来源：长三角G60激光联盟
据悉，本文概述了基于各种属性的航空航天部件金属AM工艺选择的注意事项。这些属性包括几何因素、冶金特性和性质、成本基础、后处理和工业化供应链成熟度。本文为第一部分。
金属增材制造（AM）涵盖了可用于满足工业需求的无数制造工艺。确定这些AM工艺中的哪一种最适合特定的航空航天应用可能是一件非常困难的事情。根据应用，这些AM过程中的每一个都具有优势和挑战。最常用的金属AM方法包括粉末床熔合、定向能量沉积和各种固态工艺。在每一种工艺中，都有不同的能源和原料要求。本文概述了基于各种属性的航空航天部件金属AM工艺选择的注意事项。这些属性包括几何因素、冶金特性和性质、成本基础、后处理和工业化供应链成熟度。研究包括多个AM组件和样品构建实验，以评估（1）工艺中的材料和几何变化和约束，（2）合金表征和机械测试，（3）探路器组件开发和热火评估，以及（4）鉴定方法。本文总结了这些结果，旨在介绍设计金属AM组件时的各种注意事项。
介绍
改进的技术和程序性能演示支持了航空航天工业采用金属增材制造（AM）的理由。AM的技术优势包括减少质量、复杂几何形状（传统制造不可行）、增强传热、零件固结和使用新型高性能合金。适当利用AM的程序成本节约是显而易见的，因为零件交付周期和成本的减少、供应链的扩展（解决过时的方法并消除有限供应链的程序风险）、快速的设计故障修复周期、更快的上市时间、减少废料浪费以及更低的买飞比。这些优点并不普遍，因此有必要对AM工艺选择进行研究。
为了通过降低成本、缩短交货时间和尝试降低飞行部件的质量来不断提高效率，使用了设计日益复杂的高性能材料。这必须在合理的成本和时间表内完成，以满足商业订单或任务要求。传统的制造系统和策略已经发展了几十年，以适应这些航空航天设计目标，以适应众多应用类型;然而，AM现在并将继续对设计和制造产生深远的影响。这种增材制造数字化转型通常被吹捧为工业 4.0，到 2025 年，其航空航天领域的市场规模将增加到 31.87 亿美元，平均复合年增长率（CAGR）为 20.24%。在过去十年中，航空航天增材制造研究也呈指数级增长。除了这些学术文献之外，许多相关工作以技术报告、通俗文献和商业航空航天供应商的宣传文章的形式存在，有时出于商业原因，技术细节受到限制。
单位成本与生产量和生产复杂性，确定本专著中进一步开发的经济和技术最佳方案。
为了缩小给定应用的AM工艺，必须权衡零件设计、材料特性和工艺之间的技术优势和限制。零件性能、冶金考虑、后处理方法、认证和鉴定方法的独特要求使航空航天部件的AM工艺更加复杂。高强度或高导电性应用可能会限制材料选择，从而限制可用的AM工艺。大规模设计可能需要具有大构建量但具有较低特征分辨率的AM工艺。一些AM材料的新颖性和缺乏材料认证可能会阻碍选择，而不考虑潜在的技术效益。这些细微差别导致了设计师进退两难的症结所在。如何确定候选零件的最佳AM流程既没有很好的文档记录，也不自然直观。最多，设计师将通过权衡独特的部件要求（例如，复杂性、特征分辨率、零件尺寸、材料特性）和制造工艺（例如，材料可用性、构建量）来指导AM工艺选择。
空中客车A320机舱铰链支架的TO和AM。左：TO设计过程。右：原始支架（顶部）和最终TO优化设计（底部）。
尽管集中的工艺信息和基本材料特性数据在研究文献中很容易获得，但试图提取这些数据并从整体角度看待贸易的资源仍然缺乏工业化的相关来源。本文旨在帮助商业、工业和学术界使这些流程选择更加稳健。
航空航天的AM生命周期和过程
AM航空航天部件的迭代生命周期步骤是（1）设计和预处理，（2）制造（包括工艺参数和原料），（3）后处理，以及（4）在役部件。每个生命周期步骤（及其子步骤，如图1所示）都会影响工艺选择并影响后续的最终零件性能。
