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。本文为第二部分。
AM工艺原料
设计者必须考虑金属AM的供应链，明确地考虑起始原料和AM加工机。虽然最常见的AM材料的原料可以从多个粉末供应商处获得，并且可以快速部署，但定制或新型材料可能需要较长的粉末生产周期。许多普通合金的线材很容易用于DED工艺。箔和棒材是其他形式的原料，但有些比粉末或线材更不容易获得。此外，对于给定的材料，所需的原料尺寸（金属丝直径或粉末粒度分布）可能并不总是容易获得。无论原料的成分、形式或新颖性如何，原料的交付周期可能很长，在评估整个供应链时必须加以考虑。
粉末原料要求取决于AM工艺，必须根据化学和粉末粒度分布（PSD）进行控制，以确保流动性或铺展性。根据AM工艺所需的PSD，许多粉末合金在几天内很容易获得。即使有了新材料和定制合金，粉末供应链也在不断发展，大多数定制合金粉末可以在几个月或更短的时间内获得，等待所需合金元素的供应。许多棒材、片材和线材原料通常在几天内即可获得。然而，定制合金可能需要额外的加工（例如，主熔炼、锻造、减小板材厚度或在没有特定尺寸的情况下重新拉丝直径），并且可能更难获得或具有更长的交付周期。
单个或多个合金
一些AM工艺允许在相同的构建操作中使用不同的粉末、线材、板材或棒材来制造多种合金（例如，双金属或多金属零件）。使用多种合金的构建可以很容易地针对质量、热、结构或其他设计特征进行优化。通过消除或减少连接或打印后组装操作，多材料制造有利于航空航天部件。复杂的设计可以在单个部件内使用多种材料，而无需进行焊接或钎焊等后处理。然而，设计要求可能会限制某些AM工艺或使用多种合金的可用性。
为零件的 AM 设置的实用替代方向。
大多数AM工艺允许使用多种合金，尽管冶金特性和在飞行应用中的全面实施到目前为止是有限的。EB-PBF工艺还不允许多种材料的使用，但L-PBF工艺中的多种合金的使用正在推进。L-PBF面临的多种合金挑战源于混合不同粉末批次的污染、难以充分跟踪原料批次以及相关参数开发和鉴定控制。在初始AM制造和机加工（如有必要）之后，可通过二次操作将多种合金结合在一起。然后，二次AM工艺添加单片或多合金成分的材料。
Process Economics
AM过程能够从数字输入开始创建物理零件。为了实现所需的几何形状，应在软件中定义各种操作参数，例如刀具路径和投影模式，它们取决于所使用的材料和设备。这是AM的最大优势之一：制造零件几乎不需要特定的工具进行形状定义。与AM相关的第一项专利可以追溯到1920年，当时Ralph Baker提交了美国GrantUS1533300A，标题为“制造装饰品的方法”。自 1960 年代末和 70 年代初以来，研究人员通过计算机、树脂聚合物和 CNC 机器的发明以及 CAD/CAM 开发的进步，获得了现代增材制造工艺的第一批专利。1989年，麻省理工学院开发了突破性的3D打印工艺。由于越来越多的专业研究和行业对这项有前途的技术的兴趣，其他增材制造工艺也得到了开发。在 1980 年至 2000 年代之间，新一代廉价而强大的计算机允许在生产环境中引入增材制造技术，因为更高质量的 3D 设计和建模变得更加普遍。
粉末、线材、棒材或板材形式的原料通常可用于大多数工艺，但成本取决于合金。尽管定制合金或定制尺寸可能会增加2-5倍的成本，因为它们可能需要特殊的熔化、雾化或成型操作，但常见的合金如300系列不锈钢、Inconel 625都是现成的。进行了一项行业调查，以提供各种工艺中原料的成本比较，结果如图10所示。基于采购量（如预期）和基于生产方法的各个原料之间的成本差异，成本略有差异。随着稀缺合金或定制合金的开发，原料供应链可能变得更具挑战性。在选择合适的工艺或合金本身时，必须考虑生命周期的这一部分。
图10 316L和Inconel 625的原料成本比较（2021 USD）。
不同的增材制造技术具有明显不同的功能，反过来需要不同的仿真方法。因此，必须为材料沉积和热输入创建不同的事件序列输入，以模拟AM打印过程。对于LDED工艺，完整构建的层数较少，并且激光参数通常随构建高度而变化。考虑到计算时间限制和文件大小限制，可以利用非常精细的网格来解析此过程的每个构建层。然后，所选的相交工具单元应是一个盒子，其中同时施加的材料沉积和分布式热通量输入通过普遍接受的双椭球体Goldak模型通过内置子程序描述，以描述熔池几何形状。
