gòu)件，如起落架、多管路輔助接頭也進(jìn)行了3D打印預(yù)先研究。

2005年來，北京航空航天大學(xué)研制生產(chǎn)了飛機(jī)機(jī)身主承力框、翼身根肋、主起落架等100余種大型整體鈦合金及超高強(qiáng)度鋼承力關(guān)鍵構(gòu)件，在我國艦載機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)、C919大型客機(jī)、四代機(jī)等7個(gè)重點(diǎn)型號(hào)飛機(jī)及大型運(yùn)載火箭等5型火箭/導(dǎo)彈、新型衛(wèi)星、燃?xì)廨啓C(jī)/汽輪機(jī)等10多型重大裝備研制和小批量生產(chǎn)中得到實(shí)際應(yīng)用。

除航空領(lǐng)域外，激光直接沉積技術(shù)還應(yīng)用于航天等行業(yè)。

西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司針對(duì)航空航天極端復(fù)雜的精密構(gòu)件加工制造問題，利用SLM技術(shù)，解決了隨形內(nèi)流道、復(fù)雜薄壁、鏤空減重、復(fù)雜內(nèi)腔、多部件集成等復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題，每年可為航空航天領(lǐng)域提供復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)件8000余件。

鑫精合激光科技發(fā)展（北京）有限公司采用激光選區(qū)熔化技術(shù)自主研發(fā)制備了大尺寸薄壁鈦合金點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)件——集熱窗框，滿足了火星車產(chǎn)品的技術(shù)要求，保障了火星車產(chǎn)品的順利研發(fā)與實(shí)驗(yàn)。

上海航天設(shè)備制造總廠有限公司采用激光增材制造技術(shù)制造的火箭箱間斷支架、衛(wèi)星散熱器、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭關(guān)鍵零件等產(chǎn)品，已實(shí)現(xiàn)型號(hào)應(yīng)用。

北京星航機(jī)電裝備有限公司在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、創(chuàng)新成形工藝、復(fù)合增材制造等方面開展了深入的工藝技術(shù)驗(yàn)證，積極推動(dòng)增材制造技術(shù)在航天艙段類結(jié)構(gòu)件、舵面產(chǎn)品上的應(yīng)用，部分產(chǎn)品通過地面試驗(yàn)及飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。

北京機(jī)電工程研究所已實(shí)現(xiàn)大尺寸薄壁骨架艙段結(jié)構(gòu)的激光直接沉積和小型復(fù)雜零部件的激光選區(qū)熔化制造，提高了產(chǎn)品的研發(fā)效率，縮短了研發(fā)周期。目前相關(guān)產(chǎn)品，包括舵面翼面、支架等的技術(shù)成熟度達(dá)到5級(jí)。

華中科技大學(xué)激光增材制造技術(shù)在多家企業(yè)得到應(yīng)用，提升了傳統(tǒng)制造業(yè)水平，效果顯著。通過增/減制造具有隨形冷卻水道的梯度材料模具，保證了模具的整體性能，成果在廣東科龍模具和湖北三環(huán)鍛造等企業(yè)應(yīng)用，內(nèi)嵌冷卻水道的注塑模硬度提高2倍、冷卻周期縮短68%以上，模具使用壽命提高3倍，再制造模具成本僅為重新制造的10%。

3.4   國內(nèi)外激光增材制造重點(diǎn)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢研判
增材制造材料和零件的性能要求不斷提高，推動(dòng)激光增材制造工藝方法不斷發(fā)展豐富。增材制造的材料由固溶強(qiáng)化高溫合金延伸至固溶時(shí)效高溫合金，由普通鈦合金延伸至高溫鈦合金、鈦鋁金屬間化合物，由單一金屬材料延伸至金屬基/陶瓷基復(fù)合材料、梯度材料。增材制造的零件由次承載、功能結(jié)構(gòu)向承載、結(jié)構(gòu)功能一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，零件增材組織由等軸晶向定向凝固、單晶組織發(fā)展。“材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化增材制造”整體性概念開始被接受，并引導(dǎo)增材制造走向材料-結(jié)構(gòu)-工藝-性能一體化“并行模式”[16]。材料性能提高，伴隨增材制造工藝性降低；零件組織性能提高，伴隨增材制造難度增大；這些都催生多能量場、多物理場增材制造新工藝的發(fā)展[17]。由于航空領(lǐng)域?qū)�激光增材制造結(jié)構(gòu)的高可靠、長壽命要求，在一定程度上會(huì)制約其在飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位的應(yīng)用。可以推測，增材制造發(fā)展重點(diǎn)必然會(huì)轉(zhuǎn)向增材制造產(chǎn)品的冶金質(zhì)量、力學(xué)性能及其穩(wěn)定性控制方面。另外，基于增材制造技術(shù)，設(shè)計(jì)制造一體化開發(fā)的散熱器、框梁等新型結(jié)構(gòu)開始應(yīng)用于飛機(jī)制造[18]。激光選區(qū)熔化制造復(fù)雜、輕質(zhì)、新型次承力或功能性結(jié)構(gòu)也會(huì)成為國內(nèi)外增材制造技術(shù)的重要發(fā)展方向[19]。

