引言

 

大型複雜整體關鍵零部（bù）件的用量大小已經成為衡量（liàng）航空、航天等重大裝備技術先進性的（de）重要標誌，具有廣（guǎng）闊的應用（yòng）和發展前景。采（cǎi）用傳統鍛造、鑄造、焊（hàn）接等方法製備大型（xíng）複雜結（jié）構件，存在工序（xù）長、工藝複雜，對製造（zào）裝備的要求高以及成形技術難度大等諸多不足。鍛造方法製備大型複雜構件，不僅需要萬噸級（jí）以上的重型液壓（yā）工業裝備、大尺寸鍛造（zào）坯料的加工以（yǐ）及大尺寸鍛造模具製造，而且其製備零件的加工去除（chú）量大、機（jī）械加（jiā）工時（shí）間長、材料利用率低、生產周期長、製造成本高（gāo）。鑄造（zào）方法製備大型複雜構件，不僅需要（yào）重型或超重型鑄造工業基礎設施，而且采用鑄造加工的金屬結構件的性能往往不能滿足要求。焊接方法製備大型複雜構件，會導致焊（hàn）接區成（chéng）為整體構件的薄弱環節（jiē），從而降低構件的整體性能。3D打印技術可以製造飛（fēi）機、導彈、衛星等航空（kōng）航（háng）天（tiān）裝備（bèi）所需的高（gāo）溫合（hé）金、鈦合金及高強度鋼等（děng）大型複雜金屬構件。麵對傳統（tǒng）加工方法（fǎ）難以製備高性能大型複雜構件的難題，3D打印成形是目前的（de）唯一（yī）技術途徑。

 

1  金（jīn）屬3D打印技術原理與優勢

 

3D打印技術是一種采用高能束為熱源，通過（guò）材料逐層堆積，實現構件無（wú）模成形的數字化製造技術。金屬零件3D打印（yìn）技（jì）術原理是將金屬粉末或絲（sī）材（cái），在（zài）激光或電子束等（děng）加熱條（tiáo）件下，按軟件設定的路徑同（tóng）步熔化、堆積，最終成形出設計的零件實體。不同種類的金屬3D打印技術主要是通過（guò）熱源種（zhǒng）類、原材料狀（zhuàng）態以及成形方（fāng）式加以區分。金屬3D打（dǎ）印的（de）熱源主有激光、電子束（shù）和電弧，原材料狀態主要為（wéi）粉末和絲（sī）材，成形（xíng）方式主要包括鋪料、送料條件下的燒結成形及熔化成形。目前，廣泛用於金屬零件3D打印製造的（de）主要工藝有4種：激光直接熔化沉積成形（xíng）(laser direct melting deposition，LDMD)、激光選區熔化成形(selective laser melting，SLM)、電子束熔絲沉積成形(electron beam freeform fabrication，EBF)、電子束選（xuǎn）區熔化成形(selective electron beam melting，SEBM)。采用（yòng）3D打印技術製備金屬零件（jiàn），與傳統製造技術（shù）相比，具有以下（xià）突（tū）出優點：

1) 無（wú）需大尺寸毛坯製備和模具加工，無需大型或超大型工業裝備；

2) 零件具有快速凝固組織的晶粒細小、組織致密、成分均勻（yún）的特征，綜合力學性能優異；

3) 實現無模具近終成形，極大地節省材（cái）料，製造成本低、周期（qī）短；

4) 適用材料廣泛，可以製備（bèi）采用傳統方法難以加工的金屬材料（liào）。

5) 能夠在製造過程中根據零件的實際使用需要設（shè）計不同部位的（de）成分和組織（zhī），提高零件的綜合性能，擴大應用範圍；

6) 具有對構件設計的高度柔性與快速反應能力，降低新產品開發風險。

 

2  大型複雜金（jīn）屬零件3D打印研究進展

 

