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发布时间：2021-02-24 14:58所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
金属增材制造技术以逐层快速熔 /凝、堆积金属或合金材料为基本原理，以添加制造的方式成形任意形状零件，具有成形效率高、材料利用 率高、成本低、复杂异形结构和高熔点材料的成形能力强等优点，在民用航空构件的减重、快速构型更改、集成化制造等方面具有传
金属增材制造技术以逐层快速熔 /凝、堆积金属或合金材料为基本原理，以“添加”制造的方式成形任意形状零件，具有成形效率高、材料利用 率高、成本低、复杂异形结构和高熔点材料的成形能力强等优点，在民用航空构件的减重、快速构型更改、集成化制造等方面具有传统工艺无法比 拟的技术优势。 面向增材制造技术的金属原材料和成形工艺丰富多样，为制备不同尺寸、不同形状、不同使用环境要求的构件提供了更多的选择，为减重、增 效、成本控制提供了新的路径。因此，国内外均在积极制订相关重大战略规划以抢占增材制造创新技术先机、推进制造业的转型升级。
全球制造 商和高校等机构开展了大量增材制造原材料、工艺、性能方面的应用研究，其中以民用航空尖端制造业的应用研究最为典型。与其他领域不同， 增材制造金属构件在民机上的装机应用需要经历严格的适航验证程序，形成标准规范技术体系，实现制造过程和产品质量的稳定可控，最终才能 装机使用。 本文介绍了金属增材制造的国内外政策概况、原材料与成形工艺分类、无损检测类型、民用飞机的应用研究情况，指出了针对金属增材制造 在民用航空领域扩大应用的研究和发展趋势。
关键词 民用航空 金属材料 增材制造
0 引言
增材制造( Additive manufacturing，AM) 技术又称 3D 打 印技术，集材料技术、机械工程、自动化控制、计算机软件、激 光或电子束等多学科交叉融合，追求复杂异构零件的多功能 一体化设计和快速制造响应，可实现特殊零件产品结构、内 部组织和宏观性能的个性化定制[1-3]。因此，增材制造技术在工业领域体现出较强的灵活性、较高的设计制造自由性， 能够满足航空航天、国防和医疗等领域的安全可靠和个性化 需求，在这些领域得到了广泛的研究和应用。 增材制造技术通过激光、电子束或电弧等提供高能热 源，按照分层软件设定的路径将原材料以逐层熔凝堆积的方 式成形一体化复杂结构件，是一种“从无到有”的材料添加成 形过程[4-5]。
金属材料论文投稿刊物：《中国民航飞行学院学报》(双月刊)创刊于1990年，是中国民航飞行学院主办的，以飞行训练和航空安全为主的具有特色的综合性学术期刊，是中国民航飞行训练与航空安全权威的学术期刊。同时，也发表其他学科如计算机、电子技术、财经、工商管理、英语、法律、学生管理、教学研究等学科的学术论文。
目前，常用的金属增材制造技术包括[6-8]: 选区激光熔化( Selective laser melting，SLM) 、直接金属激光烧结 ( Direct metal laser sintering，DMLS) 、电 子 束 熔 化( Electron beam melting，EBM) 、电弧送丝增材制造( Wire and arc additive manufacture，WAAM) 、激光熔化沉积( Laser melting deposition，LMD) 等。不同的增材制造工艺原理相似，主要为基 于粉床铺粉和同轴送粉/丝两种模式实现构件的快速成形。
增材制造独特的成形理念赋予了其诸多技术和成本优 势[9]: ( 1) 可直接成形复杂构型零部件，无须工装夹具和模具 的支持，缩短了零件设计和制造周期，降低了昂贵的模具开 发成本; ( 2) 材料回收利用率高( 超过 95%) ，制造柔性高，曲 面表达能力强; ( 3) 可通过调节热源能量密度等工艺参数，实 现微观组织和性能的梯度过渡与个性化定制; ( 4) 对传统方 法难加工的高熔点、高硬度材料的成形( 如陶瓷、高温合金 等) 更具优势。因此，增材制造技术对制造业的升级改造和 绿色创新发展具有跨时代的意义。以航空业为例，在空客 A380 飞机上安装拓扑优化结构的增材制造安全带扣，实现 飞机减重 74.2 kg，30 年的运营周期可节约燃料成本达 670 万 美元。预计到 2025 年全球增材制造领域有望产生高达 2 000 万～5 000 万美元的经济效益。
1 国内外增材制造发展政策概况
1.1 国外增材制造相关政策简介
为抢抓全球范围内新一轮科技革命与智能制造业的转 型升级机遇，许多国家和地区纷纷将增材制造技术列为工业 发展的着力点和重要方向。自 2009 年以来，美国先后制定 了《重振美国制造业框架》《先进制造国家战略计划》等一系 列国家战略，将增材制造技术作为强化美国工业基础的主要 技术之一，并在全国范围内的各个领域推行增材制造技术的 研究与应用[10]。
