激光與增材制造技術在航空領域的應用
近幾年來，增材制造在全球范圍內迅速走熱，發展增材制造產業已經成為世界主要國家搶抓新一輪科技革命與產業變革機遇，搶占先進制造業發展制高點的競爭焦點之一。增材制造在航空航天領域的應用層面持續擴大，應用深度持續增加，美國Wohlers協會對增材制造在各行業應用情況持續分析中發現：在過去幾年里，航空零件制造是增長最快的應用領域，預計2019年產能規模將達到60億美元。該行業的應用具有小批量多樣化的特點，對于輕量化、一體化、拓撲優化、提高材料利用率等具有很高的要求，而增材制造恰好能夠最大程度地實現這些特殊需求，具有極高的附加值。當下增材制造技術在運—20、C—919等國產大飛機、殲—15、殲—31等新型戰斗機一系列機載設備重要核心零部件的應用備受關注。
導讀 一、激光增材制造技術特點及其對航空航天領域的影響 二、激光增材制造在航空航天領域的最新應用 三、國內激光增材制造在航空航天領域應用的研究 四、專利情報分析 五、新增專利預警分析 六、核心專利技術解讀 七、結論 一、激光增材制造技術特點及其對航空航天領域的影響 金屬增材制造技術，為航空航天等高端重大裝備中鈦合金、高溫合金、超高強度鋼等高性能大型難加工金屬構件的制造提供一條快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技術新途徑，與傳統大型金屬構件制造技術相比，高性能金屬增材制造技術具有以下獨特優點： ①激光等高能束原位冶金／快速凝固“高性能金屬材料制備”與“大型、復雜構件成形制造”一體化，制造流程短。 ②零件組織結構成分一致性高、晶粒細小、致密度高，綜合力學性能優勢明顯，零件可反復“無熱損傷修復”。 ③無需大型鍛鑄工業裝備及其相關配套基礎設施，無需鍛坯制備和鍛造模具制造，后續機械加工余量小、材料利用率高、周期短、成本低。 ④具有高度的柔性和對構件結構設計變化的“超常快速”響應能力，同時也使結構設計不再受制造技術的制約。 ⑤激光、等離子等高能束的能量密度高，可實現對鎢、鉬、鈮、鉭、鈦、鋯等多種難熔、高性能、高活性、難加工的金屬材料的激光冶金快速凝固制備。 高速、長續航能力、安全高效低成本運行等苛刻服役條件對飛行器結構設計、材料和制造提出了更高要求。輕量化、整體化、長壽命、高可靠性、結構功能一體化以及低成本運行成為結構設計、材料應用和制造技術共同面臨的嚴峻挑戰，這取決于結構設計、結構材料和現代制造技術的進步與融合創新。其優勢主要體現在： ①可實現重大裝備結構設計的變革，采用 “設計—制造”融合、快速研制新模式，從而制造出一些過去無法實現的功能結構：如最合理的應力分布結構和復雜內流道結構從而實現最理想的溫度控制、振動頻率調控等，提高設備可靠性。 ②可實現大/超大型構件或結構系統、復雜/超復雜構件或結構系統、多品種小批量個性化產品的低成本快速制造，擺脫了極其耗時的工業模具制造環節，大大縮短新產品研制周期，降低研制成本，大大加快“設計—驗證”迭代循環，提高生產效率。 ③可實現高性能非平衡材料、高活性難熔難加工材料、性能梯度材料、高性能多尺度復合材料、新材料/超材料、創造超常結構材料的制備與復雜結構制造，制造同一零件不同部位的不同技術需求的結構等。 ④可實現異質材料的高性能結合，在傳統鑄鍛或機械加工零件上任意“生長”性能可靠的新結構，給設計者和制造商提供了高效低成本的制造策略選擇。 ①除殘余應力、能量利用率低、低熔點金屬材料受熱變形、精度與效率矛盾等問題外，大型關鍵主承力構件工程化應用的實現是增材制造在航空航天領域應用所面臨的最大挑戰，由于內應力問題和內部質量難控多變等因素，控制增材制造成形零件的變形開裂是一個永恒問題。因此，裝備的大小并不代表可實現的零件尺寸，需要大量的研究和工藝積累。 ②增材制造“逐點掃描/逐層堆積” 的往復循環特點以及原材料和復雜結構件的特殊性導致其產生了迥異于傳統制造零件的各類特殊工藝缺陷，如微米級氣孔、裂紋、結構件的組織特性等給檢測和控制帶來巨大的挑戰，構件一般通過理化分析、力學性能等宏觀因素考察，缺乏微觀驗證，質量監控手段缺乏已成為制約該技術發展和推廣應用的重要瓶頸。 ③隨著新的增材制造工藝技術發展，結構設計突破了材料和加工工藝限制，大型、整體式結構、復雜內腔結構等制造變得容易，而這些新結構形式的力學模型和承載能力研究缺失相應的設計準則、設計規范等。作為一種新技術，目前在材料、工藝、規范、全尺寸零件力學性能、疲勞等試驗驗證方面還存在相當的欠缺和差距，成為阻礙其在航空航天領域應用的主要障礙。 二、激光增材制造在航空航天領域的最新應用 激光增材制造技術的廣適性及其卓越的優勢引起國際上各強國的高度重視，該技術在航空航天領域和高端裝備領域的應用開發被各國列為發展重點，美國無論在技術成熟度上還是實現應用的時間點上，都當之無愧世界第1。世界上第1家利用激光增材制造技術實現航空結構件裝機應用的美國AeroMet公司通過該技術已制造產品有：F—22戰斗機接頭（圖4）、F—18戰斗機連接吊環和起落架連接桿等。激光增材制造F—22戰斗機接頭和起落架連接桿疲勞壽命均超出設計要求，性能大大提高。 美國Sandia國家實驗室提出的激光凈成形（Laser Engineered Net Shaping）技術，以激光熔覆沉積成形為基礎對不銹鋼、鈦合金、高溫合金等材料開展系列研究，其成型件強度和塑性均顯著高于鍛件，目前該技術已被用于渦輪發動機零部件的修復。 美國NASA研究中心在NASA空間技術任務部的顛覆性開發計劃資助下利用激光增材制造技術成形了一個具有復雜冷卻通道的銅合金材料的火箭零件，開拓了增材制造技術在航天領域的應用。 2.4應用舉例四： 通用電氣（GE）公司專注于增材制造以降低其飛機發動機制造成本，該公司從3D打印第一個LEAP發動機燃油噴嘴到生產出符合Leap渦扇發動機尺寸的燃燒器襯套，GE已經打印了23 500個零件，到2019年底的時候，年產量接近40 000個零件。 2.5應用舉例五： 美國空軍利用增材制造技術打印了噴氣式戰斗機、各種飛機部件等，猶他州希爾空軍基地開始為F—35戰斗機開發3D打印專用替換零件并在F—22 Paptor 上安裝了第一個3D打印專用替換零件，從而取代飛機駕駛艙組件中的鋁制部件。 2.3應用舉例六： 美國relativity Space 公司在佛羅里達州卡內維拉爾角空軍基地與美國空軍共建運營一火箭發射臺，其中一個正在加工中的中型軌道火箭95%是3D打印零件。 三、國內激光增材制造在航空航天領域應用的研究 國內的增材制造相關研究起步較晚，早期基本屬于跟隨美國學習，直到1995年美國解密其研發計劃才開始投入研究。迄今國內開展激光增材制造技術研究的單位逐漸增多，真正實現在航空航天領域應用的主要有北京航空航天大學大型金屬構件增材制造國家工程實驗室、北京煜鼎增材制造研究院有限公司、西安交通大學等少數幾家單位。 北京航空航天大學（以下簡稱“北航”）王華明院士團隊自1998年以來一直致力于激光增材制造成套工藝裝備及工程化應用關鍵技術的開發與應用，采用激光增材制造技術制造出一系列航空用鈦合金大尺寸金屬構件，首次在國際上全面突破飛機鈦合金等大型整體主承力構件激光增材制造工藝、裝備、材料及應用關鍵技術“瓶頸難題”，自主建立了“工藝—裝備—質量—標準”整套技術體系。 北航王華明團隊自2005年起，在飛機大型主承力結構件激光熔化沉積制造工藝、成套裝備、過程控制、長期工藝穩定性及構件質量保障等系列核心關鍵技術上取得了一系列突破性進展，數百種規格大型整體鈦合金、超高強度鋼構件已在飛機、火箭、衛星等十余型裝備研制和批量生產中工程應用，是我國處于該領域唯一的國際領先水平。 四、專利情報分析 4.1全球專利現狀分析 4.1.1申請趨勢分析 圖 1 激光與增材制造技術全球專利申請趨勢分析圖 截止檢索日（2023年10月）前，已公開的激光與增材制造技術產業近20年的專利申請量約有4千件，通過圖1可以看出，可以分為三個發展階段：2004年至2012年為萌芽階段，2012年至2019年為增長階段；2019年至2023年為穩定階段。 