航空零件增材制造的形狀與性能控制研究進(jìn)展

來源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

河南理工大學(xué)的科研人員綜述報(bào)道了增材制造中航空零部件的形狀與性能控制研究進(jìn)展。相關(guān)論文以“Development on shape and performance control of aeronautical parts in additive manufacturing”為題發(fā)表在《Journal of Manufacturing Processes》上。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的持續(xù)提升，零件結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，服役性能可靠性需求日益嚴(yán)格。增材制造過程中強(qiáng)烈的熱-凝固-力學(xué)耦合效應(yīng)使得航空航天領(lǐng)域難以建立可靠的形狀精度與性能控制方法。現(xiàn)有研究大多針對(duì)形狀精度或力學(xué)性能單一目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。為把握形狀精度與性能控制的發(fā)展趨勢(shì)，本文系統(tǒng)綜述了缺陷形成機(jī)理、預(yù)測(cè)補(bǔ)償方法、工藝控制、輔助加工技術(shù)、應(yīng)用效果及熱處理等方面的研究進(jìn)展。形狀與表面缺陷主要源于設(shè)計(jì)方法不當(dāng)、熔池不穩(wěn)定及制造過程中的高冷卻速率，而力學(xué)性能缺陷則主要由制造過程中形成的特殊微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部缺陷導(dǎo)致。制造前主要通過數(shù)值模擬和預(yù)熱技術(shù)對(duì)形狀缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)補(bǔ)償；加工階段通過控制關(guān)鍵工藝參數(shù)確保熱輸入恒定和熔池穩(wěn)定；輔助技術(shù)與后處理是優(yōu)化表面質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)以提升形狀精度與性能的重要手段。本文總結(jié)了當(dāng)前形狀與性能協(xié)同控制的不足及未來挑戰(zhàn)，為增材制造形狀精度與性能控制的深入研究奠定基礎(chǔ)。

圖1金屬增材制造研究熱點(diǎn)

圖2航空航天領(lǐng)域金屬增材制造發(fā)展

圖3增材制造的制造過程、典型微觀結(jié)構(gòu)、形狀/表面缺陷與性能表現(xiàn)

圖4增材制造工藝流程、加工方法及市場(chǎng)份額示意圖

圖5蜂窩狀微觀結(jié)構(gòu)的形成過程

圖6增材制造中的形態(tài)缺陷及其對(duì)性能的影響

圖7增材制造件的力學(xué)性能及其影響因素

圖8幾何變形的產(chǎn)生機(jī)理

圖9殘余應(yīng)力的形成機(jī)制

圖10表面粗糙度的生成機(jī)理

圖11變形補(bǔ)償方法流程圖

圖12不同能量輸入下懸垂面的表面質(zhì)量對(duì)比

圖13增減材復(fù)合制造工藝

圖14增材制造件的拉伸斷裂機(jī)理

圖15疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制

圖16熱處理后增材制造件的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

圖17輔助加工方法分類及其效果

圖18超聲輔助增材制造效果

圖19超聲振動(dòng)輔助銑削效果

本文探討了增材制造零件形狀與性能缺陷的形成機(jī)制，綜述了現(xiàn)有形狀精度與性能優(yōu)化方法，得出以下結(jié)論：

1.形狀精度與性能缺陷的成因包括增材制造設(shè)計(jì)特性、加工過程中能量輸入變化導(dǎo)致的熔池不穩(wěn)定、能量輸入不足/過量以及熔體動(dòng)態(tài)現(xiàn)象。加工控制的本質(zhì)是通過調(diào)控能量輸入優(yōu)化熱歷史，從而獲得更好的表面質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)。  

2.現(xiàn)有控制措施主要針對(duì)加工過程和后處理階段，關(guān)于設(shè)計(jì)方法、設(shè)備參數(shù)等因素對(duì)缺陷影響的研究表明，這些因素對(duì)形狀精度和性能缺陷具有重要影響。  

3.預(yù)熱技術(shù)可降低熱梯度、優(yōu)化殘余應(yīng)力、平衡凝固過程并提高形狀精度，但對(duì)力學(xué)性能改善效果有限。  

4.復(fù)合制造技術(shù)能提高工件致密度、調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)并保證尺寸精度。當(dāng)增材制造與輔助技術(shù)結(jié)合時(shí)，耦合效應(yīng)會(huì)引發(fā)復(fù)雜問題，其耦合機(jī)制及對(duì)形狀精度與性能的提升機(jī)理尚不明確。  

5.當(dāng)前增材制造件的熱處理方法多沿用傳統(tǒng)工藝，尚未形成針對(duì)增材制造微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部缺陷特性的熱處理體系。  

6.通過熱處理與復(fù)合制造技術(shù)結(jié)合可提升力學(xué)性能：熱處理能減少孔隙、優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)；表面處理技術(shù)可改善表面質(zhì)量。  

7.現(xiàn)有研究多針對(duì)單一性能或單因素優(yōu)化，缺乏全過程控制系統(tǒng)。  

8.超聲輔助增材制造可細(xì)化晶粒并減少結(jié)構(gòu)缺陷；超聲輔助銑削能提高尺寸精度、細(xì)化表面晶粒并改善近表面孔隙缺陷。鑒于形狀與性能的協(xié)同控制尚未形成體系，這可能是實(shí)現(xiàn)兩者協(xié)同優(yōu)化的一種有效方法。

形狀精度與性能控制是確保金屬增材制造冶金質(zhì)量與一致性、實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)制造的重要保障。基于增材制造近數(shù)十年的發(fā)展趨勢(shì)，未來研究將圍繞工具、技術(shù)與方法三個(gè)維度，在形狀精度與性能控制基礎(chǔ)理論的突破、形狀精度與性能控制基礎(chǔ)方法的創(chuàng)新、形狀精度與性能控制裝置的增效集成設(shè)計(jì)等不斷突破，在形狀精度與性能控制領(lǐng)域展開深入探索。


論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2025.03.015