图1 AM航空航天部件迭代生命周期中的主要工艺步骤。
增材制造提供的广泛自由度产生了一个多维设计空间，该空间跨越工艺、材料和几何形状，具有大量的输入和约束。然而，这个空间的复杂性意味着计算框架需要优化过程和设计领域。下图描述了一个整体设计范式，其中增材工艺、增材材料、设计优化以及工艺和材料模型协同工作，以产生满足裕量要求的最佳设计。在完整的实施例中，范式的每个元素向其他三个元素提供输入并接收来自其他三个元素的反馈。例如，设计优化将通过工艺能力、材料分布和模型来生成设计解决方案，为最终设计分析、材料规格和工艺定义提供信息。由于材料和工艺知识仍然不完整，计算和验证成本仍然很高，并且集成尝试仍然不成熟，因此目前最先进的技术尚未接近此框架。连接元素的每一步，例如将材料分布纳入优化工具集或改进过程模型，都将为设计空间、过程和材料空间、应用程序和最终用户带来显著而直接的好处。
整体设计范式的关键要素，用于优化增材制造零件的设计和制造，包括工艺和材料意识。
航空航天积极使用多种金属AM工艺，这些工艺具有不同的口语名称和分组。最近，ASTM根据ISO/ASTM 52900:2015对金属和聚合物的原料、熔融过程中的物质状态、材料分布和基本技术原则（如能源）对金属AM工艺进行了标准化和分类。本文重点介绍在飞行应用程序中已经（或正在）实现的过程。这些工艺类别包括粉末床熔合（PBF）、定向能沉积（DED）和固态工艺，如冷喷涂（CS）、增材摩擦搅拌沉积（AFS-D）和金属板层压。它们已用于修理和再制造、涂层和自由零件制造。使用这些工艺制造的金属部件可以是元素金属、合金、金属基复合材料和多种合金。本文中讨论的航空航天AM工艺概述如图2所示。众所周知，本文中排除了其他几种可用的金属AM工艺。
图2 航空航天应用中的主要金属AM工艺。
粉末床熔合的主要工艺包括激光粉末床熔解（L-PBF）和电子束粉末床熔炼（EB-PBF）。L-PBF使用激光作为热源，使用粉末原料床制造零件。激光基于定义的扫描策略熔化材料，以在离散层内创建特征。L-PBF也称为选择性激光熔化（SLMTM）、直接金属激光烧结（DMLSTM）和直接金属激光熔化（DMLM）。（EB-PBF）工艺类似于L-PBF，但使用电子束（EB）作为真空室内的热源。电子束预热该层，并根据定义的刀具路径（逐层）熔化材料，以生产最终零件。EB-PBF工艺也称为电子束熔化（EBM）。
十多年来，工艺图量化了增材工艺中微观结构控制的范围。研究人员还利用电子束熔化改变铬镍铁合金718中晶粒的晶体质构，通过精确控制工艺参数，生产出粗柱状晶粒、外延沉积物和全等轴晶粒，下图这项工作突出了通过控制过程输入来生成局部微观结构和材料属性的能力，以适应零件中的复杂应力状态.多材料零件在单个几何形状中包含不同的材料成分，通常具有多功能功能。聚合物工艺最成熟，因为局部变化的材料特性，颜色和材料梯度已经使用商业机器。定向能量沉积通过OEM系统提供了对梯度金属的访问，而粉末床技术已经得到证明，但尚未商业化用于多材料部件。片材层压提供了对梯度材料的访问以及嵌入式电子设备和传感器的独特集成。跨材料类型（即聚合物、金属、陶瓷）的打印技术是有限的，但极具吸引力，并有望实现更广阔的设计空间。直接写入材料挤出产生了具有嵌入式电气功能的零件，而材料喷射产生了具有打印光学元件和插入式电气元件的光电器件。
使用激光粉末床融合（中）和多光子光刻（右）制造的四面体晶格设计的3D Mitchell结构（左）。
