航空航天增材制造四大類典型結構及發(fā)展趨勢

來源：國家新材料產業(yè)資源共享

航空航天是當今世界科技強國競相發(fā)展的重點方向之一，其發(fā)展離不開兼具輕量化、難加工、高性能等特征的金屬構件。激光增材制造為高性能金屬構件的設計與制造開辟了新的工藝途徑，可解決航空航天等領域發(fā)展過程中對材料、結構、工藝、性能及應用等提出的新挑戰(zhàn)。

顧冬冬教授關于航空航天領域高性能金屬材料的綜述，以鋁、鈦為代表的輕質高強合金，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用材料；輕量、大型、整體及復雜結構則是增材制造主要的發(fā)展方向，這其中包含了非常多復雜而先進的科學問題。本篇介紹航空航天激光增材制造的4類典型結構：

• 大型金屬結構
• 復雜整體結構
• 輕量化點陣結構
• 多功能仿生結構
  

一、大型金屬構件的激光增材制造
應用于航空、航天、船舶、核電等現(xiàn)代工業(yè)的大型金屬構件正朝著復雜化、一體化、高性能化方向發(fā)展，激光能量沉積技術已證實可滿足大型金屬構件的成形要求。然而若要在鈦合金、鎳基高溫合金、高強鋼、難熔合金等難加工金屬材料大型關鍵構件上獲得更廣泛的工業(yè)應用，仍需進一步解決兩大關鍵難題：

1. 高能激光長時間劇烈非穩(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、內部缺陷及顯微組織為核心的冶金質量和性能控制是激光增材制造大型金屬構件的基礎難題；

2. 激光增材制造過程中熱應力、組織應力、凝固收縮應力等多種類型復雜應力的累加與耦合，易導致大型金屬構件變形，甚至開裂，大大制約了大型金屬構件激光增材制造的控形與控性。

有研究指出，增材制造技術實現(xiàn)工業(yè)應用的最大障礙是成形件中的熱應力及多種結構缺陷。北京航空航天大學王華明院士認為，內應力及變形開裂是長期制約金屬構件激光增材制造技術發(fā)展的瓶頸。鈦合金密度低、比強度高、耐蝕性強，已被廣泛應用于飛機發(fā)動機構件、主承力構件、起落架等，但其較差的加工性能制約了它的工程應用范圍。

經過多年研究，王華明院士團隊突破了飛機鈦合金大型主承力構件，TA15、TC4、TC11等大型復雜整體結構主承力飛機鈦合金加強框及 A-100超高強度鋼飛機起落架等關鍵構件的激光增材制造，并實現(xiàn)了主承力構件的裝機應用。

西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東、林鑫教授團隊面向中國C919中型客機的需求，利用激光能量沉積技術制造了TC4合金體系C919飛機翼肋緣條，其長為3100mm，探傷和力學性能測試結果皆符合中國商飛的設計要求。

此外，近年來大型SLM裝備的發(fā)展為結構更為復雜的大型整體金屬構件的成形開辟了新途徑，基于SLM成形的鈦合金風扇葉片包邊長度可達1200mm，具有復雜的空間曲面結構，且成形尺寸精度較高；基于SLM成形的鎳基高溫合金發(fā)動機機匣尺寸達到了Ф576mm×200mm，為發(fā)動機關鍵零部件的設計、制造及應用驗證提供了重要的技術支撐。

二、復雜整體結構的SLM制造
隨著航空航天領域對熱端部件服役性能要求的日益提高，整體結構的設計與制造越來越受到重視，內含復雜內流道、多孔點陣等難加工結構，已超出了傳統(tǒng)工藝的制造能力，而基于SLM技術可使這些復雜整體結構的快速制造成為可能。

整體結構的增材制造技術已證實對未來空間探索至關重要，NASA提出了火箭發(fā)動機核心部件“制造速度提升10倍、生產成本降低50％以上”的目標。其采用SLM技術實現(xiàn)了氫火箭助推器的整體制造，繼而實現(xiàn)了結構減重、制造效率和服役性能的顯著提升；火箭發(fā)動機燃燒室銅合金襯套整體構件的打印和應用是其近年來的另一項成功實踐，該案例克服了銅材料的高反射和微細流道結構優(yōu)化以及激光增材制造成形質量的多重挑戰(zhàn)。這種大型復雜結構的整體制造，為增材制造技術的發(fā)展提出了更高要求。

美國GE公司基于SLM技術研發(fā)了發(fā)動機新型燃油噴嘴，這是近年來復雜整體結構增材制造航空工業(yè)應用最為著名的案例。燃油噴嘴作為典型的復雜裝配體，無論是成形制造還是裝配組裝，工序多、工裝多、耗時長、成本高，且加工精度及穩(wěn)定性很難達到使用要求，對于傳統(tǒng)制造技術來說都是一大挑戰(zhàn)。針對這一難題，GE公司采用SLM技術加工IN718鎳基高溫合金，實現(xiàn)了燃油噴嘴的整體設計與制造，將原先20個小部件的“組件”變成一個整體的構件。這不僅消除了不同部件之間冗余的連接結構，還對燃油噴嘴結構進行了優(yōu)化。最終整體設計制造的燃油噴嘴實現(xiàn)了25％的減重效果，同時縮短了制造周期，降低了生產成本，且使用壽命提升了5倍以上。