4.1.2地域布局分析 圖 2 激光與增材制造技術專利申請地域布局圖 如圖2所示截止檢索日（2023年10月）前，中國3,333；美國47德國44；荷蘭6；日本5；法國3；挪威3；丹麥2；奧地利1；加拿大1；西班牙1；盧森堡1；泰國1。 4.1.3主要申請人分析 圖 3 激光與增材制造技術全球主要申請人排名圖 如圖3所示截止檢索日（2023年10月）前，華南理工大學89；中南大學73；華中科技大學61；廣東工業大學56；四川大學51；中國科學院化學研究所38；廣東省科學院新材料研究所37；中國科學院蘭州化學物理研究所36；中國石油化工股份有限公司35；山東大學31； 4.2.1申請趨勢分析 圖 4 激光與增材制造技術廣東專利申請趨勢圖 截止檢索日（2023年10月）前，已公開的激光與增材設備技術產業近20年的專利申請量約有1千件，通過圖4可以看出，可以分為三個發展階段：2004年至2012年為萌芽階段，2012年至2019年為增長階段；2019年至2023年為穩定階段。 圖 5 激光與增材制造技術廣東申請地域布局圖 如圖5所示截止檢索日（2023年10月）前，廣州386深圳171東莞69佛山28中山24珠海7汕頭5惠州4清遠3潮州3。 4.2.3主要申請人分析 圖 6 激光與增材制造技術廣東主要申請人排名圖 如圖6所示截止檢索日（2023年10月）前，華南理工大學87；廣東工業大學55；廣東省科學院新材料研究所36；暨南大學28；華南農業大學24；中山大學20；深圳市創想三維科技股份有限公司19；深圳市洋明達科技有限公司16；金發科技股份有限公司16；深圳大學15。 五、新增核心專利技術解讀 專利文獻集法律、經濟以及技術屬性于一身，核心專利的出現，往往會對行業發展到了一個關鍵的時期，甚至會對行業帶來顛覆性的影響。通過對新增核心專利的篩選和解讀，可以幫助企業快速定位產業的關鍵技術發展現狀，為企業的戰略決策提供重要的信息支撐。 本部分選取本領域新增專利價值度（專利價值評估體系是基于深度加工的專利大數據，運用市場法，結合機器學習模型進行價值估算。它整合了專利價值相關的80+個不同指標(包括: 引用、專利國家規模、專利存活期、法律狀態等等)，同時基于歷史上的專利成交案例等進行調整，最終提供專利價值的評估數值）最大的前20個列出，詳情如下表1。 表1新增專利列表（專利價值度前23） 六、核心專利技術解讀 核心專利1——CN116772233A 核心專利2——CN116586629A 七、結論
1.1金屬增材制造技術優勢
1.2激光增材制造技術在航空航天領域應用的突出優勢
1.3 激光增材制造存在的問題
2.1應用舉例一：
2.2應用舉例二：
2.3應用舉例三：
4.2廣東省專利現狀分析
4.2.2地市布局分析
通過檢索，得到激光與增材制造原材料領域專利價值度為70分以上的專利數量為215值度為80分以上的專利數量為364利價值度為90分以上的專利數量為100其中專利價值度超過90以上的兩件專利進行解讀。
增材制造技術涵蓋了機械加工、材料冶金學、智能控制等多學科，經過近30年的發展，已突破了傳統金屬材料的瓶頸學制約，是高性能大型、大尺寸金屬構件制造的一個基本手段和方向。目前雖然增材制造技術已成功在航空航天、制導武器等型號研制生產中工程化應用并逐步推廣，但高性能金屬增材制造技術相較于傳統鑄鍛焊等制造技術發展時間相對很短，技術成熟度有待進一步提高，所制造的結構零件數量相對有限。航空航天工業制造工藝的特殊性以及對安全性、可靠性的嚴苛要求，對激光增材制造都提出了更高的要求,需要開展系統深入的基礎研究和工程化研究工作，加速培養專業人才，制定全產業鏈增材制造行業標準和技術體系，從制造成本、制造周期、結構性能提升、成本降低等方面綜合考慮各方面因素，進行增材制造結構適用性分析，推動激光增材制造技術在航空航天領域的研發與應用，更好地為航空航天裝備的高效輕質結構設計、高性能低成本制造、快速研制快速維修等提供先進技術支撐。
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