DED过程相似，因为每个DED过程都可以使用龙门架或机器人系统来移动沉积头或耳轴构建台（即，部件和头的移动是静止的）。相反，工艺差异是由于原料和能源。激光粉末定向能量沉积（LP-DED）允许使用激光作为能量源和粉末作为原料制造零件。
固态工艺使用不同的机制来沉积或结合材料以及不同的原料。AFS-D，也称为MELDTM，是一种固态AM工艺，使用固体或粉末原料进料至旋转摩擦搅拌销工具。当施加向下的力时，材料经历塑性变形并以逐层方式沉积。沉积头下方的工作台提供创建自由形状零件的运动。图3显示了各种金属AM工艺的特写图像集合，并表示了沉积/构建的方向。
图3 各种金属AM工艺以及沉积/构建方向的特写图像。
已经使用航空航天应用的每种AM工艺制造了各种开发和飞行部件。航天工业一直热衷于采用各种AM工艺，以减少复杂零件的原型和生产提前期。各种航空航天AM部件的示例如图4所示。AM为高复杂度部件提供了大量航空航天生产，否则传统制造技术不可行。尽管主要航空航天公司和许多初创企业都有许多例子，但L-PBF中使用的主要工艺是DED（包括LW-DED和LP-DED）。
图4 液体火箭发动机中使用的AM部件示例。
航空航天用普通AM合金
传统制造业有数千种合金可供选择。AM仅使用各种工艺使有限数量的金属和合金完全成熟，缺乏传统制造业几十年的经验。此外，航空航天部件具有关键功能，在恶劣环境中（无论是高压、腐蚀性流体还是低温）以最小的余量设计(− 252°C）至高温（通常超过1000°C），并且必须在高工作循环下可靠运行数千个工作小时。因此，对最终用途的适当合金选择提出了苛刻的要求。
航空航天AM需求的金属选择已扩大到包括铝合金、不锈钢、钛合金、镍基和铁基超合金、铜合金和耐火合金。新的和现有的合金正在不断开发中，人们认识到该清单并非包罗万象。所列的许多合金仅处于开发阶段，可能无法完全满足使用特定AM工艺（包括基于统计的设计材料性能）的航空航天应用。在制造工艺中，L-PBF、LP-DED和AW-DED是研究最多的领域，而激光线DED的研究则少得多。固态AM工艺在研究和工业应用中越来越受到重视。
根据所用的AM工艺，原料从预合金粉末（通常通过气体雾化生产）、线材、片材或实心棒材形式不等。虽然与锻造合金相比，可用的合金数量有限，但有许多常用的和众所周知的高温和流行的航空航天合金，但成熟度各不相同。由AM金属和合金制成的各种部件的示例如图5所示。图5（d）中的示例展示了在外部特征和支撑内部流动通道上使用晶格结构的一些复杂性。
图5 用不同金属和合金制造的复杂航空航天零件示例。
镍基和铁基超合金主要是因为其在高温高压下具有优异的机械性能，并且通常用于恶劣环境（耐腐蚀和抗氧化）。镍基超合金在AM平台上广泛流行，Inconel 625和Inconel 718用于许多应用。铁基超合金，如A-286、JBK-75和NASA HR-1，通常用于高压氢应用（如火箭发动机），以减轻与氢环境脆化（HEE）相关的风险。此外，这些高温合金具有很高的抗蠕变性能。这些特性的结合大大提高了现代飞机发动机的效率。高温合金是制造高压燃气涡轮发动机燃烧室、涡轮、外壳、盘和叶片等许多部件的关键金属。其他高温和低温应用包括阀门、涡轮机械、喷射器、点火器和液体火箭发动机歧管。目前，超过50%的先进飞机发动机质量由镍基高温合金构成。
航空航天部件需要承受极端工作条件，同时重量轻。钛合金因其高比强度（即强度重量比）、断裂韧性、抗疲劳性和出色的耐腐蚀性而在航空航天工业中具有吸引力。基于激光的DED也称为激光金属沉积或激光工程净成形，由于其比需要真空条件的基于电子束的DED更高的生产率和更灵活的工作环境而受到更广泛的关注。金属丝也可以用作原料，称为线弧增材制造，但我们的文章将重点介绍大部分使用粉末原料的DED工艺。尽管PBF通常比DED表现出更好的空间分辨率和生产零件的表面质量，但后者在航空航天应用中比PBF具有一些独特的优势。
