金屬零件的激光增材制造技術(shù)（俗稱3D打印）是從20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一項先進(jìn)制造技術(shù)。增材制造的基本原理是根據(jù)零件的CAD模型進(jìn)行切片分層處理，采用數(shù)控系統(tǒng)控制工作臺按照分層軟件設(shè)定的路徑進(jìn)行掃描，通過激光熔化金屬粉末層層疊加獲得近凈成形零件。
增材制造技術(shù)的優(yōu)點主要有：
（1） 增材制造技術(shù)可優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，拓展設(shè)計人員思路。受傳統(tǒng)制造手段、加工方法的制約，很多優(yōu)秀的設(shè)計理念難以實現(xiàn)。而增材制造技術(shù)不受產(chǎn)品零件形狀的限制，解除這一限制后可以設(shè)計、制造出更輕、受力狀態(tài)更合理的結(jié)構(gòu)件。
（2） 零件精密成形，加工余量小，材料利用率高。采用傳統(tǒng)制造路徑時，大部分材料會被加工去除，成形零件不到毛坯重量的10%，造成了極大的浪費。而增材制造技術(shù)是一種近凈成形技術(shù)，材料利用率可達(dá)90%以上，能有效降低材料成本，增強市場競爭力。
（3） 由于增材制造快速凝固的特點，成形件組織細(xì)密、性能優(yōu)異。
（4） 零件生產(chǎn)流程短，工序簡化，節(jié)省了大量加工時間，特別適用于小批量零件生產(chǎn)試制和產(chǎn)品零部件維修更換等需要快速響應(yīng)的場合。
基于上述優(yōu)點，自增材制造技術(shù)問世以來便引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并在汽車、模具、航空航天業(yè)等領(lǐng)域獲得了應(yīng)用，并被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命和工業(yè)4.0時代來臨的代表性革新技術(shù)。
金屬零件增材制造技術(shù)根據(jù)粉末材料的送進(jìn)方式可分為同軸送粉和粉末床兩種。同軸送粉激光增材制造法又稱直接金屬激光燒結(jié)法（Direct metal Laser Sintering，DMLS），該方法成形效率高，能夠制造大尺寸結(jié)構(gòu)件，工藝開發(fā)時間早，技術(shù)比較成熟，但表面精度較差。粉末床工藝又稱選擇性激光熔化法（Selective Laser Melting，SLM），需先鋪粉末再熔覆，成形效率較低，且受粉末床大小限制，成形件尺寸較小。但由于有粉末支撐，能成形異型復(fù)雜零件（如懸垂結(jié)構(gòu)、鏤空結(jié)構(gòu)），成形件致密度和外形精度高。基于這些優(yōu)點，近年來SLM技術(shù)逐漸引起了人們的關(guān)注。
本文對選區(qū)激光熔化增材制造（SLM）設(shè)備、粉末的研制情況、需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了梳理，并對該技術(shù)在民用飛機上的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
SLM設(shè)備研究情況
在國外，SLM設(shè)備研究主要集中在德國、法國、英國、日本、比利時等國家。德國對SLM技術(shù)及設(shè)備研究早，技術(shù)也比較成熟。第一臺SLM設(shè)備由德國MCP公司推出。目前德國EOS公司是全球最大，同時也是技術(shù)最領(lǐng)先的激光粉末熔化增材制造成形系統(tǒng)的制造商，目前設(shè)備主要有EOSINT M280（圖1）和EOSINT M400兩款。EOSINT M280激光燒結(jié)系統(tǒng)采用的是Yb-fibre激光發(fā)射器，高效能、長壽命，光學(xué)系統(tǒng)精準(zhǔn)度高。M280能成形的零件最大尺寸為250mm×250mm×325mm。而最新推出的EOSINT M400設(shè)備選用的激光器功率更高，能成形的結(jié)構(gòu)件尺寸更大，最大尺寸達(dá)到400mm×400mm× 400mm。德國的EOS公司在國內(nèi)銷售業(yè)績良好，國內(nèi)多家單位采購了EOS公司的SLM設(shè)備。
圖1 EOS公司INT M280設(shè)備
