現(xiàn)代飛行器正朝著高性能、長壽命、高可靠、低成本的方向不斷發(fā)展。輕量化、整體化、結(jié)構(gòu)功能一體化以及低成本運行成為飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料應(yīng)用和制造技術(shù)共同面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。增材制造(Additive Manufacturing)作為一種周期短、工序少、低成本、凈成型的技術(shù)，其成型構(gòu)件力學性能優(yōu)良，是飛機和發(fā)動機結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的一個發(fā)展方向，具有重大的科研價值和經(jīng)濟效益。

　　增材制造是基于離散—堆積原理，采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術(shù)。其優(yōu)勢體現(xiàn)在：傳統(tǒng)方法難以制造的高復雜度產(chǎn)品;傳統(tǒng)制造缺乏經(jīng)濟性和快速反應(yīng)能力的極小批量制造。因此，目前最適用于增材制造的領(lǐng)域主要包括航空航天(高復雜度結(jié)構(gòu)、極小批量)、醫(yī)療(生物特征、個性化需求)、工業(yè)品的原型制作(極小批量、對導入快速性要求高)、模具(極小批量、提升新品開發(fā)速度)。美國專門從事增材制造技術(shù)咨詢服務(wù)的Wohlers協(xié)會2013年度報告顯示，航空航天領(lǐng)域占據(jù)增材制造技術(shù)應(yīng)用的10.2%.

　　電子束選區(qū)熔化技術(shù)簡介

　　電子束選區(qū)熔化(Electron Beam Melting，EBM)技術(shù)是增材制造技術(shù)的主要方向之一。目前世界上僅有瑞典的Arcam AB公司可提供商業(yè)化設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其工作原理是：取粉器鋪放一層預設(shè)厚度的粉沫(通常為30~70微米);電子束按照CAD文件規(guī)劃的路徑掃描并熔化粉末材料;掃描完成后成型臺下降，鋪粉器重新鋪放新一層粉沫。這個逐層鋪粉—熔化的過程反復進行直到零件成型完畢。EBM技術(shù)的主要特點有：近凈成型，尺寸精度達到+0.2mm;可制造形狀復雜的零件，如空腔、網(wǎng)格結(jié)構(gòu);成型在真空環(huán)境中進行，避免了材料氧化;成型環(huán)境溫度高(700℃以上)，零件殘余應(yīng)力小;表面質(zhì)量較高，粗糙度Ra 25~35;成型效率較高，達到55~80 cm3/hr;成型過后的剩余粉末可以回收再利用;成型腔尺寸受限制，目前最大尺寸為￠350 ×380 mm;成型過程中鋁元素含量有損失，需通過調(diào)節(jié)粉末成分彌補;成型材料顯微組織與力學性能具有各向異性。

　　EBM技術(shù)采用金屬粉末為原材料，其應(yīng)用范圍相當廣泛，尤其在難熔、難加工材料方面有突出用途，包括鈦合金、鈦基金屬間化合物、不銹鋼、鈷鉻合金、鎳合金等，其制品能實現(xiàn)高度復雜性并達到較高的力學性能。此技術(shù)可用于航空飛行器及發(fā)動機多聯(lián)葉片、機匣、散熱器、支座、吊耳等結(jié)構(gòu)的制造。

　　國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)是最早開展EBM成型技術(shù)研究的機構(gòu)之一，從2010年開始就與洛克希德·馬丁公司開展合作，研究領(lǐng)域主要集中在鈦合金以及鎳合金等高附加價值材料上。這些材料難以加工，采用EBM成型可提高材料利用率，降低成本。項目選擇的零件之一是F-35的空氣泄漏檢測支架(Bleed Air Leak Detect， BALD)，為Ti-6Al-4V材料，靠近發(fā)動機的高溫部分。BALD被定義為輕載荷的三級結(jié)構(gòu)，因此裝機應(yīng)用的認證過程相對容易。