在設(shè)備方面，增減材復(fù)合加工設(shè)備和技術(shù)成為一個(gè)重要發(fā)展方向，對(duì)于提高制造效率、降低制造成本會(huì)產(chǎn)生重要影響。大尺寸、超大尺寸激光選區(qū)熔化設(shè)備正在成為國內(nèi)外設(shè)備制造商競相開展研發(fā)的增材制造設(shè)備。增材制造設(shè)備的智能化，包括在線監(jiān)測、參數(shù)自整定控制等功能的研究開發(fā)，正成為增材制造設(shè)備的研發(fā)熱點(diǎn)。尤其是激光增材制造的熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測、粉末床和熔融層的可見光檢測技術(shù)，近年來發(fā)展迅速，其中熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測已應(yīng)用于工藝反饋控制。

在增材制造制件評(píng)價(jià)技術(shù)方面，針對(duì)增材制造組織、結(jié)構(gòu)開發(fā)專門的超聲波、工業(yè)CT技術(shù)是一個(gè)重要研究方向�；�于損傷失效分析、壽命預(yù)測研究的增材制造結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究，以及基于元件、單元體和特征結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)使用性能考核驗(yàn)證技術(shù)研究，正在引起越來越多的關(guān)注。

4.   航空裝備激光增材制造路線圖研究
4.1   2035年發(fā)展目標(biāo)
4.1.1   需求
激光增材制造基于數(shù)模切片通過逐層堆積實(shí)現(xiàn)零件近凈成形制造，無需模具，節(jié)省材料，縮短研制和生產(chǎn)周期，降低制造成本。特別適合復(fù)雜形狀零件、梯度材質(zhì)與性能構(gòu)件、復(fù)合材料零件和難加工材料零件的制造，還支持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)功能一體化制造。

航空航天領(lǐng)域的零件，外形復(fù)雜多變，材料硬度、強(qiáng)度等性能要求較高，難以加工且成本較高。而新生代飛行器正在向高性能、長壽命、高可靠性以及低成本的方向發(fā)展，采用整體結(jié)構(gòu)、復(fù)雜大型化是其發(fā)展趨勢。正是基于此發(fā)展趨勢，激光增材制造技術(shù)越來越受到航空航天制造商的青睞。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、軸承座、控制殼體、葉片等零件，內(nèi)部具有復(fù)雜油路、氣路和型腔，為提高效能而進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，更增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造難度。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)、排氣門格柵結(jié)構(gòu)，武器艙的艙門支座等部件，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，這些新型復(fù)雜構(gòu)件的成形對(duì)基于激光選區(qū)熔化的增材制造技術(shù)具有迫切需求。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)各類機(jī)匣、壓氣機(jī)/渦輪整體葉盤、尾噴調(diào)節(jié)片等結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜，為提高效能甚至需采用異種或梯度材料結(jié)構(gòu)。飛機(jī)超高強(qiáng)度鋼和不銹鋼接頭、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(gòu)件，高馬赫飛行器翼舵格柵結(jié)構(gòu)承載骨架，為提高減重和承載效能須進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造難度增加，采用傳統(tǒng)工藝制造難度大，對(duì)激光直接沉積增材制造具有明確技術(shù)需求。

高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度的提高，要求采用超高溫金屬間化合物以及金屬基/陶瓷基復(fù)合材料等新型高溫結(jié)構(gòu)材料。新型高溫/超高溫材料零部件的研制對(duì)激光增材制造技術(shù)提出了潛在需求。

飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)某些帶局部凸臺(tái)、耳片等特殊結(jié)構(gòu)的承力構(gòu)件，采用鍛造工藝無法保證局部組織和性能；大型飛機(jī)的超大規(guī)格鈦合金承力框，超出現(xiàn)有鍛造設(shè)備的加工能力。對(duì)鍛造+增材制造/增材連接的復(fù)合制造技術(shù)具有明確技術(shù)需求。

激光增材制造技術(shù)經(jīng)過近年的項(xiàng)目支持，基本解決了原材料、成形工藝、復(fù)雜零件制造等關(guān)鍵技術(shù)，開始獲得應(yīng)用。目前制約激光增材制造大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸之一是疲勞問題。需要特別重視激光增材制造疲勞問題的原理性研究。

為了提高航空產(chǎn)品激光增材制造的工藝過程穩(wěn)定性和質(zhì)量，需要發(fā)展基于熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測、粉末床和熔融層可見光檢測的在線監(jiān)測、檢測技術(shù)。

航空領(lǐng)域?qū)�激光增材制造的需求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1） 飛機(jī)鈦合金框梁重要承力結(jié)構(gòu)高性能高可靠激光直接沉積；

（2） 飛機(jī)超高強(qiáng)度鋼起落架抗疲勞長壽命激光直接沉積；

（3） 飛機(jī)鈦合金、鋁合金格柵點(diǎn)陣復(fù)雜結(jié)構(gòu)激光選區(qū)熔化；

（4） 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴類零件激光選區(qū)熔化；

（5） 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦流器、葉片類零件激光選區(qū)熔化；

（6） 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制、附件殼體類零件激光選區(qū)熔化；

（7） 航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、軸承座類承力零件激光選區(qū)熔化；

（8） 航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤/機(jī)匣類承力零件激光直接沉積；

（9） 飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)超大規(guī)格結(jié)構(gòu)鍛造+增材制造/增材連接的復(fù)合制造；

（10） 激光增材制造疲勞問題的原理性研究；

（11） 激光增材制造過程的在線監(jiān)測、檢測技術(shù)研究。

4.1.2   目標(biāo)
突破飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)材料激光增材制造缺陷、組織、力學(xué)性能控制關(guān)鍵技術(shù)，掌握粉末設(shè)計(jì)與制備技術(shù)，制定材料、工藝、檢測標(biāo)準(zhǔn)，建立工藝、性能數(shù)據(jù)庫和冶金圖譜，掌握零件產(chǎn)品質(zhì)量控制技術(shù)，制定零件產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在產(chǎn)品增材制造質(zhì)量控制技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究和零件充分考核驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，推進(jìn)激光增材制造在航空、航天、船舶、核工業(yè)等重點(diǎn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用。至2035年，在航空領(lǐng)域普通金屬激光增材制造全面量產(chǎn)應(yīng)用；金屬間化合物增材制造的組織-性能-變形控制技術(shù)全面突破，性能驗(yàn)證基本完成，功能考核部分完成，部分產(chǎn)品進(jìn)入量產(chǎn)。鈮-硅、陶瓷基材料增材制造物理冶金原理得到揭示，性能驗(yàn)證基本完成，部分產(chǎn)品開始裝機(jī)應(yīng)用。

4.2   2035年發(fā)展路線圖
4.2.1   重點(diǎn)產(chǎn)品
（1）飛機(jī)： 鈦合金框梁重要承力結(jié)構(gòu)； 超高強(qiáng)度鋼起落架外筒； 鈦合金、鋁合金格柵點(diǎn)陣復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)： 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴類零件； 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦流器、葉片類零件； 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制、附件殼體類零件； 航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、軸承座類承力零件； 航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤/機(jī)匣類承力零件。

表2為2035年航空領(lǐng)域激光增材制造技術(shù)發(fā)展路線圖。

4.2.2   關(guān)鍵共性技術(shù)
（1） 激光選區(qū)熔化用高品質(zhì)粉末成分設(shè)計(jì)與制備技術(shù)

激光增材制造成形制件的組織與鑄件、塑性成形件具有顯著差別，為獲得相當(dāng)?shù)男阅芩�平，通常需要�?duì)材料成分進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，即開發(fā)適合增材制造的專用材料。為獲得良好的成形工藝性、優(yōu)良的制件內(nèi)部和外部質(zhì)量，激光選區(qū)熔化增材制造工藝對(duì)所采用的粉末原材料的質(zhì)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(dòng)性等，均提出嚴(yán)格的要求。加之所采用的材料為了提高力學(xué)性能，均采用特殊的成分體系，導(dǎo)致其液態(tài)和固態(tài)塑性加工性能較差。這些都增加了高品質(zhì)粉末制備的挑戰(zhàn)性。

