中國航天制造技術(shù)研究院單飛虎：金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)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�,。╊I(lǐng)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(shù)與航空航天論壇”，中國航天制造技術(shù)研究院單飛虎做了主題是《金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)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(nèi)容：

金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應用與發(fā)展
增材制造技術(shù)的概況,。

增材制造技術(shù)最早是美國引領(lǐng)，國外專利技術(shù)的一些開放,，使中國的技術(shù)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(shù)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(gòu)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(shù)。

鋪粉技術(shù),，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(jié)構(gòu),，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(shù)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(shù)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(gòu)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(shù)對比,，都可以做大構(gòu)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(nèi)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(shù)國防科技重點實驗室,，以具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專用材料,、專用裝備、制造工藝關(guān)鍵技術(shù)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(shù)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(guān)鍵技術(shù)，是突破尺寸精度控制關(guān)鍵技術(shù),，如果精度控制不夠,，成型件的質(zhì)量是不能滿足的。形成了針對不同材料及結(jié)構(gòu)的工藝,，絲材其實是成為構(gòu)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(jié)構(gòu)和夾心結(jié)構(gòu),，這個是相對容易一些,，是一些常規(guī)構(gòu)件，我們現(xiàn)在做的時候,，提出了“等應力”的設(shè)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(guān)鍵，現(xiàn)在我們在研究“等應力”的設(shè)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(jié)構(gòu),，無應力集中或者少應力集中，但結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)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(guān)，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(shù)，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(jié)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(shè)備，這個已經(jīng)可以打成型零件,，還有我們的電子束熔絲設(shè)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(jié)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(guān)鍵共性技術(shù)研究不夠,，這是現(xiàn)在增材制造的共性。
• 第三,，材料研究技術(shù)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(guān)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(shù)全過程系統(tǒng)深入研究,，技術(shù)支撐,，開展增材制造設(shè)計、材料,、工藝,、裝備、質(zhì)量檢測,、考核評價,，應用等全過程技術(shù)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(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)技術(shù)在尺寸精度和表面質(zhì)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(zhì)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(shù)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！