【科普系列】激光选区熔化技术在航空航天领域的发展现状及典型应用

    航空航天先进制造技术的发展水平是国家科技实力的重要体现，在科技发展版图中具有至关重要的地位。激光选区熔化（selective laser melting，SLM）是增材制造（AM）技术的关键工艺之一，为航空航天复杂结构件的制造开辟了全新的发展方向和途径。其主要优势是：（1）SLM技术具有极高的设计自由度，理论上可以打印出任何复杂形状的零件，使零件的结构设计实现自由化；（2）SLM技术生产周期短，可实现对复杂零件的快速成形，能大大缩短新型航空航天装备的研发周期；（3）SLM技术材料利用率相对较高，通过拓扑优化等方法可实现轻量化设计，不仅降低制造成本，还促进航空航天装备飞行距离及载重量的显著提升；（4）SLM技术成形精度高、表面质量好、材料强度高，可实现航空航天复杂构件的高精制造。

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SLM技术的典型成形材料

    常用于SLM的材料体系主要有镍基高温合金、钛合金、铝合金、铁基合金、铜合金等。金属间化合物、高性能高温合金、高熔点难熔金属等新材料是SLM成形难度较高的材料，相关工艺及性能研究是该领域的热点方向之一。

（1）镍基高温合金因出色的高温性能在航空航天领域应用非常广泛，主要用于制备航空航天发动机、燃气轮机等关键零部件。目前SLM成形工艺比较成熟的镍基高温合金以IN718、IN625、GH3536等为代表，而耐温性能更高的镍基高温合金因Al、Ti含量比较高而具有较高的热裂纹敏感性，如IN939、CM247、K418、K424、K438等。

（2）钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优点，是较为理想的航空航天结构材料，SLM成形工艺比较成熟的钛系合金材料主要有TA15、TC4、TC11等。TiAl合金、NiTi形状记忆合金等是SLM材料研发的热门方向。

（3）铝系合金具有质量轻、热传导性能高等优点，在航空航天领域应用也比较广泛。对于SLM工艺而言，铝系合金对激光的反射率大、热导率高，其成形性因成分不同而差异较大。目前采用SLM制备铝系合金材料主要有Al-Si、Al-Cu、Al-Mg-Si、Al-Zn等，其中Al-Si系具有较好的成形性能。随着航空航天构件对材料性能要求的不断提高，开发新型高性能铝系复合材料是当前发展的趋势。

（4）SLM成形铁基合金领域涉及材料牌号较多，目前对高强钢的研究比较重视。另外铁基材料成形过程易产生氧化物夹杂并显著影响材料性能，如何将氧化物夹杂无害化是目前研究的热点。

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在一体化复杂内流道结构的应用

    一体化复杂内流道结构的制造是SLM技术应用较多的层面。GE公司采用SLM技术实现LEAP发动机燃油喷嘴的一体化设计与制造（图1（a）），NASA工程人员通过SLM技术打印首个全尺寸铜合金火箭发动机，完成3D打印燃料薄膜冷却燃烧室的开发（图1（b））。美国Aerojet Rocketdyne公司成功完成全尺寸增材制造RL10火箭发动机铜合金推力室组件的热实验（图1（c））。

图1 一体化复杂内流道结构件的SLM制造

（a）燃油喷嘴；（b）燃烧室铜合金内衬；（c）火箭推力室热实验

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在小型燃气涡轮发动机的应用

    无人机、小型飞行器等对发动机的小型化提出重要需求。澳大利亚莫纳什大学的研究团队采用SLM技术制造世界上第一台燃气涡轮发动机（GTE）（图2（a）），GE公司采用SLM工艺制造30 cm长、20 cm高的燃气涡轮发动机（图2（b）），并生产第一台商业化3D打印涡轮螺旋桨发动机（ATP）。SLM制造复杂冷却内腔结构的航空发动机涡轮叶片，在材料力学性能、表面粗糙度、位置及型面公差、气膜孔收缩率及机械加工定位点等方面依然存在挑战。西门子公司采用创新的内部几何设计和尾部扩散扰流结构并采用SLM制备多晶镍基高温合金涡轮叶片（图3）。

图2 SLM打印小型燃气涡轮发动机

（a）莫纳什大学小尺寸GTE;（b）GE公司测试小型GTE

图3 西门子公司SLM制备的多晶镍基高温合金叶片

（a）装配打印的叶片；（b）单个叶片

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在轻量化结构中的应用

    轻量化结构对航空航天的装备制造至关重要，采用拓扑优化和点阵结构设计是实现零部件轻量化的主要方法，拓扑优化与SLM技术在航空航天高性能零部件的轻量化方面相辅相成。空客防务公司通过拓扑优化设计铝合金支架（图4），该支架安装在Eurostar E3000通讯卫星上。点阵结构设计同样是零部件实现减重的重要途径，点阵结构设计与拓扑优化密不可分，德国MTU公司SLM制造PW1100G-JM发动机涡轮机匣的内窥镜轮毂，在叶片磨损和损伤的指定间隙使用内窥镜进行检查（图5）。

图4 Eurostar E3000通讯卫星铝合金支架拓扑优化

图5 MTU 公司 SLM 制造带有蜂窝点阵结构内环的发动机部件

（a），（b）蜂窝结构的内环；（c）密封托架

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在仿生结构中的应用

    航空航天对高性能材料及功能结构的迫切需求促使研究人员关注天然或生物材料，许多高强度和轻量化的设计灵感来源于自然界。由精细骨状多孔结构的启发，空客公司采用SLM技术制造经过仿生轻量化设计的A350 XWB Ti合金托架。另外，由黏菌(silme mold)自适应网络结构的启发并基于模拟细胞结构生长的算法，空客和Autodesk公司采用SLM制造复杂格子结构（图6），材料选用新研发的高强Al-Mg-Sc合金（Scalmalloy），成形零件具备高强度、低重量的特点并用于机舱隔离结构。

图6 空客公司采用 SLM 技术制造仿生设计的机舱隔板结构

（a）仿生隔板结构图；（b），（c）仿生隔板实物图

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结束语

    SLM技术突破零件结构形态的约束并可制造任意复杂结构，通过优化结构设计减轻重量、提高力学性能，在航空航天领域获得较多应用但远未达到预期，深层次的高端应用存在急需解决的关键瓶颈问题，在科学和技术领域面临诸多挑战：（1）SLM高性能材料内部存在弥散、随机分布且形状不规则的微介观冶金缺陷，成为制约SLM技术航空航天高端应用的瓶颈问题。（2）SLM材料存在各向异性的冶金特征、非均匀组织结构以及介稳相转变等对材料的性能产生显著影响。（3）SLM技术成形尺寸的限制及成形零件的经济性，是SLM技术应用的重要制约因素。（4）SLM标准体系相对欠缺，是限制SLM技术实现批量化产品工业应用的重要因素。（5）SLM粉末材料存在兼容性，适用性较低的问题。

原文出处：

激光选区熔化技术在航空航天领域的发展现状及典型应用（点击“题目”可链接全文）

杨胶溪, 吴文亮, 王长亮, 刘晨光, 王树志, 阳代军, 周正, 徐宏超

2021, 41(2): 1-15   

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000158