（2） 激光增材制造的缺陷控制和組織性能改善技術(shù)

飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)良的綜合性能的獲得，通常以犧牲材料的熱加工性為代價(jià)。用于燃油噴嘴、渦流器等零件的高溫合金、鈦合金、鋁合金、馬氏體不銹鋼等材料，在凝固過程中，發(fā)生裂紋的傾向性普遍較高，容易導(dǎo)致制件報(bào)廢，或嚴(yán)重降低制件的可靠性[20-21]。對(duì)于鈦合金的增材制造，產(chǎn)生氣孔的概率很高。增材制造采用逐層堆積，如工藝參數(shù)選取不合適，容易在層間產(chǎn)生未熔合或熔合不充分等缺陷。飛機(jī)重要承力結(jié)構(gòu)，要求長壽命、抗疲勞、高可靠。發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件還對(duì)持久、蠕變等性能提出了要求，這就要求對(duì)增材制造的組織形態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格的控制。因此，需要通過工藝優(yōu)化及合適的后續(xù)處理，防止缺陷產(chǎn)生、獲得優(yōu)良組織，保證制件性能。由于工藝參數(shù)的調(diào)整，對(duì)于不同性質(zhì)缺陷的產(chǎn)生、組織形態(tài)和力學(xué)性能的變化等所產(chǎn)生的影響十分復(fù)雜，最優(yōu)的工藝窗口可能很窄，必須經(jīng)過實(shí)質(zhì)上的一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化過程才可能確定。

（3） 復(fù)雜結(jié)構(gòu)精確成形的增材制造應(yīng)力變形控制技術(shù)

增材制造過程的逐層堆積引起熱應(yīng)力和變形的累積。每層材料的熔融、凝固均會(huì)產(chǎn)生一次凝固收縮。因此，增材制造的制件內(nèi)部存在較大的應(yīng)力，這會(huì)引起制件開裂或宏觀變形。對(duì)于飛機(jī)框梁、起落架等大投影面積、大厚度結(jié)構(gòu)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、渦流器、機(jī)匣等復(fù)雜、薄壁結(jié)構(gòu)，應(yīng)力變形問題更為突出，導(dǎo)致制件外觀尺寸和內(nèi)部通道等形狀控制難度大為增加。因此，需要通過優(yōu)化制件的空間擺放，采用合適的沉積策略、工藝支撐，優(yōu)化成形工藝參數(shù)、采用合適的預(yù)熱及后熱處理，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力變形的有效控制。

（4） 激光選區(qū)熔化成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)與測試技術(shù)

激光增材制造技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)重要承力和功能結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部缺陷、組織特點(diǎn)不同于鍛造、鑄造結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的檢測、評(píng)價(jià)方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)未必適用。激光增材制造技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、渦流器、軸承殼體等帶內(nèi)部流道或者中空薄壁類的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流道角度、形狀和尺寸公差、表面粗糙度，對(duì)結(jié)構(gòu)功能均有重要影響；但是這些結(jié)構(gòu)特征采用常規(guī)的檢測技術(shù)難以檢測，必然會(huì)對(duì)增材制造技術(shù)的推廣應(yīng)用造成限制。由于激光選區(qū)熔化成形材料及結(jié)構(gòu)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(jí)，采用常規(guī)的方法難以檢測，另外，材料的組織特征及缺陷的類型、尺寸、分布等對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、可靠性和使用壽命影響還缺乏系統(tǒng)性研究。這些問題嚴(yán)重限制了激光增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用。

（5） 增材制造元件級(jí)及零件級(jí)力學(xué)性能考核

由于增材制造與傳統(tǒng)的鑄造、鍛造組織缺陷存在明顯差異，使增材制造構(gòu)件的力學(xué)性能及其斷裂行為存在顯著不同。對(duì)于增材制造整體葉盤，如何表征材料及整體葉盤的力學(xué)行為也是亟待解決的科學(xué)問題之一。增材制造整體葉盤的力學(xué)行為研究，包括增材制造材料力學(xué)行為、元件級(jí)（單元體）力學(xué)行為、零件典型件力學(xué)行為研究。對(duì)于單元體力學(xué)行為、零件典型件力學(xué)行為，國內(nèi)還沒開展相關(guān)研究，國外RR、GE、MTU等機(jī)構(gòu)的研究也鮮有公開報(bào)道，仍處于保密階段。