在國內(nèi)，開展SLM設(shè)備研制的單位主要有華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)，武漢光電國家實驗室等[1-5]。其中，華南理工大學(xué)在2006年就聯(lián)合幾家單位開發(fā)了一套SLM快速成形設(shè)備，2014年又在前期的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，生產(chǎn)出Di-metal 100型設(shè)備，主要參數(shù)為：SPI連續(xù)式200W光纖激光器（波長1075nm），光斑直徑50~70μm，最大成形尺寸100mm×100mm×100mm，鋪粉層厚20~50μm，掃描速度5~7000mm/s， 成型腔室以Ar或N2保護(hù)，含氧量控制在0.1%以下[1-2]。華中科技大學(xué)研發(fā)的HRPM-Ⅱ型設(shè)備主要參數(shù)為：100W連續(xù)模式光纖激光器，采用二維振鏡聚焦，激光定位精度0.02mm，最大掃描速度5m/s，成形速度≥7000mm3/h，鋪粉層厚50~100μm，采用雙缸上送粉方式，最大成形尺寸為250mm×250mm×400mm。該設(shè)備在超輕結(jié)構(gòu)復(fù)雜件的制備方面有較強的優(yōu)勢[3]。此外，武漢光電國家實驗室也自主研發(fā)了SLM設(shè)備，并對該設(shè)備的鋪粉裝置、運動控制系統(tǒng)、總體集成技術(shù)等進(jìn)行了深入研究[4-5]，其設(shè)備能實現(xiàn)與德國EOS公司設(shè)備相對應(yīng)的功能，且在價格方面具有優(yōu)勢，已經(jīng)在航天企業(yè)中獲得了應(yīng)用。
SLM專用金屬粉末研發(fā)情況
SLM技術(shù)與粉末冶金技術(shù)（Powder metallurgy，PM）是互相聯(lián)系而又有所區(qū)別的兩種技術(shù)，共同點在于二者都是從粉末原材料通過加熱致密化制造出相應(yīng)結(jié)構(gòu)件，區(qū)別主要有兩點：（1）粉末冶金過程中，加熱的同時還要加壓，粉末未完全熔化，而SLM主要通過激光完全熔化粉末進(jìn)行制造；（2）采用粉末冶金的方法，粉末是一次性放入的，而SLM中的粉末是分多批次逐步加入的。這些區(qū)別導(dǎo)致二者對所用的粉末原材料要求有很大不同。
粉末冶金技術(shù)發(fā)展的歷史較為悠久，國內(nèi)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)較為完善，配套粉末生產(chǎn)企業(yè)也比較齊全[6-7]。然而，目前生產(chǎn)SLM專用金屬粉末的主要是國外企業(yè)。其中，德國EOS公司規(guī)定成形所用的粉末材料也必須使用公司的配套產(chǎn)品，否則零件的成形效果就達(dá)不到質(zhì)量要求。而EOS公司的粉末定價高，從國外進(jìn)口采購周期長且面臨限購、運輸安全等風(fēng)險。因此，立足國內(nèi)研究情況，自主生產(chǎn)SLM專用粉末是必要的。在SLM專用粉末的生產(chǎn)方面，國內(nèi)比較知名的有無錫飛而康快速制造有限公司、西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司、西安賽隆金屬材料有限公司、沈陽金屬所等。主要是利用感應(yīng)熔煉氣體霧化技術(shù)生產(chǎn)粉末，并通過篩分獲得不同粒徑大小的產(chǎn)品。整個生產(chǎn)過程需在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，避免外來雜質(zhì)污染。
SLM技術(shù)在民用飛機上的應(yīng)用前景
隨著技術(shù)進(jìn)步及人民生活水平的提高，公眾對民用飛機的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保的要求越來越高，這對民用飛機的制造技術(shù)提出了更高的要求。減輕飛機結(jié)構(gòu)件的重量能有效降低材料成本和燃油消耗，提升飛機的市場競爭能力。增材制造技術(shù)由于能有效改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少材料用量，縮短加工流程而倍受關(guān)注。包括波音、空客等大型民用飛機制造商都投入了大量的資金、人力、物力對這一技術(shù)進(jìn)行研究，并已取得了顯著成果，在飛機發(fā)動機、吊掛、襟翼、艙門等部位已有成功的應(yīng)用。例如：空客公司在A300/A310機上廚房、盥洗室和走廊等連接鉸鏈上應(yīng)用了增材制造結(jié)構(gòu)件，并在其最新的A350WB型飛機上應(yīng)用了Ti-6Al-4V增材制造結(jié)構(gòu)件（如圖2所示），且已通過EASA及FAA的適航認(rèn)證。GE公司采用增材制造技術(shù)制造了Leap噴氣發(fā)動機的金屬燃料噴嘴，通過這一技術(shù)，將噴嘴原本20個不同的零部件變成了1個。這樣造出的燃油噴嘴重量更輕，而且能夠承受極端溫度，為該公司節(jié)約了大量成本。近期GE擬采用增材制造技術(shù)制造GE9X噴氣發(fā)動機的低壓渦輪，GE9X據(jù)稱是“有史以來建造的最先進(jìn)、最省油的商用飛機發(fā)動機”，這款發(fā)動機將成為波音777客機的下一代——777X客機的驅(qū)動引擎，該款機型將于2017年開始生產(chǎn)，并有望在2020年交付首架給客戶。