三、輕量化點陣結構的增材制造
對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。將點陣結構優(yōu)化設計與增材制造技術相結合，可使構件具有高比強度和高比剛度等優(yōu)異的力學特性。激光增材制造因具有疊層自由制造的工藝特性，賦予了復雜輕量化結構極高的設計及成形自由度，可成形傳統(tǒng)加工方法難以成形的輕量化復雜點陣結構。

點陣結構在多領域廣泛應用

近年來，激光增材制造成形復雜輕量化點陣結構已成為熱點研究方向之一，為航空航天等領域輕量化金屬構件性能及功能的突破帶來新契機。傳統(tǒng)經典結構、創(chuàng)新結構以及基于拓撲優(yōu)化的點陣結構都能為構件性能提升帶來突破。

增材制造技術在航空航天點陣結構產品設計與制造領域已展現(xiàn)出一定的發(fā)展與應用潛力，并以輕量化和高性能作為主要考核目標。而且，激光增材制造點陣構件已在國際民航客機制造領域獲得了實際工程應用�？湛凸�司基于SLM技術設計和制造的仿生點陣結構機艙隔板，在成形材料上選用新型輕質高強鋁合金，該在結構設計上基于生物啟迪實現(xiàn)了跨尺度仿生點陣結構設計，在宏觀尺度上基于“黏菌自適應網絡”算法實現(xiàn)了主體結構設計，在微觀尺度上則借鑒了骨骼生長的生物靈感，完成了超過66000個網格的排布，實現(xiàn)了微觀網格稠密度與應力分布相匹配，最終使得跨尺度仿生點陣構件較原蜂窩復合材料隔板結構在相同沖力下的位移減少了８％(９mm)，有望批量應用于A320客機上。

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

△空客為未來航班生成仿生設計

未來增材制造的發(fā)展將更加凸顯材料創(chuàng)造、結構仿生以及多功能集成優(yōu)化。生物系統(tǒng)經過數十億年的進化和自然選擇，已形成并優(yōu)化了其復雜的多層級組織結構，以達到最優(yōu)的性能/功能來應對環(huán)境的變化。許多生物系統(tǒng)具有獨特的多功能組合，而這往往是人工合成材料難以實現(xiàn)的。現(xiàn)代分析表征技術已證實，天然材料的優(yōu)異性能或特殊功能，是依靠其內部復雜的多層次結構實現(xiàn)的，其尺度范圍通常橫跨納米尺度到宏觀尺度。對于性能/功能驅動的增材制造，基于生物靈感的仿生結構設計，是創(chuàng)新增材制造結構的重要途徑之一，并有望實現(xiàn)增材制造結構性能/功能的躍升。

然而，仿生設計在原理上很簡單，但在實際制造中卻有相當難度，原因主要是多材料合理匹配與布局的挑戰(zhàn)及微/宏大跨尺度仿生結構制造工藝的約束性。

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

仿生設計為功能驅動的增材制造結構優(yōu)化及多功能化提供了新途徑，但“結構易仿、制造不易、科學更難”，其中涉及的關鍵科學難題包括：仿生微結構與構件典型功能的映射關系及優(yōu)化模型；仿生設計的跨尺度結構激光增材制造工藝約束性及成形機制；激光增材制造仿生結構的多功能一體化評價方法及響應機制等。因此，增材制造新技術與仿生結構設計相輔相成、相得益彰，而關鍵科學問題的研究則貫穿于材料-結構-功能一體化的全過程各領域。

思考與展望：激光增材制造技術未來的研究與發(fā)展趨勢
激光增材制造技術的科學內涵決定了其發(fā)展趨勢是實現(xiàn)微觀-介觀-宏觀跨尺度的材料-結構-工藝-性能/功能一體化。激光增材制造技術未來的研究與發(fā)展趨勢中，下列方向值得進一步關注：

（1）以高性能/多功能為驅動的激光增材制造材料-結構-工藝一體化，主動實現(xiàn)構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”設計、制備與成形，以實現(xiàn)將“合適的材料添加到合適的位置”；

（3）激光增材制造創(chuàng)新結構設計實現(xiàn)構件高性能化和多功能化，以凸顯“獨特的結構實現(xiàn)獨特的功能”；

（4）構建面向全尺寸構件和全工藝流程的激光增材制造工藝仿真、監(jiān)測、反饋及工藝優(yōu)化關鍵技術與方法，全面提升激光增材制造工藝技術水平、質量以及工業(yè)應用水平。