增材制造及其航空航天领域的发展现状

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1、增材制造及其航空航天领域的发展现状摘要：本文阐述了增材制造的基本概念和不同种类增材制造技术的原理、特点，并对不同种类增材制造技术在航空航天和军事领域的国内外发展状况进行了介绍，归纳总结了当前该技术所存在的问题与不足，最后对增材制造的发应用前景进行了展望关键词：增材制造；航空航天领域；发展现状1金属增材制造的种类和原理金属增材制造（AdditiveManufacturing,简称AM）技术区别于传统的铸、锻、焊等热加工“等材成形”技术及车、铣、磨等冷加工“减材成形”技术的一种全新的制造方法，是采用材料逐渐累加的方法制

2、造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种自下而上的制造方法[2]。它是融合了计算机软件、材料、机械、控制等多学科知识的系统性、综合性的技术。增材制造按照不同的加工方法可分为激光增材制造、电子束增材制造、电弧增材制造等，有的加工方法仍可细化成两种或多种不同的具体方式。下面将对各种不同增材制造方法的原理和特点进行阐述，并对各自的国内外研究现状进行介绍。2激光增材制造激光增材制造分为激光选区熔化技术和激光直接沉积技术，激光选区熔化成形技术原理：它是以激光作为热源，一层一层熔化金属粉末，直接制造出近形的

3、金属零件。激光快速成形技术打破了传统材料去除或变形加工成形方法的限制，利用“离散+堆积”的分令材成形思想，通过同步送粉（送丝）或激光熔覆数字化成形一步实现工件的精确成形；属近净成形制造技术。激光直接沉积技术是在快速原型技术和激光熔覆技术的基础上发展起来的一种先进制造技术。该技术是基于离散/堆积原理，通过对零件的三维CAD模型进行分层处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径，在惰性气体保护环境中，以高能量密度的激光作为热源，按照预定的加工路径，将同步送进的粉末或丝材逐层熔化堆积，从而实现金属零件的直接制造与修复

4、。约翰霍普金斯大学、宾州大学和MTS公司开发出一项大功率C02激光“钛合金的柔性制造”技术，并成立AeroMet公司。该公司的目标就是实现具有高性能、大体积钬合金零件的制造，尤其是大型整体加强筋结构钛合金零件的快速成形。公司的主要研究方向为军事领域的航空航天用钛合金部件的激光增材制造。该公司制造的钛合金零部件已实现装机使用。已使用零件分别为F-22战斗机的某接头、F-18战斗机的翼跟加强板的连接吊环和起落架连接杆。其中，F-22的接头件能够迗到要求疲劳寿命的两倍以上，翼根加强筋迗到要求疲劳寿命的四倍以上，起落架连杆

5、疲劳寿命超过原件的30%o美国Sandia国家实验室的Griffith研究组提出以激光熔覆沉积成形为基础的激光净成形(LaserEngineeredNetShaping)技术，并将此技术用于修复涡轮发动机的零部件。研究的材料种类包括不锈钢、钛合金、高温合金等，成型件的强度和塑性均比锻造件得到显著地提高。研究小组还通过对控制软件的研究和改进，将加工精度提升了一个等级。其水平方向加工精度迗到0.05mm，垂直方向加工精度迗到0.4腿，加工后零件的表面光洁度达到6.25um。但是成型精度的提高会影响到成形效率。特别值得一

6、提的是，研究组通过改变金属粉末的成分，实现了材料成分在一个零件上的梯度变化，从而使得零件的不同部位具有了不同的力学性能，这就为零件的设计优化提供了一种新的方法。国内的增材制造相关研究虽然起步较晚，但是一些相关的大学和研究机构已有异军突起之势，在某些方面甚至迗到国内外领先的地步。西北工业大学的黄卫东教授的团队在快速原型制造技术的基础上提出了激光增材制造技术的研究思路，进行了相关的研究探索。并成功运用激光立体成形技术制造出了大型飞机的钛合金翼梁缘条和飞机发动机的高温合金空心叶片，综合力学性能优于同等条件下的锻件。北京航

7、空航天大学的王华明教授采用激光增材技术制造出大尺寸金属零件，并应用于新型飞机的研制过程中，不但提高了飞机的结构强度，而且大大缩短了飞机的研制周期，并于2012年获得国家科学技术进步一等奖。但是激光增材制造也存在一些问题［3］。比如：球化现象、裂纹敏感性、残余应力等，而且设备较昂贵、能量利用率低、低熔点金属材料的受热变形、速度与精度之间的矛盾等问题也尤为突出。尤其对铝合金而言，由于液态铝的光反射率很高，激光照射在液体表面大部分反射掉，导致其能量损失严重；而且铝合金熔点较低，激光的能量密度很高，对大型薄壁零件或者壳体增

8、材时，翘曲变形较严重。3电子束增材制造电子束增材制造分为熔丝沉积成形和电子束选区熔化成形，电子束熔丝沉积技术又称为电子束自由成形制造技术(ElectronBeamFreeformFabrication,EBF)O在真空环境中，电子束轰击金属表面形成熔池，金属丝材通过送丝装置送入熔池并熔化，同时熔池按照预先规划的路径运动，熔池金属逐层凝固堆叠，达到致密的冶金结