a）定向能量沉积（DED）过程示意图。（b）使用DED工艺修理的钛压缩机叶片。（c） PBF和DED技术在层厚度和沉积速率方面的比较。
在DED工艺中，激光束熔化金属粉末，在基板表面形成熔池。由于基材的快速散热，熔池会经历快速冷却和凝固（104–106K/s）。单向凝固的前β柱状晶粒是DED生产的钛合金中最显着的特征之一。还可以观察到沉积层顶部区域的等轴晶粒。例如，下图 a显示了DED生产的Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金的微观组织，该合金由沉积轨迹底部的粗柱状先β晶粒和等轴晶粒组成。α相可以在前β晶粒的边界处优先成核，形成晶界α相（α国标）（图b）。前β晶粒中的柱状到等轴过渡（CET）已被广泛研究。柱状颗粒由熔池底部基质的外延生长形成。等轴晶粒归因于新成核晶粒的生长，这是由于热梯度减小和熔池顶部存在未熔化的颗粒（图c）。
（a） DED生产的Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金中的CET现象。（b）晶界α相（α国标）沿前β边界进行装饰。（c）局部熔池中等轴先β晶粒的成核机制：（i）热梯度降低引起的表面成核和（ii）以部分熔化的粉末为原子核的异质成核。（d）DED生产的钛合金顶部区域沉积层的先β晶粒形貌：（d1）Ti-6Al-4V（TC4），（d2）Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si（TC11）和（d3）Ti-10V-2Fe-3Al（TB6）。还提供了三种钛合金熔池中凝固行为的示意图。
可用于航空航天应用的其他金属合金包括难熔金属，如铌、钽、钼、铼和钨及其合金。铌基C-103在辐射冷却喷嘴、空间反应控制系统和高超音速机翼前缘等应用中很常见。其他铌基合金（WC3009、C129Y、Cb752、FS-85）用于再入飞行器热防护系统以及堆芯结构中的空间反应堆。Ta基合金（Ta10W、Ta111、Ta122）通常用于具有腐蚀性的高压和超高温环境。钼基耐火材料用于超高温应用，如碱金属热管和核热推进燃料元件。Re基合金在AM中的开发远远不够，但在自燃燃烧室和单晶涡轮叶片中有潜在的用途。
AM过程选择的属性
当评估和向下选择AM过程时，如果设计要求不决定决策，则可能会大大减少选项。工艺选择的最常见依据是组件的复杂性和规模。除尺寸限制外，其他标准可能包括工艺所需的材料特性、具有某些特征或合金的工艺成熟度，甚至工艺熟悉度。高级属性包括设计要求（特征）、工艺特定考虑因素以及微观结构特征和特性。虽然试图对这些属性进行单独分类，但它们通常是完整的。航空航天部件的一般工艺选择如图6所示，其中考虑了选择标准的类别。
图6 航空航天部件的工艺选择属性。颜色与图2中的工艺步骤一致。
总体设计和工艺属性
工艺选择的实质动机来自设计阶段，包括材料选择、整体零件尺寸、特征分辨率、复杂性、构建率（与工艺经济性和特征分辨率相关）、内部特征以及单合金或多合金构建。AM有一系列设计解决方案，包括单部件或多部件组件，AM工艺选择可能会相应改变。这些方面之间的交易是相互关联和反复的。除了原料类型之外，工艺参数对于生产成功的AM航空航天部件和影响AM工艺选择至关重要。
整体零件尺寸
AM工艺的商用机器和定制装置提供了构建直径和构建高度的近似线性关系，如图7所示。每个工艺的最大构建体积如图所示。7a和PBF工艺的纵横比近似线性。DED工艺通常观察到最大的纵横比，而冷喷涂的纵横比最小，两者都提供了最大的整体构建体积。