2012 年，美国应用研究实验室、美国材料与 试验协会( ASTM) 、NASA 等机构也纷纷制定了相应的增材制 造发展规划，旨在率先抢占增材制造技术的战略先机，推动 其产业化应用进程。经过有力的政策驱动、资金支持以及各 研究单位大力开发，目前增材制造技术已经在美国航空航 天、军事、医疗等领域获得了大量成功应用。美国国家标准 与技术研究所( NIST) 曾经指出，包括增材制造在内的新技术 每年能为美国制造业节省数百亿美元的成本。
欧盟也将增材制造技术作为未来制造业革命的主要发 力点之一，欧盟于 2015 年斥资 2.25 亿欧元开展增材制造专 项研究，并发布了增材制造标准化路线图，详 细 制 定 了 2015—2022 年的增材制造标准研究计划，并且明确规定要在 医疗、航空航天、汽车、电力能源、建筑等领域开展增材制造 研究与应用。德国在金属增材制造领域处于领先地位，《高 技术战略 2020》和《德国工业 4.0 战略计划实施建议》等政府 级战略文件的出台旨在推动德国增材制造技术的研发和创 新进程，争夺全球新技术的制高点[11]。
英国自 2011 年起持 续增加增材制造技术的研发经费，并且在《未来高附加值制 造技术展望》中将增材制造定义为提高国家竞争力和全球制 造业战略定位的主要技术之一。现在，欧盟已经将增材制造技术成功应用于以大型民用客机、航空发动机等为代表的高 端制造业领域。日本、韩国、瑞士、新加坡等国也制定了相应的政策积极 开展增材制造技术的研究，并通过大量资金投入来鼓励产学 研用的有效转换和结合。
1.2 国内增材制造相关政策简介
我国早在 20 世纪 90 年代就已开展增材制造技术研究， 主要集中在高校和科研院所。但由于受到原材料、高端设备 等基础条件薄弱的限制，前期发展较为缓慢。直到 2008 年 以后，随着原材料技术的突破、高性能设备的引入和开发、自 动化控制水平的提高等，增材制造技术才得以迅速发展。在 政府级纲领性文件《国家高技术研究发展计划( 863 计划) 、 国家科技支撑计划制造领域 2014 年度备选项目征集指南》 中，首次将增材制造技术纳入国家高新制造技术战略层面， 旨在通过政府主导的顶层设计和前沿性布局，紧抓新一轮全 球产业革命机遇[12]。
后续的《国家中长期科学和技术发展 规划纲要( 2006—2020) 》《中国制造 2025》《增材制造产业发 展行动计划( 2017—2020) 》等一系列政策的发布和实施，进 一步强有力地鼓励和推动了增材制造在国内的快速发展，并 且明确规定“到 2020 年，增材制造产业年销售收入超过 200 亿元，年均增速在 30%以上”。
此外，还将加强增材制造创新 体系建设、关键共性技术开发、专用材料研发、装备与核心器 件技术、标准规范体系以及服务质量作为未来的重点工作。 以增材制造为代表的创新技术开发与应用已经成为国 家“再工业化”和提升制造业国际竞争力的重要战略举措之 一。在国家相关重点战略规划和重大项目的牵引与保障下， 目前增材制造技术已经成功应用在航空航天、军事、医疗等 尖端科技领域，为我国大型民用飞机、大型军用运输机、航空 发动机等高端产品的快速发展提供了技术保障。
2 金属增材制造原材料、工艺和无损检测技术 简介
2.1 几种主要的民用航空增材制造金属材料
目前，最常用的增材制造金属原材料的形式有两种: 粉 末和丝束。一般细粉( Φ: 15 ～ 50 μm) 用于粉床铺粉增材制 造，粗粉( Φ: 45～180 μm) 和丝束( Φ: 1 ～ 1.6 mm) 用于同轴 送粉/丝增材制造。能够满足航空领域高性能、低密度、抗疲 劳、耐高温要求的增材制造金属材料主要包括钛合金、铝合 金和高温合金[13]，飞机机身主要采用钛合金和铝合金，发动 机主要采用高温合金和钛合金。
2.1.1 钛合金
钛合金的高比强度、比模量和良好耐腐蚀性、生物相容 性等优 点 使 其 在 航 空 航 天、医疗等领域受到了广泛青 睐[14-15]。然而，钛合金切削加工性能差，传统制造技术成形 钛基材料工艺复杂、周期长，无法满足小批量、个性化和快速 设计响应要求。增材制造技术为钛合金材料的轻量化、构型 升级、集成化快速设计制造提供了新的思路。
3 金属增材制造民用航空应用概况
3.1 国外金属增材制造民用航空应用概况
增材制造金属零部件在近几年才大量应用在民用飞机 上，目前国外当属波音和空客两大民机制造商的金属增材制 造应用经验和适航认证技术最为成熟。 Sciaky 公司于 2016 年采用自主研发的 EBAM110 电子束 送丝增材制造( Electron beam additive manufacturing，EBAM) 设备为空客公司打印了大型钛合金飞机后上梁结构件，显著缩短了生产周期。
空客旗下 Stelia 航宇公司早在 2014 年与法国 Centrale Nantes 工程学院、CT Ingenierie 工程 咨询公司和荷兰 Constellium 铝业公司合作研发，成功采用电 弧增材制造( WAAM) 技术制备了具有仿生结构的民机用自 加强机身壁板，实现了铝合金加强肋与蒙皮的集成 化、一体化成形，减少了零件数量和复杂的装配过程，避免了 大量焊接结构及其所引起的应力集中和开裂等。但上述研 究还属于增材制造大型主承力结构的研制验证阶段，暂未进 行装机应用。