AM过程之间的成本权衡包括竣工复杂性和所需的后处理复杂性。图11所示的趋势基于合金、工艺细节和零件几何形状等因素，不一定是线性的。
图11 基于零件体积和沉积速率的一般AM工艺成本趋势。所示趋势基于合金、工艺细节和零件几何形状等因素，不一定是线性的。
AM液体火箭发动机燃烧室的成本示例如图12所示。由于传统制造所需的工时、材料和多个过程的减少，成本完全被捕获。传统的制造工艺要求通过锻造操作生产铜合金坯料，然后对内衬进行多次机加工操作，开槽形成通道，最后进行组装操作，如电镀或钎焊，以封闭通道并形成结构护套。
图12 156 kN (35000 lbf)双金属燃烧室的成本比较(以2020年USD为基准)。
工业成熟度和工艺可用性
航空航天组织正在将金属AM注入其系统设计中（示例如图13所示），这是由于金属AM工艺的成熟和进一步竞争，以增加飞行频率和降低总体成本。由于早期的行业采用、飞行应用的标准开发以及所用材料的演变和特性，提高了技术准备水平（TRL），一些AM工艺比其他工艺更成熟。最常用的金属AM工艺是L-PBF，航空航天应用和机器可用性在公司和服务供应商中都有显著增长。商业航天和航空公司的几项飞行应用成功地证明了L-PBF，L-PBF的生产已被批准用于许多项目。
图13 在液体火箭发动机上测试以达到最低TRL 6的选定AM部件示例。
零件固结的主要好处是减少装配操作并最大限度地减少连接方法的使用，例如螺栓连接、焊接、钎焊、焊接和化学粘合方法。在生产过程中尽量减少这些制造方法的使用大大减少了对熟练劳动力的需求，从而降低了成本。通过AM技术使用零件整合，也减少了通过传统制造方法制造组件所需的工具。另一个优点是减少了需要认证和相关文档的组件数量。风险缓解是组件整合所固有的，因为制造过程中涉及的连接和流程更少。尽管AM认证过程仍然是一个严格的要求，并且正在各个组织中不断发展。
增材制造演示发动机液氧（LOX）涡轮泵定子。
传统制造技术的工具通常会延长制造组件的交货时间，并大大增加生产过程的成本。增材制造技术显著减少了制造组件所需的工具。这样做的好处是缩短了制造部件的交货时间，因为工具线通常需要数月甚至数年才能建立。这方面的一个例子是Pratt & Whitney定子叶片，与传统制造方法相比，它的交货时间缩短了15个月，同时叶片的质量减少了50%。增材制造机器的设计灵活性还允许工程师在一台机器上制造多个组件，有时在同一构建过程中。这使得工具和装配要求进一步降低，因为可以在一台机器上制造多个已经零件整合的组件。
后期处理
后处理是AM生命周期的关键步骤，以确保零件满足最终性能要求。后处理可以通过各种热处理改善微观结构，以满足最终用途，确保零件满足子系统或系统集成的公差，并修改几何特征以满足公差或集成。设计阶段应评估的一般后处理操作包括粉末去除、支架去除、构建板去除、热处理、检查、最终机加工、清洁、抛光或表面增强以及焊接或钎焊等连接。并非每个零件都需要所有的后处理操作，具体的后处理步骤取决于所使用的AM工艺和程序要求。LP-DED也需要进行粉末去除和验证，但程度较小，因为零件未包装在粉末中。
航空航天部件需要严格控制公差，大多数部件不能在竣工条件下使用。这通常是由于配合面含有高压气体、推进剂、燃料或其他流体。每种AM工艺都会根据沉积速率产生不同的表面纹理（粗糙度和波纹度），示例如图14所示。随着沉积速率的提高，需要更多的原料来适应外表面的波纹度。很明显，AW-DED具有更高的波纹度，需要更多的材料来确保进一步加工的完全清洁。
图14 比较各种金属AM工艺的竣工表面条件和波纹度。
AM工艺之间的另一个判别因素是收缩和产生的变形，如果没有适当的计划，会影响后处理，尤其是加工。由于快速加热和冷却造成的收缩，材料熔化的AM工艺可能需要额外的原料或特征考虑。这里讨论的固态工艺（CS、AFS-D、UAM）通常不会在构建过程中发生收缩，但在热处理过程中可能会发生收缩。如果在竣工（或接近最终形状）条件下使用，应考虑零件的表面状况。由于零件要求，还可能需要机加工或抛光来完成必要的NDE或NDT质量检查。AM的正确设计将迭代AM工艺选择，并应强调后处理以满足设计意图。
冶金和材料性能考虑