5.   結(jié)論與建議
（1）增材制造特別適合零件的快速研制、快速驗(yàn)證和設(shè)計(jì)改進(jìn)，并且支持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，因此在飛機(jī)鈦合金承力框、滑輪架和超高強(qiáng)度鋼起落架外筒等重要承力結(jié)構(gòu)以及飛機(jī)艙門連接件、輔助動(dòng)力艙進(jìn)氣門、排氣門格柵結(jié)構(gòu)、武器艙門支座、橫梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造中得到應(yīng)用，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴、渦流器、渦輪葉片、傳感器殼體、燃油控制系統(tǒng)殼體等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造中也得到批量應(yīng)用。不僅縮短了零件研制周期，降低了制造成本，而且增加了設(shè)計(jì)的自由度，通過結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)創(chuàng)新，取得了質(zhì)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(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)度，另一方面由于采用結(jié)構(gòu)功能一體化制造，大大減少了零件數(shù)量，顯著提高了裝備的可靠性。

（2）國內(nèi)增材制造技術(shù)發(fā)展仍存在短板和不足，制約著增材制造技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。增材制造設(shè)備激光器、光路、加工頭等核心器件自主保障能力不足，零件數(shù)模切片、掃描路徑規(guī)劃、實(shí)時(shí)監(jiān)測控制軟件研發(fā)能力欠缺，限制了工藝創(chuàng)新的上升空間。對(duì)傳統(tǒng)材料和新材料增材制造組織、性能、缺陷、應(yīng)力變形發(fā)展規(guī)律的研究不深入，導(dǎo)致制件增材制造的控性控形工藝開發(fā)效果不佳。對(duì)于粉末、絲材原材料和增材制造工藝過程的質(zhì)量控制以及制件性能評(píng)價(jià)研究不充分，導(dǎo)致相關(guān)材料規(guī)范、工藝標(biāo)準(zhǔn)、檢測方法、產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，嚴(yán)重制約增材制造的批量化規(guī)�；瘧�(yīng)用推廣。

（3）為推動(dòng)我國增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用推廣，需要從科研項(xiàng)目支持、科研生產(chǎn)條件配套、設(shè)備研發(fā)能力提升等方面提供全方位的戰(zhàn)略保障。具體建議如下：

① 設(shè)立不同類型科研項(xiàng)目支持技術(shù)研發(fā)

結(jié)合在研、在役飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制和性能提升，設(shè)立型號(hào)課題，針對(duì)已具備較好研究基礎(chǔ)的TC4鈦合金、AlSi10Mg鋁合金、GH3536高溫合金增材制造技術(shù)，支持開展工程化應(yīng)用研究，解決產(chǎn)品質(zhì)量控制和產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)技術(shù)的規(guī)�；�量產(chǎn)應(yīng)用。針對(duì)預(yù)研飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制需求，設(shè)立預(yù)先研究課題，針對(duì)高強(qiáng)高韌鈦合金、高鋁鈦高溫合金等高性能材料增材制造技術(shù)，支持開展控性、控形關(guān)鍵技術(shù)研究，研制典型零件并開展相關(guān)考核試驗(yàn)，推動(dòng)技術(shù)型號(hào)應(yīng)用。面向未來飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)需求，設(shè)立應(yīng)用基礎(chǔ)研究課題，支持開展超高溫結(jié)構(gòu)材料、新型材料、新型結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)研究，為新概念航空裝備設(shè)計(jì)制造儲(chǔ)備技術(shù)基礎(chǔ)。

② 配套科研條件建設(shè)

根據(jù)型號(hào)課題、預(yù)先研究課題、應(yīng)用基礎(chǔ)研究課題需要，進(jìn)行配套科研條件建設(shè)，建立各階段研究所需設(shè)備、計(jì)算機(jī)軟件等硬、軟件設(shè)施。

③ 支持相關(guān)基礎(chǔ)元器件、設(shè)備集成、軟件開發(fā)

支持提升國內(nèi)增材制造設(shè)備集成能力、重要核心元器件的研發(fā)制造能力，支持開展國內(nèi)數(shù)模切片軟件、掃描策略規(guī)劃軟件、工藝參數(shù)控制軟件、模擬仿真軟件的優(yōu)化、開發(fā)，提高裝備和工藝的智能化水平。