中國航天制造技術研究院單飛虎：金屬增材制造技術在航空領域的應用與發(fā)展

2019年9月19-21日，IAME中國（西安）國際3D打印博覽會暨高峰論壇將在西安高新國際會議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打�。┛萍紕�(chuàng)新的開放合作共享交流平臺，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打印）領域成果及人才，促進行業(yè)各環(huán)節(jié)、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接融合。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體，到西安現(xiàn)場全程報道。

在2019IAME中國（西安）國際3D打印博覽會暨高峰論壇上，南極熊注意到2019年9月 20 日“增材制造技術與航空航天論壇”，中國航天制造技術研究院單飛虎做了主題是《金屬增材制造技術在航空領域的應用與發(fā)展》的報告。

下面是南極熊根據(jù)現(xiàn)場速記整理的內容：

金屬增材制造技術在航空領域的應用與發(fā)展
增材制造技術的概況。

增材制造技術最早是美國引領，國外專利技術的一些開放，使中國的技術得到了發(fā)展的機會。我們在航空中在飛機的更新?lián)Q代，現(xiàn)在呈現(xiàn)著多產(chǎn)品并行研究的態(tài)勢，小批量、多批次、常態(tài)化增材制造應用比較明顯。針對戰(zhàn)斗機、轟炸機等等，增材制造技術高溫合金、鈦合金等損傷零部件的快速修復，適應未來戰(zhàn)爭的快速反映，以及高附加值零件的再制造，這是增材制造應該走的方向。航空發(fā)動機的應用，鈦鎂合金是個重要方向。

對承力構件，例如飛機的骨架，有熔絲、激光送粉等等，我們都有應用。下面從粉材、絲材、熱源不同種類，最后到用戶等等。接下來介紹五種主要的技術。

鋪粉技術，粉末床成型的，散熱性、剛性非常好，滿足輕量化的制造需求。

渦輪葉片，更適合于流道更復雜。大型框量結構，我們成型的有鋁合金、高溫合金、合金鋼的等等。

我們現(xiàn)在主要做混合制造，混合制造有一個官方的報告，一個混合制造件裝在波音787上，是很典型的案例。混合制造是以增材制造技術為核心，通過多種工藝組合的方式，滿足功能的前提下提高效率、降低成本。混合制造有一個基板就可以作為其中的一部分，現(xiàn)在做得比較多的，就是電弧熔絲。限制熔絲技術的因素是真空室的大小，如果成本低、資金足夠，就可以建大的真空室，成型的構件就會更大。

我們現(xiàn)在和601聯(lián)合做對耳片的修復，如果不采用混合制造的方法，單純做出來成本可能會非常、非常高。我們激光修復、激光同軸送粉的葉片的修復，可能會給葉片帶來第二次生命。激光束、電弧束的技術對比，都可以做大構件，但是堆積成本、原材料的成本方面都有很大的區(qū)別，電弧成本比較低、效率比較高，它經(jīng)過熱冷擠壓以后，內部的孔洞很少。

激光束和電子束鋪粉，激光的鋪粉可能對粉粒要求更細一點，電子束成本并不比激光要低。

下面集中講一下制造業(yè)增材制造的發(fā)展情況。

依托高能束流加工技術國防科技重點實驗室，以具有自主知識產(chǎn)權的專用材料、專用裝備、制造工藝關鍵技術為核心，針對航空航天鈦合金、高強鋼等大型、復雜精密部件進行研發(fā)，我們從1990年開始做。

對于電子束熔絲方面，市場上用得比較多的是美國的NASA，美國的SCIAKY，還有一個是我們中國航天制造技術研究院。這是我們做的三個產(chǎn)品，這個是在十二五期間就已經(jīng)做出來的產(chǎn)品，這個產(chǎn)品沒有裝機，但是已經(jīng)可以體現(xiàn)出一個能力的驗證。

我們進行力學解剖試驗的時候，整體力學的性能優(yōu)于鍛件。這個是我們做的另外一些零部件，用電子束熔絲做出來的，有一些部分在地面試測階段了，在性能方面我們做了TC4、TC18等系列材料工藝體系，綜合性能與鍛件實測相當，基本上達到了與鍛件相當，基本上895左右，還有抗疲勞性能，通過多組的試驗之后，TC4-DT三項基本上可以達到均衡的一個狀態(tài)。

突破的關鍵技術，是突破尺寸精度控制關鍵技術，如果精度控制不夠，成型件的質量是不能滿足的。形成了針對不同材料及結構的工藝，絲材其實是成為構件的母材，我們的元素比較多，元素是要經(jīng)過一些補償?shù)�，這是我們的路徑化規(guī)劃，這個是激光選區(qū)熔化的一個格柵件，一個也比較常見，這是選區(qū)熔化的優(yōu)點，大家都知道了。我們做鈦合金比較多一些，我們突破了鋁合金格柵激光選區(qū)熔化成型制造工藝，研制出直升機換氣格柵件并裝機應用。

這是點陣的結構和夾心結構，這個是相對容易一些，是一些常規(guī)構件，我們現(xiàn)在做的時候，提出了“等應力”的設計，大家做過就知道，在不同的狀態(tài)下變形開裂是非常常見的問題，我們還加了各種支撐，支撐加的方向、多少、布局合理不合理，這些問題都非常關鍵，現(xiàn)在我們在研究“等應力”的設計，軟件可根據(jù)所受載荷條件自動生成各截面應力均衡的結構，無應力集中或者少應力集中，但結構比較復雜，所以，我們在增材制造中是通過不斷的優(yōu)化，目前我們已經(jīng)做到了，基本上變形量也就在十幾個微米左右，已經(jīng)達到了很好的控制了，這是結合模擬實現(xiàn)的一個小閉環(huán)、初級閉環(huán)狀態(tài)。

