中国航天制造技术研究院单飞虎：金属增材制造技术在航空领域的应用与发展

2019年9月19-21日，IAME中国（西安）国际3D打印博览会暨高峰论坛将在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技创新的开放合作共享交流平台，汇聚全球顶尖的增材制造（3D打印）领域成果及人才，促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体，到西安现场全程报道。

在2019IAME中国（西安）国际3D打印博览会暨高峰论坛上，南极熊注意到2019年9月 20 日“增材制造技术与航空航天论坛”，中国航天制造技术研究院单飞虎做了主题是《金属增材制造技术在航空领域的应用与发展》的报告。

下面是南极熊根据现场速记整理的内容：

金属增材制造技术在航空领域的应用与发展
增材制造技术的概况。

增材制造技术最早是美国引领，国外专利技术的一些开放，使中国的技术得到了发展的机会。我们在航空中在飞机的更新换代，现在呈现着多产品并行研究的态势，小批量、多批次、常态化增材制造应用比较明显。针对战斗机、轰炸机等等，增材制造技术高温合金、钛合金等损伤零部件的快速修复，适应未来战争的快速反映，以及高附加值零件的再制造，这是增材制造应该走的方向。航空发动机的应用，钛镁合金是个重要方向。

对承力构件，例如飞机的骨架，有熔丝、激光送粉等等，我们都有应用。下面从粉材、丝材、热源不同种类，最后到用户等等。接下来介绍五种主要的技术。

铺粉技术，粉末床成型的，散热性、刚性非常好，满足轻量化的制造需求。

涡轮叶片，更适合于流道更复杂。大型框量结构，我们成型的有铝合金、高温合金、合金钢的等等。

我们现在主要做混合制造，混合制造有一个官方的报告，一个混合制造件装在波音787上，是很典型的案例。混合制造是以增材制造技术为核心，通过多种工艺组合的方式，满足功能的前提下提高效率、降低成本。混合制造有一个基板就可以作为其中的一部分，现在做得比较多的，就是电弧熔丝。限制熔丝技术的因素是真空室的大小，如果成本低、资金足够，就可以建大的真空室，成型的构件就会更大。

我们现在和601联合做对耳片的修复，如果不采用混合制造的方法，单纯做出来成本可能会非常、非常高。我们激光修复、激光同轴送粉的叶片的修复，可能会给叶片带来第二次生命。激光束、电弧束的技术对比，都可以做大构件，但是堆积成本、原材料的成本方面都有很大的区别，电弧成本比较低、效率比较高，它经过热冷挤压以后，内部的孔洞很少。

激光束和电子束铺粉，激光的铺粉可能对粉粒要求更细一点，电子束成本并不比激光要低。

下面集中讲一下制造业增材制造的发展情况。

依托高能束流加工技术国防科技重点实验室，以具有自主知识产权的专用材料、专用装备、制造工艺关键技术为核心，针对航空航天钛合金、高强钢等大型、复杂精密部件进行研发，我们从1990年开始做。

对于电子束熔丝方面，市场上用得比较多的是美国的NASA，美国的SCIAKY，还有一个是我们中国航天制造技术研究院。这是我们做的三个产品，这个是在十二五期间就已经做出来的产品，这个产品没有装机，但是已经可以体现出一个能力的验证。

我们进行力学解剖试验的时候，整体力学的性能优于锻件。这个是我们做的另外一些零部件，用电子束熔丝做出来的，有一些部分在地面试测阶段了，在性能方面我们做了TC4、TC18等系列材料工艺体系，综合性能与锻件实测相当，基本上达到了与锻件相当，基本上895左右，还有抗疲劳性能，通过多组的试验之后，TC4-DT三项基本上可以达到均衡的一个状态。

突破的关键技术，是突破尺寸精度控制关键技术，如果精度控制不够，成型件的质量是不能满足的。形成了针对不同材料及结构的工艺，丝材其实是成为构件的母材，我们的元素比较多，元素是要经过一些补偿的，这是我们的路径化规划，这个是激光选区熔化的一个格栅件，一个也比较常见，这是选区熔化的优点，大家都知道了。我们做钛合金比较多一些，我们突破了铝合金格栅激光选区熔化成型制造工艺，研制出直升机换气格栅件并装机应用。

这是点阵的结构和夹心结构，这个是相对容易一些，是一些常规构件，我们现在做的时候，提出了“等应力”的设计，大家做过就知道，在不同的状态下变形开裂是非常常见的问题，我们还加了各种支撑，支撑加的方向、多少、布局合理不合理，这些问题都非常关键，现在我们在研究“等应力”的设计，软件可根据所受载荷条件自动生成各截面应力均衡的结构，无应力集中或者少应力集中，但结构比较复杂，所以，我们在增材制造中是通过不断的优化，目前我们已经做到了，基本上变形量也就在十几个微米左右，已经达到了很好的控制了，这是结合模拟实现的一个小闭环、初级闭环状态。