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2.1  國外的研（yán）究進展

20世紀80年代末（mò），Sandia國家實驗（yàn）室（shì）、Los Alamos國家實驗室和Michigan大學得到美國能源部的資助，對（duì）激光直接製造技術（shù）(direct laser fabrication，DLF)展開了（le）研究；90年代中期，Sandia國家實驗室與（yǔ）UTC合作，開發了激光工（gōng）程化近淨成形技術（shù）(laser engineered net shaping，LENS)，通過其開發（fā）的LENS技術，Sandia國（guó）家實驗室陸續開展了多種金屬材料的成形研究，主要包括（kuò）不鏽鋼、鈦合金（jīn）、高溫合金等（děng），期間成功製備了某衛星TC4鈦合金零件毛坯；1997年，Optomec Design公司獲得（dé）了LENS技術（shù）的（de）商（shāng）用化（huà）許可，推出了基於激光直接沉積（jī）技術的成套裝備，並為Sandia國家實驗室提供小批量的（de）零件製造，圖1所示為Optomec Design公司製備的鈦合金葉（yè）片；Los Alamos國家實驗室開展了鈦合金（jīn）、銅合金（jīn）、不鏽鋼（gāng）等多種金屬材料的（de）DLF技術研究，製備的零件性能與采用傳統加工方法（fǎ）製備的金屬零件性能相當（dāng）；Michigan大學成立了（le）POM公（gōng）司，POM公（gōng）司主（zhǔ）要經營以金屬激光熔（róng）覆成（chéng）形(laser cladding fabrication，LCF)技術、直接金屬（shǔ）沉積(drect metal deposition，DMD)技術為基礎的大型金屬零件製造和維修裝（zhuāng）置，POM公司擁有與LENS技術相關的8項（xiàng）裝（zhuāng）置類專利技（jì）術，並通過其開發的成套（tào）裝備（bèi），製造了重達10 T的金屬零件。

1995年，在美國國防部高級研究計劃署和海（hǎi）軍研究所的資助下，Johns Hopkins大學、Pennsylvania大學和MTS公司合作開展了大（dà）尺寸鈦合金零件的柔性製造技術研（yán）究。基於前期的研究成果，MTS公司（sī）出資與Johns Hopkins大學、Pennsylvania大學合作成立了AeroMet公司。AeroMet公司獲得了美國軍方及3大美國（guó）軍（jun1）機製（zhì）造商Boeing、Lockheed Martin和Northrop Grumman公司的資助（zhù），開展了飛機機身鈦合（hé）金結構件（jiàn）的LDMD技術研究。2001年，AeroMet公司采用3D打印（yìn）技術（shù）為Boeing公（gōng）司艦載機試製了鈦合金（jīn）次承（chéng）力結構件，其中包（bāo）括尺寸為900 mm×300 mm×150 mm的航空翼根吊環，如圖2所示（shì），並於2002年（nián）實現了裝機應用。2002—2005年（nián）之間，AeroMet公司通過其（qí）Lasform工（gōng）藝係統製備了發動機艙推力梁、機翼轉動折疊接頭、內龍骨腹板、外掛架翼肋、發動機框（kuàng）等金（jīn）屬構件並實現裝機應用，其中大型（xíng）整體加強筋板鈦合金（jīn）發動機框尺寸達2 400 mm×225 mm×100 mm。

  

圖1  鈦（tài）合金葉片   圖2  F/A-18E/F翼根吊環

 

SLM研究方麵，20世紀90年代，德國（guó）Fraunhofer研究所提（tí）出采用（yòng）SLM製備金屬零件的方法，並於（yú）2002年研製成功。2013年，Fraunhofer研（yán）究所（suǒ）突破了鋁合金3D打印（yìn）的技術難題，並且由（yóu）EOS和Concept Laser等公司對其進行了推廣。目前，德國的EOS公司在（zài）SLM技術研發方麵處（chù）於世界領先（xiān）地位，其（qí）開發的EOSM400成（chéng）套裝備可以加工的金屬零件尺寸達400 mm×400 mm×400 mm。2012年，美國GE公（gōng）司采用SLM技術為LEAP噴氣（qì）式發（fā）動（dòng）機製造了燃油噴（pēn）嘴，並已接受了超過4 000台LEAP噴氣式發動機訂單。GE公司的激光3D打印發動機鈦合金構件最大尺（chǐ）寸達1 200 mm。圖3所示為GE公司製備的具（jù）有複雜內置流道結構的航（háng）空發動機葉片（piàn）。