圖2 空客公司采用SLM技術(shù)制造的Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu)件
國內(nèi)在SLM技術(shù)的研究上也取得了一定的進(jìn)展，不過相比之下，其技術(shù)的發(fā)展還不夠成熟，要實現(xiàn)在民用飛機上的應(yīng)用，仍有大量的工作要做，例如解決SLM成形本身的技術(shù)問題，研究成形件后續(xù)處理工藝技術(shù)，并編制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制度，進(jìn)行結(jié)構(gòu)件的適航認(rèn)證等。圖3所示為國內(nèi)企業(yè)用SLM技術(shù)成形的復(fù)雜零件。
圖3 國內(nèi)企業(yè)用SLM技術(shù)成形的復(fù)雜零件
目前，SLM技術(shù)的關(guān)鍵工藝技術(shù)有兩個：成形過程中粉末的球化現(xiàn)象和制件存在孔隙、裂紋等缺陷問題。球化現(xiàn)象是指在激光成形過程中，金屬熔化后形成大量彼此隔離的金屬球，破壞成形金屬表面質(zhì)量，嚴(yán)重時阻礙鋪粉輥的運動，使成形過程無法繼續(xù)進(jìn)行下去。孔隙的形成則使得成形件致密度低，嚴(yán)重影響其性能。在SLM成形工藝方面，南京航空航天大學(xué)的顧冬冬教授做了很多工作[8-10]，分析了銅基合金、不銹鋼等材料成形時的球化分析機理，提出可通過預(yù)熱粉末床，控制激光掃描速度和線能量密度等方式減少球化；此外還研究了銅基合金的孔隙率與加工參數(shù)的關(guān)系，并指出合理控制能量密度是減少孔隙產(chǎn)生，提高制件性能的關(guān)鍵。
由于用SLM技術(shù)制造出來的零件表面質(zhì)量和尺寸精度不能滿足最終使用狀態(tài)要求，因此還需對增材制造結(jié)構(gòu)件進(jìn)行少量的后處理，如機械加工、熱處理、表面處理等。這就要求對SLM制件的后處理技術(shù)進(jìn)行研究，將其與傳統(tǒng)的鍛件、鑄件的加工性能進(jìn)行對比，找出合理的工藝參數(shù)。
此外，民用飛機還有一個很大的特點，就是所有的材料和制造方法必須經(jīng)過適航認(rèn)證才能實現(xiàn)裝機應(yīng)用，這就要求制定相應(yīng)的材料規(guī)范和工藝規(guī)范，并向負(fù)責(zé)適航審定的局方演示，獲得局方的認(rèn)可，這方面也是國外走在前列[11]。例如： 2013年美國汽車工程師協(xié)會（SAE）制定了Ti-6Al-4V粉末的航空材料標(biāo)準(zhǔn)AMS4998E。2002年SAE制定了直接沉積Ti-6Al-4V產(chǎn)品航空材料標(biāo)準(zhǔn)AMS4999，2011年將其升版為AMS4999A。此外，美國材料測試協(xié)會（ASTM）已發(fā)布兩項有關(guān)粉末床熔覆鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)，分別為ASTM F2924-14：粉末熔覆床工藝增材制造Ti-6Al-4V標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和ASTM F3001-14：粉末熔覆床工藝增材制造Ti-6Al-4V ELI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這些規(guī)范規(guī)定了用于增材制造的粉末、設(shè)備及工藝方面的要求。而國內(nèi)關(guān)于SLM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面的工作卻仍十分欠缺，國內(nèi)航空工業(yè)界仍需付出艱辛的努力。
結(jié)束語
本文簡要介紹了選區(qū)激光熔化增材制造（SLM）技術(shù)的特點和發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了國內(nèi)外關(guān)于SLM所用的設(shè)備、粉末原材料面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題等情況，分析了這項技術(shù)在民用飛機上的應(yīng)用前景，對促進(jìn)SLM技術(shù)在民用飛機上的應(yīng)用有一定的參考意義。
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