我们后期通过前期的对比，把点阵结构又重新做了一遍，发现变形真的比较小一点，这是我们的打印的性能，特别是TC4性能达到了跟锻件相当的状态，这是电子束选区熔化做的，我们做得比较好的就是叶片，它的延伸率是非常低的，通过增材制造延伸率在常温下可以达到二点几，这个是一个巨大的突破，我们现在做的这个工作，就是使它的延伸率更加保持稳定，可以做到批产更好，现在在攻克这个难关，现在做了上百件产品都是比较稳定，后面有装机的应用。

这个是修复技术，大家都讲的比较多一点，必要性我就不说了，它是非常非常有作用，但是难度也是非常大，刑总说堆的时候是一个数学问题，他说得非常对，你是如何过渡，母材如何连接，这就是程序控制的底层的数学问题，当然有材料的问题，但是最后的控制是数学底层的问题，这是一个界面问题，这个需要后期做大量的工作，才能把这个东西做得更稳定，修复做得更完善，这是我们做了几个增厚的方法，实测也比较好，我们跟商飞合作做项目，给他们提供产品的修复零件，通过做疲劳试验，疲劳极限可以达到锻件的95%，而且它的寿命也是比较好的，所以，达到了我们修复的目的。

其实，前面讲的那一部分混合制造，还有修复，以及我们的等应力成型的方法，最后归结到用这个模型，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，最后我们使它挖一块，然后使里面的金属尽可能的和断面多接触，相当于面积增大，达到修复的效果，同时叶盘也是这个思想。

我们除了做这个工艺，我们还做大功率逆变电源、电子枪、增材制造监控装置、增材制造的处理软件，我们有一个制造中心，大概有500多人，从机床到大家想到的市面上的床子基本上都可以做，我们这些东西都是他们做出来的。

这是我们目前在用的，已经做出来的一个800×450×700的设备，这个已经可以打成型零件，还有我们的电子束熔丝设备，这个我就不说了。

我们做了很久发现我们还是有很多不足，理论上面归结为以下的五条。

• 第一，在理论上面主要是我们研究机理并不是，包括我们现在看到的文章不是那么深入，有一些东西不是拿来就可以用。
• 第二，关键共性技术研究不够，这是现在增材制造的共性。
• 第三，材料研究技术薄弱，我们做的时候，有时候我们性能达不到要求，如果用材料到老外打的时候他们也达不到，但是他们的材料进我们机器打，就可以达到，这个证明材料是非常关键的，我们研究的材料是联合开发材料。
• 第四，是整体装备和工业先进水平低，我们装备做的比较差一点，还是有待于改进。
• 第五，核心元器件还是以来进口，稳定性还是不足。
  

技术全过程系统深入研究，技术支撑，开展增材制造设计、材料、工艺、装备、质量检测、考核评价，应用等全过程技术研究，现在缺的材料就是检测，现在我们院也建立了自己的标准体系，大家看看这个是比较全的，做得比较久一些，所以沉淀下来一些东西。

接下来就是成果的孵化，因为我们现在做的有一些东西是非常突出的，需要一个成果孵化基地，所以，想着的是联系现在的大数据做一个孵化基地。

最后，就是我们需要进一步解决的问题，就是产品的一致性、稳定性、可靠性还需要进一步验证和提高，拓展可加工材料范围，目前有一些材料我们打不出来，或者打出来性能不达标，还有性能评估，如何评估也是亟待解决的问题，评估首先得检测，刚才GE的工程师说的检测，可能是检测一些不是特别大的，有一些大构件放都放不进去，这正如王老师说的逐渐达到不可检的状态，检测是我们的共性问题。

第四就是高端增材制造装备的国产化，核心装备是进口的，软件、硬件需要国产化。

第五，金属增材制造的缺陷控制及组织性能控制是国内外公认的难点，成熟的材料工艺体系还不多，还有大量问题需要解决。

第六，激光、电子束、电弧直接沉积大型金属结构技术在尺寸精度和表面质量进一步要改善，包括大家看到表面挺光滑，但是这个量比较大，成型精度直接决定了我们的质量，可能稍微弯一点点，这个件就浪费掉了。

第七，就是增材制造与锻造、焊接技术等联合的混合制造，有利于高效成型和降低成本，是未来开发的成本，在锻件上直接成型达到混合成型，使一些不太复杂的件焊上就行，我们的锻件，我们增材完和锻造的，虽然是同一个成分，但是精度参数、热力条件是不太一样的，如果我们直接做，直接焊或者直接什么都有问题，这个也需要研究的。

我的汇报就到这里，谢谢大家！