随着金属AM工艺迅速成熟，并被考虑用于航空航天部件设计和制造，必须提高对这些不同工艺的材料物理和冶金的理解。冶金和材料特性是选择金属AM工艺时需要考虑的重要属性。材料特性高度依赖于原料和工艺本身以及后处理，如热处理。冶金和所得材料性能有几个考虑因素。其中许多类别与其他类别相互关联，以供在AM工艺中选择合金时考虑。设计者的一些考虑因素包括原料、工艺参数、部件几何形状、不均匀性、潜在的工艺缺陷或缺陷、表面纹理和粗糙度、热应力和后处理热处理。
MiCloud.AMTM: 使用微结构信息学云计算进行金属增材制造资格鉴定的集成多尺度ICME方法。
应该注意的是，断裂关键飞机或发动机部件的材料异常表征需要基于代表全尺寸生产环境的材料特性、微观结构和材料缺陷特征的实际变化。如果不这样做，可能会导致类似于粉末冶金（PM）早期所经历的“经验教训”，当时发现PM涡轮盘中未检测到的非金属夹杂物是导致F-18飞机坠毁的断裂关键部件故障的原因。
当考虑到微结构缺陷对材料性能的影响时，它们同样重要。大多数都属于孔隙、未熔合或微裂纹的类别（参考文献335）。孔隙率被认为是一种固有缺陷，由于即使是受控AM工艺的固有性质而发生。孔隙始终存在，但固有缺陷的数量受到AM工艺执行细节（参数、硬件）、材料原料以及工艺开发和控制量的强烈影响。粉末床方法特别容易受到孔隙度的影响，通常是由于未优化的构建参数导致的低体积能量密度（参考文献336337338339）。球形粉末原料和紧密的粒度分布（PSD）有助于缓解这些问题，可能会影响作为粉末基AM标准实践的采用。
全球增材制造活动。
高热应力，尤其是那些涉及原料熔化的AM方法，会导致打印结构内的微裂纹。这在构建板和熔池之间的温差较大的高熔点合金以及在开裂之前无法承受显著残余应力的脆性合金中尤为突出。在冷喷涂中，应力积聚也很常见，其中高速粒子对构建表面的冲击会导致塑性变形，从而在材料沉积时对其进行加工硬化。预热构建平台和后处理热处理有助于缓解这些微观结构缺陷。然而，尽管热处理可以经常缓解热或机械残余应力，但严重的应力仍可能导致变形并导致部件超出公差条件。从传统烧结粉末冶金以及焊接领域中获得的经验教训为可能严重影响金属AM工艺的微观结构缺陷的起源和缓解提供了宝贵的见解。
金属的AM还可以导致独特的微观结构特征，这在传统的减材制造方法中并不常见，这些特征来自于通过铸造、锻造或轧制形成的原料。新沉积材料（在构建板或之前的层上）的有效“播种”晶体生长并不少见。这种层到层的平移导致柱状晶粒穿过构建层，产生独特的晶粒形态，如图15所示。结合这种晶粒形态，已在金属AM部件中观察到优选的晶体织构，从而驱动底层微观结构从随机取向的晶粒各向同性向各向异性方向转变。
图15 不同金属AM工艺的Inconel 625竣工微观结构，所有工艺的施工方向（Z）用箭头表示。
许多常见的航空合金，如Inconel 625、不锈钢316L和Ti-6V-4Al，都可以使用表1所示的所有AM工艺制造。图15显示了使用每种AM工艺制造的Inconel 635的显微照片。在构建过程中观察到各种残余物的竣工微观结构，而图16显示了625在应力消除、热等静压和固溶退火后的微观结构演变。
图16 根据AMS 7000，应力消除、HIP和固溶退火后的AM工艺中的铬镍铁合金625。
Inconel 625和Inconel 718形成了亚稳相的微妙平衡，以产生广泛的机械性能。图17显示了基于AMS 5663热处理的718的微观结构和机械性能的明显差异，这可归因于不同AM工艺固有的显著不同的晶粒尺寸和形态。在锻造718中，这些相可以通过熔化和坯料锻造过程来调节。与AM工艺相比，这些相可能从原料（尤其是线材）中携带，但相的发展主要由原料熔化时输入的能量和先前沉积的材料吸收的过量能量驱动。在图18中，很明显，随着激光功率（和光斑尺寸）的增加，Inconel 625 LP-DED中的晶粒尺寸和形状变得不一致。这可能归因于熔化区域的物理特性，因为随着激光功率的增加，熔化区域冷却，局部热量增加，局部冻结时间也增加。当基于AMS7000进行完全应力消除、热等静压和固溶退火时，也会产生较大的晶粒尺寸（如图18的底部图像所示）。这种现象加剧了金属AM部件的各向异性。
图17 选择AM工艺（L-PBF、LP-DED、AW-DED）的Inconel 718拉伸性能与使用AMS 5663热处理的锻造相比的比较。
图 18 对Inconel 625 LP-DED的不同光斑尺寸和功率参数进行了比较，显示了竣工和应力消除、热等静压、固溶退火后（根据ASM 7000）。所有图像的构建方向都用箭头表示.
