航空零件增材制造的形状与性能控制研究进展

来源：长三角G60激光联盟

河南理工大学的科研人员综述报道了增材制造中航空零部件的形状与性能控制研究进展。相关论文以“Development on shape and performance control of aeronautical parts in additive manufacturing”为题发表在《Journal of Manufacturing Processes》上。

随着航空发动机性能要求的持续提升，零件结构日趋复杂，服役性能可靠性需求日益严格。增材制造过程中强烈的热-凝固-力学耦合效应使得航空航天领域难以建立可靠的形状精度与性能控制方法。现有研究大多针对形状精度或力学性能单一目标进行优化。为把握形状精度与性能控制的发展趋势，本文系统综述了缺陷形成机理、预测补偿方法、工艺控制、辅助加工技术、应用效果及热处理等方面的研究进展。形状与表面缺陷主要源于设计方法不当、熔池不稳定及制造过程中的高冷却速率，而力学性能缺陷则主要由制造过程中形成的特殊微观结构和内部缺陷导致。制造前主要通过数值模拟和预热技术对形状缺陷进行预测补偿；加工阶段通过控制关键工艺参数确保热输入恒定和熔池稳定；辅助技术与后处理是优化表面质量和微观结构以提升形状精度与性能的重要手段。本文总结了当前形状与性能协同控制的不足及未来挑战，为增材制造形状精度与性能控制的深入研究奠定基础。

图1金属增材制造研究热点

图2航空航天领域金属增材制造发展

图3增材制造的制造过程、典型微观结构、形状/表面缺陷与性能表现

图4增材制造工艺流程、加工方法及市场份额示意图

图5蜂窝状微观结构的形成过程

图6增材制造中的形态缺陷及其对性能的影响

图7增材制造件的力学性能及其影响因素

图8几何变形的产生机理

图9残余应力的形成机制

图10表面粗糙度的生成机理

图11变形补偿方法流程图

图12不同能量输入下悬垂面的表面质量对比

图13增减材复合制造工艺

图14增材制造件的拉伸断裂机理

图15疲劳裂纹扩展机制

图16热处理后增材制造件的微观结构与力学性能

图17辅助加工方法分类及其效果

图18超声辅助增材制造效果

图19超声振动辅助铣削效果

本文探讨了增材制造零件形状与性能缺陷的形成机制，综述了现有形状精度与性能优化方法，得出以下结论：

1.形状精度与性能缺陷的成因包括增材制造设计特性、加工过程中能量输入变化导致的熔池不稳定、能量输入不足/过量以及熔体动态现象。加工控制的本质是通过调控能量输入优化热历史，从而获得更好的表面质量和微观结构。  

2.现有控制措施主要针对加工过程和后处理阶段，关于设计方法、设备参数等因素对缺陷影响的研究表明，这些因素对形状精度和性能缺陷具有重要影响。  

3.预热技术可降低热梯度、优化残余应力、平衡凝固过程并提高形状精度，但对力学性能改善效果有限。  

4.复合制造技术能提高工件致密度、调控微观结构并保证尺寸精度。当增材制造与辅助技术结合时，耦合效应会引发复杂问题，其耦合机制及对形状精度与性能的提升机理尚不明确。  

5.当前增材制造件的热处理方法多沿用传统工艺，尚未形成针对增材制造微观结构和内部缺陷特性的热处理体系。  

6.通过热处理与复合制造技术结合可提升力学性能：热处理能减少孔隙、优化微观结构；表面处理技术可改善表面质量。  

7.现有研究多针对单一性能或单因素优化，缺乏全过程控制系统。  

8.超声辅助增材制造可细化晶粒并减少结构缺陷；超声辅助铣削能提高尺寸精度、细化表面晶粒并改善近表面孔隙缺陷。鉴于形状与性能的协同控制尚未形成体系，这可能是实现两者协同优化的一种有效方法。

形状精度与性能控制是确保金属增材制造冶金质量与一致性、实现高品质制造的重要保障。基于增材制造近数十年的发展趋势，未来研究将围绕工具、技术与方法三个维度，在形状精度与性能控制基础理论的突破、形状精度与性能控制基础方法的创新、形状精度与性能控制装置的增效集成设计等不断突破，在形状精度与性能控制领域展开深入探索。


论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2025.03.015