　　對于采用新技術(shù)制造的航空結(jié)構(gòu)件來說，最重要的是力學性能的穩(wěn)定性和一致性。此項目評價了EBM成型的多個Ti-6Al-4V合金B(yǎng)ALD零件的力學性能，結(jié)果顯示材料的平均抗拉強度為952+25MPa，延伸率為14.4±2.2%，滿足ASTM標準要求;成型零件氧元素含量(0.17%)也符合標準。BALD屬于薄壁結(jié)構(gòu)，如果采用傳統(tǒng)的機械加工方法，材料利用率只有3%;而采用EBM技術(shù)，材料利用率接近100%。成本分析顯示EBM技術(shù)生產(chǎn)的BALD零件的成本(包括熱等靜壓與表面處理)相比傳統(tǒng)方法降低了50%。

　　GE-Avio公司在EBM成型技術(shù)方面也處于國際領(lǐng)先地位。EBM成型的鈦合金除油器(Deoiler)部件已經(jīng)通過飛行測試，這種蜂窩結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)制造方法難以實現(xiàn)的。此外，該公司首次將EBM技術(shù)應(yīng)用到鈦基金屬間化合物零件的制造上，以代替原有的鑄造成型技術(shù)。目前，TiAl發(fā)動機低壓渦輪葉片已經(jīng)進入工廠測試階段。

　　近年來，國內(nèi)相關(guān)單位也關(guān)注EBM成型技術(shù)發(fā)展。中航工業(yè)制造所增材制造專業(yè)是高能束流加工技術(shù)重點實驗室的主要研究方向。2007年以來，在航空支撐及預研基金等項目支持下，中航工業(yè)制造所開發(fā)了電子束掃描技術(shù)、精密鋪粉技術(shù)、成型控制技術(shù)等裝備核心技術(shù)。中航工業(yè)制造所針對航空應(yīng)用開展了鈦合金、TiAl金屬間化合物的大量研究，重點研究了成型工藝控制、材料顯微組織及力學性能的關(guān)系，使Ti-6Al-4V合金的性能達到國際先進水平，并成型了多個飛機和發(fā)動機結(jié)構(gòu)工藝試驗件.

   　電子束選區(qū)熔化技術(shù)發(fā)展趨勢

　　電子束選區(qū)熔化技術(shù)展示了制造復雜結(jié)構(gòu)的能力，必將成為傳統(tǒng)制造技術(shù)的重要補充。為促進此項技術(shù)發(fā)展，未來需要關(guān)注以下幾點：

　　(1) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　EBM成型技術(shù)幾乎不受零件復雜性的限制，那么在設(shè)計零件階段可以通過有限元等方法充分優(yōu)化結(jié)構(gòu)而無需考慮零件的可加工性，達到最大的減重增效目的，從“為了制造而設(shè)計”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;為了功能而設(shè)計”。

　　(2) 質(zhì)量認證

　　增材制造零件的質(zhì)量認證是此項技術(shù)在航空領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。首先，對于原材料粉末質(zhì)量要嚴格控制。其次，由于零件成型耗時較長且容易出現(xiàn)缺陷，對于制造過程的監(jiān)控極其重要。第三，由于零件是近凈成型，對每一種材料都必須建立成型參數(shù)(功率、掃描速度、掃描路徑等)與材料組織性能的關(guān)系與模型，從而優(yōu)化成型過程，降低缺陷率。第四，近凈成型的零件對于無損檢測技術(shù)也提出了更高的要求。

　　(3) 回歸理性

　　媒體對增材制造的大量宣傳帶來了各界對此項技術(shù)的關(guān)注，客觀上推動了增材制造技術(shù)的發(fā)展。航空金屬結(jié)構(gòu)件對力學性能的穩(wěn)定性和一致性有著很高的要求，目前增材制造技術(shù)在這兩方面還有很長的路要走。隨著研究的深入，增材制造技術(shù)的成熟度也將隨之提高，在航空領(lǐng)域的應(yīng)用也將越來越廣泛。