后处理改善了AM零件的物理和冶金性能。典型的后处理路径是热处理，以减少AM工艺产生的残余应力（也称为应力消除），然后是HIP处理，最后是固溶和时效工艺（取决于合金和设计要求）。均匀化步骤可以在相似的温度和时间下代替热等静压步骤，尽管热等静压有助于减轻任何孔隙度。
AM航空航天部件的性能
根据所讨论的属性进行选择，成功实施AM可以并且应该导致性能提高，无论是技术性的（例如，质量降低、燃料效率高等）还是程序性的（如成本、进度、可靠性等）。技术性能可以是工程学科（如机械、传热、流体动力学、电磁和其他具有新设计自由度的学科）功能增益的结果。
尽管AM在航空航天应用中的迅速成熟和工业化，但对于每一个部件，通常都有独特的经验教训，以及合格和生产的正确途径。虽然讨论了AM的生命周期和属性，但其中一些具体细节并未涵盖。使用AM工艺生产的第一部分的性能可能并不总是满足预期要求。在设计阶段的早期，应仔细检查每个过程生命周期步骤的许多细微差别，以了解风险、潜在的缓解步骤或修复措施，以确保受控和可重复的过程进入持续生产。可以考虑的AM过程生命周期细节示例如图19所示。这些输入中的每一个都会对最终使用性能产生影响。人们认识到，这些步骤和输入并不完全包容，也不可能涵盖每个AM工艺的所有方面，特别是工艺硬件、参数和原料考虑因素。
图19 可能影响性能的详细生命周期AM流程步骤注意事项。
结论
金属AM在航空航天领域的应用越来越普及，技术制造能力不断提高。随着可用的AM流程列表的增加，交易空间将以指数形式变得更加复杂。由于航空航天部件的安全性、可靠性和可重复性的迫切需求，必须全面考虑AM工艺生命周期是至关重要的。还必须理解，AM过程选择是一个集成的迭代活动。本文深入了解AM生命周期的各个阶段（例如，设计、AM处理、后期处理和部分服务），并为设计师分析和向下选择适当的AM流程提供基础。本文讨论的AM工艺类型包括粉末床聚变（PBF）、定向能沉积（DED）和固态工艺。具体的工艺包括激光PBF（L-PBF）、电子束PBF（EB-PBF）、激光粉末DED（LP-DED）、激光丝DED（LW-DED）、电弧丝DED、电子束丝DED，冷喷涂（CS）、增材摩擦搅拌沉积（AFS-D）和超声波增材制造（UAM）。这些AM过程中的每一个都已成熟到航空航天部件的最低技术准备水平（TRL）至少为6，其中许多用于现役运载火箭、商用飞机和军用飞机。
粉末床熔合AM技术制造的零件/组件示例。
AM生命周期的许多因素相互交织，但可能在各自的周期阶段首次出现。在设计阶段，必须考虑构建因素和供应链。组件考虑因素包括零件尺寸、复杂性、特征分辨率、构建速率、原料、多元合金、工艺经济性和成熟度。常用和可用的金属和合金是镍和铁合金、钛合金、铝合金、不锈钢和钴合金。也使用耐火金属。每种AM工艺对于使用每种合金族和类型都有独特的优点和缺点，原料的可用性也各不相同。
部件性能要求关注每个生命周期步骤，以生产符合冶金和设计要求的零件。AM工艺步骤将对零件性能产生相当大的影响，从微观结构差异（影响材料或机械性能）到宏观结构特征（改变表面粗糙度和波纹度，影响几何公差等）。每种AM工艺都有其独特的优点和缺点。AM过程最终是相互补充的，具有基于零件要求的独特性。许多过程可用于整个系统组件。无论选择哪种AM工艺，它都必须是明确定义的、可重复的，并产生高质量的冶金和特征。
NASA代表机构和主承包商增材制造活动。
虽然AM工艺包含的内容远远超过了一份手稿中记载的内容，但至关重要的是，未来的工作将继续推进冶金现象的基本特征和AM工艺参数的影响，提取和传播学术和工业成果，分析AM工艺成熟时的利弊，并最终为航空航天环境的商业领域应用提供整体视图。正是教学性学术研究、应用研究和工业应用的结合，引领并将继续引领增材制造领域改变游戏规则的技术突破。
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
| 
京公网安备11010802043351