航空航天增材制造四大類典型結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢(shì)

來(lái)源：國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)資源共享

航空航天是當(dāng)今世界科技強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)方向之一，其發(fā)展離不開(kāi)兼具輕量化、難加工、高性能等特征的金屬構(gòu)件。激光增材制造為高性能金屬構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造開(kāi)辟了新的工藝途徑，可解決航空航天等領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程中對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、工藝、性能及應(yīng)用等提出的新挑戰(zhàn)。

顧冬冬教授關(guān)于航空航天領(lǐng)域高性能金屬材料的綜述，以鋁、鈦為代表的輕質(zhì)高強(qiáng)合金，以及以Ni基高溫合金為代表的承載耐熱合金，是激光增材制造中重要的應(yīng)用材料；輕量、大型、整體及復(fù)雜結(jié)構(gòu)則是增材制造主要的發(fā)展方向，這其中包含了非常多復(fù)雜而先進(jìn)的科學(xué)問(wèn)題。本篇介紹航空航天激光增材制造的4類典型結(jié)構(gòu)：

• 大型金屬結(jié)構(gòu)
• 復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)
• 輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)
• 多功能仿生結(jié)構(gòu)
  

一、大型金屬構(gòu)件的激光增材制造
應(yīng)用于航空、航天、船舶、核電等現(xiàn)代工業(yè)的大型金屬構(gòu)件正朝著復(fù)雜化、一體化、高性能化方向發(fā)展，激光能量沉積技術(shù)已證實(shí)可滿足大型金屬構(gòu)件的成形要求。然而若要在鈦合金、鎳基高溫合金、高強(qiáng)鋼、難熔合金等難加工金屬材料大型關(guān)鍵構(gòu)件上獲得更廣泛的工業(yè)應(yīng)用，仍需進(jìn)一步解決兩大關(guān)鍵難題：

1. 高能激光長(zhǎng)時(shí)間劇烈非穩(wěn)態(tài)循環(huán)加熱和高速冷卻條件下，成形材料的晶粒形態(tài)及顯微組織很難控制，以凝固晶粒、內(nèi)部缺陷及顯微組織為核心的冶金質(zhì)量和性能控制是激光增材制造大型金屬構(gòu)件的基礎(chǔ)難題；

2. 激光增材制造過(guò)程中熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、凝固收縮應(yīng)力等多種類型復(fù)雜應(yīng)力的累加與耦合，易導(dǎo)致大型金屬構(gòu)件變形，甚至開(kāi)裂，大大制約了大型金屬構(gòu)件激光增材制造的控形與控性。

有研究指出，增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的最大障礙是成形件中的熱應(yīng)力及多種結(jié)構(gòu)缺陷。北京航空航天大學(xué)王華明院士認(rèn)為，內(nèi)應(yīng)力及變形開(kāi)裂是長(zhǎng)期制約金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)發(fā)展的瓶頸。鈦合金密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)，已被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、主承力構(gòu)件、起落架等，但其較差的加工性能制約了它的工程應(yīng)用范圍。

經(jīng)過(guò)多年研究，王華明院士團(tuán)隊(duì)突破了飛機(jī)鈦合金大型主承力構(gòu)件，TA15、TC4、TC11等大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)主承力飛機(jī)鈦合金加強(qiáng)框及 A-100超高強(qiáng)度鋼飛機(jī)起落架等關(guān)鍵構(gòu)件的激光增材制造，并實(shí)現(xiàn)了主承力構(gòu)件的裝機(jī)應(yīng)用。

西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東、林鑫教授團(tuán)隊(duì)面向中國(guó)C919中型客機(jī)的需求，利用激光能量沉積技術(shù)制造了TC4合金體系C919飛機(jī)翼肋緣條，其長(zhǎng)為3100mm，探傷和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果皆符合中國(guó)商飛的設(shè)計(jì)要求。

此外，近年來(lái)大型SLM裝備的發(fā)展為結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的大型整體金屬構(gòu)件的成形開(kāi)辟了新途徑，基于SLM成形的鈦合金風(fēng)扇葉片包邊長(zhǎng)度可達(dá)1200mm，具有復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，且成形尺寸精度較高；基于SLM成形的鎳基高溫合金發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣尺寸達(dá)到了Ф576mm×200mm，為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用驗(yàn)證提供了重要的技術(shù)支撐。