图7 基于总体构建量选择AM流程。（a）每个过程的最大构建直径和构建高度。（b）用于每种工艺的商用和定制AM机器。
自2015年以来，调幅机的规模大幅增长。图7b显示了许多主要航空航天制造商和供应商在全球范围内提供的各种构建尺寸（最大的AW-DED尺寸除外，以提高分辨率）。尽管构建卷有许多选项，但给定大小的可用机器数量可能在数量/可用性方面受到限制，从而导致交付周期过长。尽管AM构建量的增长已经并继续增加，但PBF机器仅限于最长尺寸不超过1米的部件（如图7b中灰色框所示）。
零件复杂性、特征分辨率和构建率
航空航天AM零件可以包括坯料（例如，锻件替换件）、需要最终机加工的近净形状部件，或只有AM工艺才能生产的高复杂度（最终、竣工几何形状）。零件复杂度与特征分辨率和沉积速率直接相关。虽然人们倾向于采用高复杂性以实现最佳的质量节省或功能性能，但航空航天零件要接受严格的检查以确定飞行可行性，随着复杂性的增加，可检查性也随之降低。无损评估（NDE）或无损检测（NDT）技术在充分检查零件方面的应用受到限制，设计的复杂性也给后处理阶段带来了挑战，如粉末去除、机加工或表面强化（抛光）。选择金属AM工艺时，必须强烈考虑零件复杂性（内部和外部特征），因为它与特征分辨率、沉积速率和检查能力有关。
几种金属AM系统允许混合制造，包括增材和减材制造技术。混合系统包括增材部分（使用沉积头或其他方法）和减材加工头，用于制造期间的临时加工。可以在沉积工艺完成后进行加工，以允许更高分辨率的特征，但可能会受到限制。UAM过程需要使用混合减法能力来提供精细的特征分辨率。混合系统在LP-DED工艺中非常常见，用于LW-DED和AW-DED工艺的系统数量有限。由于真空环境，整体加工对于EBW-DED工艺不可行。L-PBF工艺采用了集成混合加工，但使用非常有限。
如图8所示，每个AM工艺的特征分辨率都有范围，并且高度依赖于原料、机器硬件配置和工艺参数。例如，DED工艺（如LP-DED和LW-DED）可以使用不同的光斑尺寸，而AW-DED可以增加焊丝原料直径，并增加沉积速率，但不利于特征分辨率。
图8 与AM流程中的最小功能大小相比，构建速率。
对于锻造或铸造替换件，沉积速率优先于特征分辨率，假设可以满足所有其他性能。制造速度是固态工艺的最大优点之一，在固态工艺中不会发生熔化。这些工艺（冷喷涂、AFS-D、UAM）提供了高沉积速率，同时保持了航空航天零件所需的细晶粒结构。与沉积/构建速率相比，特征分辨率的图形总结如图9所示。该图包括每个AM工艺的许多航空航天组件示例。
图9 基于特征分辨率、构建/沉积速率和多种合金构建选择工艺。
来源：Robust Metal Additive Manufacturing Process Selection and Development for Aerospace Components, JMEPEG, doi.org/10.1007/s11665-022-06850-0
参考文献：Leary, F. Berto and A. du Plessis, Metal Additive Manufacturing in Aerospace: A Review, Mater. Des., 2021, 209, p 110008. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110008
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