     圖3  內（nèi）置流道的航空發動機葉片

 

EBF研究方麵，2002年，NASA的Langley研究（jiū）中心提出EBF，其合（hé）同商——美國Sciaky公（gōng）司，是當前EBF技術研究最領先的單位。在海軍、空軍、國防部（bù）等機構的支持下（xià），Sciaky公司聯合（hé）Boeing、Lockheed Martin公司開展了EBF研（yán）究，主要致力於大型航空金（jīn）屬零件的製造，製備的（de）鈦合金零件尺寸達5 800 mm×1 200mm×1 200 mm。目前，Sciaky公司成形鈦合金的最大速度可達18 kg/h，力學性能滿（mǎn）足AMS4999標準要（yào）求。圖4所示為Sciaky公司的大型航空鈦合金零件。

      圖4  大型航空鈦合金零件

 

SEBM研（yán）究方麵，20世紀90年代，瑞典的Chalmers工業（yè）大學與Arcam公司合作開發出了SEBM技術。2003年，Arcam公司開發推出了首台商用的SEBM設備，並（bìng）相繼推出了一係列SEBM產品。目前（qián），Arcam公司的SEBM係統研究處於（yú）世界領先（xiān）地位，具有世界上最（zuì）大的（de）SEBM設備，有效加工範圍為（wéi） 350 m×380 mm。SEBM技術（shù）在航空航天領域的發展迅速（sù），多家單位都開展（zhǎn）了利用（yòng）SEBM技術製（zhì）造航空（kōng）發動機複雜零件的研究。例如，意（yì）大利AVIO公司利用SEBM技術製備出了TiAl基合金發動機葉片，引起了廣泛關注。

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2.2  國（guó）內的研究進展

1997年，西北（běi）工業大學（xué）的“金屬粉材激光立體成形的熔凝組織與性能研究”獲得航空科學基金重點項目資助，是中國金屬3D打印第一個正式（shì）立項的（de）科研（yán）項目。近年來，西北工業大學采用激光3D打印技術為中國商飛公司製造了大（dà）飛機C919的中（zhōng）央翼肋TC4上（shàng）、下緣（yuán）條構件，尺寸為3 000 mm×350 mm×450 mm，質量196 kg，並（bìng）通過（guò）了中國商飛（fēi）公司的性能測（cè）試。采用激光3D打印技術，西北工業（yè）大學（xué）還製備了軸承（chéng）座後機匣、超音速飛行器方向舵、複雜內部結構零件等構件，圖5為航空發（fā）動（dòng）機（jī）軸承後（hòu）機匣。在國內LDMD研（yán）究領域中，北京航空航天大學是另一家處於領先水平的科研單位。2007年，北（běi）京航空航天大學（xué）突破了（le）飛機鈦（tài）合金大型、主承力結構件激光3D打（dǎ）印關鍵技（jì）術，研製（zhì）出世界（jiè）最大飛機鈦合金大型結構件激光快速成（chéng）形（xíng）工程化成套裝（zhuāng）備，成形室尺寸為4 000 mm×3 000 mm×2 000 mm。通過長期深入研究，北京航空航天大學研製了TA15、TC4、TC11等大型、複雜、整體、主承力飛機鈦合金加強（qiáng）框（kuàng）及A-100超高強度鋼飛機起落架等關鍵構件，並實現了（le）包括C919大型客（kè）機（jī）在內的多（duō）種型號飛機上的裝機應用，使我國成為世界上唯一突破飛（fēi）機鈦合金大型整體（tǐ）主承力構件激光3D打印技術並（bìng）實現裝機（jī）應用的國家。圖6所示為北京航空航天（tiān）大學（xué）研製的某型號飛機“眼鏡式”鈦合金大型、複雜、整（zhěng）體、主承力構件加強框。