二、復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)的SLM制造
隨著航空航天領(lǐng)域?qū)�熱端部件服役性能要求的日益提高，整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造越來(lái)越受到重視，內(nèi)含復(fù)雜內(nèi)流道、多孔點(diǎn)陣等難加工結(jié)構(gòu)，已超出了傳統(tǒng)工藝的制造能力，而基于SLM技術(shù)可使這些復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)的快速制造成為可能。

整體結(jié)構(gòu)的增材制造技術(shù)已證實(shí)對(duì)未來(lái)空間探索至關(guān)重要，NASA提出了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件“制造速度提升10倍、生產(chǎn)成本降低50％以上”的目標(biāo)。其采用SLM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氫火箭助推器的整體制造，繼而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)減重、制造效率和服役性能的顯著提升；火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室銅合金襯套整體構(gòu)件的打印和應(yīng)用是其近年來(lái)的另一項(xiàng)成功實(shí)踐，該案例克服了銅材料的高反射和微細(xì)流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及激光增材制造成形質(zhì)量的多重挑戰(zhàn)。這種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體制造，為增材制造技術(shù)的發(fā)展提出了更高要求。

美國(guó)GE公司基于SLM技術(shù)研發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)新型燃油噴嘴，這是近年來(lái)復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)增材制造航空工業(yè)應(yīng)用最為著名的案例。燃油噴嘴作為典型的復(fù)雜裝配體，無(wú)論是成形制造還是裝配組裝，工序多、工裝多、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，且加工精度及穩(wěn)定性很難達(dá)到使用要求，對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù)來(lái)說(shuō)都是一大挑戰(zhàn)。針對(duì)這一難題，GE公司采用SLM技術(shù)加工IN718鎳基高溫合金，實(shí)現(xiàn)了燃油噴嘴的整體設(shè)計(jì)與制造，將原先20個(gè)小部件的“組件”變成一個(gè)整體的構(gòu)件。這不僅消除了不同部件之間冗余的連接結(jié)構(gòu)，還對(duì)燃油噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。最終整體設(shè)計(jì)制造的燃油噴嘴實(shí)現(xiàn)了25％的減重效果，同時(shí)縮短了制造周期，降低了生產(chǎn)成本，且使用壽命提升了5倍以上。

三、輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的增材制造
對(duì)于航空航天飛行器而言，減重是永恒的主題，而傳統(tǒng)制造方法已將零件減重的可能性發(fā)揮到了極致。將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)相結(jié)合，可使構(gòu)件具有高比強(qiáng)度和高比剛度等優(yōu)異的力學(xué)特性。激光增材制造因具有疊層自由制造的工藝特性，賦予了復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)極高的設(shè)計(jì)及成形自由度，可成形傳統(tǒng)加工方法難以成形的輕量化復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用

近年來(lái)，激光增材制造成形復(fù)雜輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)已成為熱點(diǎn)研究方向之一，為航空航天等領(lǐng)域輕量化金屬構(gòu)件性能及功能的突破帶來(lái)新契機(jī)。傳統(tǒng)經(jīng)典結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)以及基于拓?fù)鋬?yōu)化的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)都能為構(gòu)件性能提升帶來(lái)突破。

增材制造技術(shù)在航空航天點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域已展現(xiàn)出一定的發(fā)展與應(yīng)用潛力，并以輕量化和高性能作為主要考核目標(biāo)。而且，激光增材制造點(diǎn)陣構(gòu)件已在國(guó)際民航客機(jī)制造領(lǐng)域獲得了實(shí)際工程應(yīng)用�？湛凸�司基于SLM技術(shù)設(shè)計(jì)和制造的仿生點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)機(jī)艙隔板，在成形材料上選用新型輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金，該在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上基于生物啟迪實(shí)現(xiàn)了跨尺度仿生點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在宏觀尺度上基于“黏菌自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”算法實(shí)現(xiàn)了主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在微觀尺度上則借鑒了骨骼生長(zhǎng)的生物靈感，完成了超過(guò)66000個(gè)網(wǎng)格的排布，實(shí)現(xiàn)了微觀網(wǎng)格稠密度與應(yīng)力分布相匹配，最終使得跨尺度仿生點(diǎn)陣構(gòu)件較原蜂窩復(fù)合材料隔板結(jié)構(gòu)在相同沖力下的位移減少了８％(９mm)，有望批量應(yīng)用于A320客機(jī)上。