我們后期通過前期的對比，把點陣結構又重新做了一遍，發(fā)現(xiàn)變形真的比較小一點，這是我們的打印的性能，特別是TC4性能達到了跟鍛件相當?shù)臓顟B(tài)，這是電子束選區(qū)熔化做的，我們做得比較好的就是葉片，它的延伸率是非常低的，通過增材制造延伸率在常溫下可以達到二點幾，這個是一個巨大的突破，我們現(xiàn)在做的這個工作，就是使它的延伸率更加保持穩(wěn)定，可以做到批產(chǎn)更好，現(xiàn)在在攻克這個難關，現(xiàn)在做了上百件產(chǎn)品都是比較穩(wěn)定，后面有裝機的應用。

這個是修復技術，大家都講的比較多一點，必要性我就不說了，它是非常非常有作用，但是難度也是非常大，刑總說堆的時候是一個數(shù)學問題，他說得非常對，你是如何過渡，母材如何連接，這就是程序控制的底層的數(shù)學問題，當然有材料的問題，但是最后的控制是數(shù)學底層的問題，這是一個界面問題，這個需要后期做大量的工作，才能把這個東西做得更穩(wěn)定，修復做得更完善，這是我們做了幾個增厚的方法，實測也比較好，我們跟商飛合作做項目，給他們提供產(chǎn)品的修復零件，通過做疲勞試驗，疲勞極限可以達到鍛件的95%，而且它的壽命也是比較好的，所以，達到了我們修復的目的。

其實，前面講的那一部分混合制造，還有修復，以及我們的等應力成型的方法，最后歸結到用這個模型，就是把前面把梁要挖一段，不能在上面直接成型，可能坑坑洼洼的不平，最后我們使它挖一塊，然后使里面的金屬盡可能的和斷面多接觸，相當于面積增大，達到修復的效果，同時葉盤也是這個思想。

我們除了做這個工藝，我們還做大功率逆變電源、電子槍、增材制造監(jiān)控裝置、增材制造的處理軟件，我們有一個制造中心，大概有500多人，從機床到大家想到的市面上的床子基本上都可以做，我們這些東西都是他們做出來的。

這是我們目前在用的，已經(jīng)做出來的一個800×450×700的設備，這個已經(jīng)可以打成型零件，還有我們的電子束熔絲設備，這個我就不說了。

我們做了很久發(fā)現(xiàn)我們還是有很多不足，理論上面歸結為以下的五條。

• 第一，在理論上面主要是我們研究機理并不是，包括我們現(xiàn)在看到的文章不是那么深入，有一些東西不是拿來就可以用。
• 第二，關鍵共性技術研究不夠，這是現(xiàn)在增材制造的共性。
• 第三，材料研究技術薄弱，我們做的時候，有時候我們性能達不到要求，如果用材料到老外打的時候他們也達不到，但是他們的材料進我們機器打，就可以達到，這個證明材料是非常關鍵的，我們研究的材料是聯(lián)合開發(fā)材料。
• 第四，是整體裝備和工業(yè)先進水平低，我們裝備做的比較差一點，還是有待于改進。
• 第五，核心元器件還是以來進口，穩(wěn)定性還是不足。
  

技術全過程系統(tǒng)深入研究，技術支撐，開展增材制造設計、材料、工藝、裝備、質量檢測、考核評價，應用等全過程技術研究，現(xiàn)在缺的材料就是檢測，現(xiàn)在我們院也建立了自己的標準體系，大家看看這個是比較全的，做得比較久一些，所以沉淀下來一些東西。

接下來就是成果的孵化，因為我們現(xiàn)在做的有一些東西是非常突出的，需要一個成果孵化基地，所以，想著的是聯(lián)系現(xiàn)在的大數(shù)據(jù)做一個孵化基地。

最后，就是我們需要進一步解決的問題，就是產(chǎn)品的一致性、穩(wěn)定性、可靠性還需要進一步驗證和提高，拓展可加工材料范圍，目前有一些材料我們打不出來，或者打出來性能不達標，還有性能評估，如何評估也是亟待解決的問題，評估首先得檢測，剛才GE的工程師說的檢測，可能是檢測一些不是特別大的，有一些大構件放都放不進去，這正如王老師說的逐漸達到不可檢的狀態(tài)，檢測是我們的共性問題。

第四就是高端增材制造裝備的國產(chǎn)化，核心裝備是進口的，軟件、硬件需要國產(chǎn)化。

第五，金屬增材制造的缺陷控制及組織性能控制是國內外公認的難點，成熟的材料工藝體系還不多，還有大量問題需要解決。

第六，激光、電子束、電弧直接沉積大型金屬結構技術在尺寸精度和表面質量進一步要改善，包括大家看到表面挺光滑，但是這個量比較大，成型精度直接決定了我們的質量，可能稍微彎一點點，這個件就浪費掉了。

第七，就是增材制造與鍛造、焊接技術等聯(lián)合的混合制造，有利于高效成型和降低成本，是未來開發(fā)的成本，在鍛件上直接成型達到混合成型，使一些不太復雜的件焊上就行，我們的鍛件，我們增材完和鍛造的，雖然是同一個成分，但是精度參數(shù)、熱力條件是不太一樣的，如果我們直接做，直接焊或者直接什么都有問題，這個也需要研究的。

我的匯報就到這里，謝謝大家！