要成功实现增材制造构件在飞机上的装机验证与适航 应用，最佳的方案为从某一新型飞机的概念设计阶段就将增 材制造的工艺特性和理念融入其中，并贯穿整个型号的详细 设计、结构设计、材料选用与适航条款验证、装配制造等各个 环节。A350XWB 作为空客公司推出的最新机型，高性能钛 合金材料用量达到了 14%，并且大量采用了增材制造构件。
据 Norsk Titanium ( NTi) 公司预测，如果每架 A350XWB 飞机 上的钛合金零件均采用快速等离子沉积( Rapid plasma deposition，RPD) 增材制造技术进行生产，可在废料、能源使用和 交货周期方面节省 230 万美元。 为 NTi 公司采用 RPD 技术为 A350XWB 飞机制备的钛合金零件。在构型减重方 面，增材制造技术的优势更加明显。为选区激光熔化 ( SLM) 成形的 A350XWB 飞机座舱支架，该支架的传统设计 为铝合金，经构型更改后采用钛合金成形，质量减轻了 30%， 设计、验证和生产周期缩短了 75%。
此外，经过近些年的快 速发展，增材制造钛合金零件的力学性能已经达到或超越了 锻/铸件的性能[28]。空客公司将增材制造的小型钛合金托架 安装在新款 A350XWB 飞机上，该托架零件将引擎与 机翼固定连接，具有承受一定载荷的能力，这也表明增材制 造金属构件已经开始应用于大型客机的次承力结构。
4 结语与展望
增材制造金属原材料与工艺的多样化为其在民用航空 领域的应用提供了更多的选择，满足不同尺寸、形状、性能和 工况条件下的应用要求。同时，民用航空等尖端制造领域的 需求也极大地推动了增材制造技术的发展和应用，但目前增 材制造金属结构件主要应用在非受力部位，缺乏主承力结构 的应用实践。此外，增材制造技术的行业标准规范、验证评 价手段等发展还不健全。未来可以从以下几个方面提高金 属增材制造技术的研究和推广应用:
( 1) 金属原材料方面。目前只有增材制造钛合金成功应 用于民用航空领域，其他合金材料需进一步的适航应用研究 和认证才能达到装机运营状态。必须加强传统金属原材料 的质量研究，提升其增材制造的成形性能，在保障高质量、高 性能和高适航性的同时降低生产成本。另一方面，加强增材 制造专用新型合金材料的开发，综合考虑适航性、经济性等 因素，建立和完善原材料的行业规范及通用标准体系。
( 2) 增材制造工艺方面。金属增材制造技术的工艺类型 较多，每种增材制造工艺的设备、热源、成形方式等不尽相 同，未来应在民用航空领域认证更多的金属增材制造工艺路 线，实现各工艺之间的优势互补和协同应用。此外，应强化 增材制造工艺过程控制方面的研究，满足民用航空对金属零 部件的质量稳定性与可靠性要求。
( 3) 应用研究方面。金属增材制造技术在民用航空领域 的应用研究要紧密结合适航条款要求，围绕飞机的长期安全 运营，开展新型原材料、工艺开发和工程应用研究，建立系统 完善的原材料、工艺、热处理、性能评价、无损检测等标准规 范体系。就国内而言，应严格依据《中国民用航空规章第 25 部———运输类飞机适航标准》的 603、605 和 613 条款开展金 属增材制造的工程应用研究与适航验证。
参考文献
1 Beaman J J，Deckard C R. Selective laser sintering with assisted powder handling，US patent，4938816，1990.
2 Gibson I，Rosen D W，Stucker B. Additive manufacturing technologies: rapid prototyping to direct digital manufacturing，Springer Science /Business Media，New York，2010.
3 Pham D T，Dimov S S. Rapid manufacturing: the technologies and applications of rapid prototyping and rapid tooling，Springer-Verlag，London， 2001.
4 Shi Y. Machine Design and Manufacturing Engineering，2016，45( 2) ，11 ( in Chinese) . 史玉升.机械设计与制造工程 ，2016，45( 2) ，11.
5 Gu D，Shen Y. Aeronautical Manufacturing Technology，2012( 8) ，32( in Chinese) . 顾冬冬，沈以赴.航空制造技术 ，2012( 8) ，32.
6 He B，Wu W，Zhang L，et al. Materials Reports，2017，31( S2) ，465( in Chinese) .
作者：常 坤1 ，梁恩泉1 ，张 韧1 ，郑 敏2，3 ，魏 雷2，3， ，黄文静1 ，林 鑫2，3
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《金属材料增材制造及其在民用航空领域的应用研究现状》