四、多功能仿生結(jié)構(gòu)的增材制造
激光增材制造的金屬構(gòu)件正從高性能向多功能發(fā)展，Nature以“推開(kāi)3D打印的限制”為題發(fā)表評(píng)述指出，材料和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造將助力3D打印技術(shù)的發(fā)展，并建議“向自然界‘借’材料、‘借’結(jié)構(gòu)”，道法自然，突出生物仿生、生物靈感，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。

△空客為未來(lái)航班生成仿生設(shè)計(jì)

未來(lái)增材制造的發(fā)展將更加凸顯材料創(chuàng)造、結(jié)構(gòu)仿生以及多功能集成優(yōu)化。生物系統(tǒng)經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的進(jìn)化和自然選擇，已形成并優(yōu)化了其復(fù)雜的多層級(jí)組織結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最優(yōu)的性能/功能來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境的變化。許多生物系統(tǒng)具有獨(dú)特的多功能組合，而這往往是人工合成材料難以實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)代分析表征技術(shù)已證實(shí)，天然材料的優(yōu)異性能或特殊功能，是依靠其內(nèi)部復(fù)雜的多層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其尺度范圍通常橫跨納米尺度到宏觀尺度。對(duì)于性能/功能驅(qū)動(dòng)的增材制造，基于生物靈感的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是創(chuàng)新增材制造結(jié)構(gòu)的重要途徑之一，并有望實(shí)現(xiàn)增材制造結(jié)構(gòu)性能/功能的躍升。

然而，仿生設(shè)計(jì)在原理上很簡(jiǎn)單，但在實(shí)際制造中卻有相當(dāng)難度，原因主要是多材料合理匹配與布局的挑戰(zhàn)及微/宏大跨尺度仿生結(jié)構(gòu)制造工藝的約束性。

顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)基于下一代高超音速飛行器、空間探測(cè)器等航空航天裝備的整體化、多功能化發(fā)展趨勢(shì)及潛在工程應(yīng)用，面向減振抗沖擊、隔熱/防熱等綜合功能需求，創(chuàng)新發(fā)展了仿生結(jié)構(gòu)及材料布局，實(shí)現(xiàn)了仿生結(jié)構(gòu)的激光整體增材制造及其多功能化，其中涉及結(jié)構(gòu)、材料、工藝、功能等多因素的耦合、匹配及一體化調(diào)控。

仿生設(shè)計(jì)為功能驅(qū)動(dòng)的增材制造結(jié)構(gòu)優(yōu)化及多功能化提供了新途徑，但“結(jié)構(gòu)易仿、制造不易、科學(xué)更難”，其中涉及的關(guān)鍵科學(xué)難題包括：仿生微結(jié)構(gòu)與構(gòu)件典型功能的映射關(guān)系及優(yōu)化模型；仿生設(shè)計(jì)的跨尺度結(jié)構(gòu)激光增材制造工藝約束性及成形機(jī)制；激光增材制造仿生結(jié)構(gòu)的多功能一體化評(píng)價(jià)方法及響應(yīng)機(jī)制等。因此，增材制造新技術(shù)與仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相輔相成、相得益彰，而關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究則貫穿于材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化的全過(guò)程各領(lǐng)域。

思考與展望：激光增材制造技術(shù)未來(lái)的研究與發(fā)展趨勢(shì)
激光增材制造技術(shù)的科學(xué)內(nèi)涵決定了其發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)微觀-介觀-宏觀跨尺度的材料-結(jié)構(gòu)-工藝-性能/功能一體化。激光增材制造技術(shù)未來(lái)的研究與發(fā)展趨勢(shì)中，下列方向值得進(jìn)一步關(guān)注：

（1）以高性能/多功能為驅(qū)動(dòng)的激光增材制造材料-結(jié)構(gòu)-工藝一體化，主動(dòng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的高性能和多功能；

（2）激光增材制造的“多相材料”和“多材料”設(shè)計(jì)、制備與成形，以實(shí)現(xiàn)將“合適的材料添加到合適的位置”；

（3）激光增材制造創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件高性能化和多功能化，以凸顯“獨(dú)特的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的功能”；

（4）構(gòu)建面向全尺寸構(gòu)件和全工藝流程的激光增材制造工藝仿真、監(jiān)測(cè)、反饋及工藝優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)與方法，全面提升激光增材制造工藝技術(shù)水平、質(zhì)量以及工業(yè)應(yīng)用水平。