 

圖5  航空發動機零件  圖6  鈦合金主承力構件加強框

 

在SLM研（yán）究方麵，我國最早開展激光SLM技術研究的單位為華（huá）南理（lǐ）工（gōng）大（dà）學和華中科技（jì）大學。華南理工大學專注於SLM技術的醫學（xué）植入體應用，並開發出了國內第一套SLM設備DiMetal-240。華中科技大學則（zé）首先開拓了SLM技（jì）術的航天應用，開發擁有自主知（zhī）識產權的（de）SLM設備，並成形出尺寸達615mm×216 mm×236 mm的複雜結構樣件。此外，還有多家單位（wèi）開展了SLM研究並取得實際成（chéng）果（guǒ），如西安交（jiāo）通大學製造出高表麵質量和幾何尺寸精度的複雜空（kōng）心葉片樣件；中科（kē）院沈陽自動化研（yán）究所（suǒ）成（chéng）功製備出具有一定複雜外形，能滿足直接使（shǐ）用要求的金屬零（líng）件；沈陽航空航天大學激光快速成形實驗室開發出最大成形尺寸為200 mm×200 mm×100 mm，精度達0.1 mm的加工係（xì）統。

在EBF研究方（fāng）麵，中航工業北京航空製造（zào）工程研究所於2006年開（kāi）始EBF技術的研究工作，開發了（le）目前國內最大EBF設備，有效加工範圍為（wéi）3 000 mm×1 500 mm×800 mm，圖（tú）7所示為國產EBF設備及其製備的零件。利用其研（yán）製的EBF設備，中航工業北京（jīng）航空製造工程研究所開（kāi）展了TC4、TC11、TC21等鈦合金以及A-100超高強（qiáng）度鋼的EBF工藝研究（jiū），研製了大量鈦合金零件（jiàn）和試驗件，成形出尺寸為2 100 mm×450 mm×300 mm的（de）鈦合金大型、主承（chéng）力結構件，並於2012年率先實現了在國內飛機（jī）上的裝機應用。

           圖7  國產EBF設備及其製備的零件

 

SEBM研究方麵，清華大學先進成形製造教育部（bù）重點實驗室研製出國內第一台EBSM-150電子束快速成形係統，並與西北有色金（jīn）屬研究院聯合開發（fā）了第二（èr）代EBSM-250電子束快速成形係統。基於與清華大學合作開發（fā）的成套裝備，西北（běi）有色金屬研究院對鈦合金、TiAl合金（jīn）的SEBM成形工藝及變形控製等（děng）方麵進行了深入研究，申請了相關專利，並製造出了複雜的鈦合金葉輪葉片。

 

3  存在問題和研究方向

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3.1  存在問題

1) 工（gōng）藝質量。

由於高（gāo）能束的長期（qī）周期性劇烈加熱和冷卻以及工藝參數、外部環境、掃描路徑的變（biàn）換等不連續和不穩定因素，導致大型複雜零件出現變形開裂、孔洞、夾雜、裂紋等問題。此外，3D打印金屬零（líng）件的疲勞強度、長期使用可靠性和質量的一致性難以得到保證，製造效率、質量和（hé）成本之間的關係（xì）難以協調。金屬零件3D打（dǎ）印技術還缺乏對材料問題以及材料與工藝（yì）的關係等基礎問題的研究，尚未找到材料、工藝和設備之間協調控製的方法。

2) 成形（xíng）裝（zhuāng）備（bèi）。

目（mù）前金（jīn）屬零件3D打印的能量（liàng）源主要為激光和電子束，激光、電（diàn）子束具有能量集中、加熱效率高、成（chéng）形材料廣泛的特（tè）點。然而，目前的激（jī）光、電子束技術自身並不（bú）是十分成（chéng）熟，且存在設備昂貴、複雜（zá）等缺點，增加了打印成本，限製了金屬零件（jiàn）3D打印（yìn）的普及。此外，大（dà）型複雜金屬零件3D打印需要解決更多的技術問（wèn）題，對成形裝備及其穩定性提出（chū）更高的要求（qiú），如（rú）高（gāo）匯聚光-粉耦合（hé）打印頭、大型（xíng）真空鋪粉係統以及大跨（kuà）度（dù）高精度數控工作台等。

3) 控製軟件。

分層（céng）處理、掃描路徑和策略在某種程度上決（jué）定了零（líng）件能否順利（lì）完成最終成形。大型複雜（zá）金屬零件3D打印（yìn）成形（xíng）過程中，分層處理、掃描路徑和策略顯得尤為重要，科學的路徑（jìng）規劃能（néng）夠（gòu）很大程度上減緩沉積材料的熱（rè）應力累積。具有尖端和大曲率等複雜結構的金屬零件（jiàn），在尖端和大曲率位置處存在沉積層形貌尺寸（cùn）偏差，可以通過（guò）製定合（hé）理的掃描（miáo）策略進行控製（zhì）；然而，目前切片和路（lù）徑規劃軟（ruǎn）件隻能（néng）進行（háng）簡單的設（shè）計，不能根據零件（jiàn）結構及成形工藝特性進行掃描策略的局部調整。此外，3D打印過（guò）程質（zhì）量（liàng）參數的特征辨識與智能（néng）處理技術還不夠成熟，不能實現成形（xíng）過程工藝參數的自（zì）適應控製。

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3.2  研究方向

1) 成形質量及變形開裂控製。

成形件的內部缺陷及組織特征決定其性能，如何獲得（dé）性能優異，實現內部缺陷、組織性能和工藝條件的（de）一體化控製是大型複雜金屬零件3D打印一個重要研究方向（xiàng）。另外（wài），變形開裂是大型複雜金屬零件3D打印成形（xíng）的（de）常見（jiàn）和致命問題，亟待深入分析不同外形結構（gòu）、熱力環境條件下，金（jīn）屬粉末非平衡（héng）凝（níng）固過程的內應力演化規律，並（bìng）製定相應的預防控製方案。

2) 過程監（jiān）測係統及智能控製（zhì）軟件開發。

大（dà）型複雜金（jīn）屬零件3D打印過程的時（shí）間（jiān）長、路徑複雜多變、不可預見情況較多，導致成形（xíng）質（zhì）量及穩定性較低（dī）。開發3D打印過程的溫度場、外貌尺寸以及變形開裂等問題的實時監測係統，並研製融合分層處理、路徑（jìng）規劃及工藝技（jì）術的自適應功（gōng）能的（de）成形控（kòng）製軟件，對於提高成形質（zhì）量、穩定性和安（ān）全性至（zhì）關重要。

3) 後處理工（gōng）藝技術（shù）開發。

大型（xíng）複雜金屬零件3D打印，由於金屬粉（fěn）末的快速加熱-冷卻以及成形機理、工藝參數複雜，成形零件在尺寸精度、內部缺陷、組織性能等方麵難（nán）以同時達到應用指標；因此，應加強對成形零件的後處理工藝技（jì）術製定和開發研究，提高性能、節約（yuē）資（zī）源、降低成本。

 

4  結束語

 

金屬3D打印技（jì）術廣（guǎng）泛（fàn）應用於航空、航天、石化、船舶等工業（yè）裝備領域，具有無（wú）需大型裝（zhuāng）備（bèi）、模具，材料利用率高，製造（zào）周期短（duǎn）、成本低，零件性能優異等突出優點。目前，針對大型複雜金屬零件3D打印技術，國內外已開展了大量的研究工作（zuò），取得了（le）廣泛的應用成果；然（rán）而，分層處理、掃描路徑和策略技術（shù）不成熟，成形過程不穩定，存在變形開裂、內（nèi）部缺陷等（děng）問題，製約了大型複雜金屬零件3D打印技術的工（gōng）程應用。大型複雜金屬零件（jiàn）3D打（dǎ）印技（jì）術還需在（zài）變形開裂和內部（bù）缺陷預防、分層處理和路徑規劃等方麵開展大量研究（jiū）工作。