航空装备激光增材制造技术发展及路线图_王天元.pdf

航空装备激光增材制造技术发展及路线图王天元1,2,3,黄帅1,2,3,周标1,2,3,郑涛1,2,3,张国栋1,2,3,郭绍庆1,2,3*（1中国航发北京航空材料研究院,北京100095；2中国航发集团增材制造技术创新中心,北京100095；3北京市航空发动机先进焊接工程技术研究中心,北京100095）摘要：激光增材制造支持结构设计创新、快速研制和验证，是当前航空装备领域最具代表性的增材制造方法，其中激光选区熔化主要应用于复杂精密功能结构的精确近净成形制造，激光直接沉积主要用于大尺寸复杂承载结构的制造。为支撑航空领域增材制造技术发展的战略布局，本文对激光增材制造现状和发展趋势进行梳理，指出增材制造发展重点必然会转向产品的冶金质量、力学性能及其稳定性控制方面，增材制造设备的在线监测、参数自整定控制等智能化功能的研究开发正成为设备的研发热点，基于损伤失效分析、寿命预测研究的增材制件力学行为研究以及基于元件、特征结构的性能考核验证技术，开始引起工程应用部门的关注。在对技术发展趋势分析的基础上，提出 2035 年航空领域激光增材制造技术发展目标和相应的政策和环境支撑、保障需求，并给出 2035 年技术发展路线图建议。关键词：激光增材制造；金属材料；飞机；航空发动机；发展路线图doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000210中图分类号：TG665文献标识码：A文章编号：1005-5053(2023)01-0001-17Development and roadmap of laser additive manufacturing technology foraviation equipmentWANGTianyuan1,2,3,HUANGShuai1,2,3,ZHOUBiao1,2,3,ZHENGTao1,2,3,ZHANGGuodong1,2,3,GUOShaoqing1,2,3*（1.AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China；2.AECC Innovation Center of AdditiveManufacturingTechnology,Beijing100095,China；3.BeijingResearchCenterofAdvancedWeldingEngineeringTechnologyforAeroengine,Beijing100095,China）Abstract:Asthemostrepresentativeadditivemanufacturingmethodinthefieldofaviationequipmentatpresent,thelaseradditivemanufacturingsupportsthestructuredesigninnovation,rapiddevelopmentandverification.Amongthem,selectivelasermeltingismainlyusedforprecisionnearnetshapemanufacturingofcomplexprecisefunctionalstructures,andlaserdirectmetaldepositionismainlyusedformanufacturinglargeandcomplexload-bearingstructures.Inordertosupportthestrategiclayoutofthedevelopmentofadditivemanufacturingtechnologyintheaviationfield,thispapersortsthecurrentsituationanddevelopmenttrendoflaseradditivemanufacturing,andpointsoutthatthefocusofadditivemanufacturingdevelopmentisboundtoturntothemetallurgicalquality,mechanicalpropertiesandtheirstabilitycontrolofproducts.Theresearchanddevelopmentofintelligentfunctionssuchasonlinemonitoring,parameterself-tuningcontrolofadditivemanufacturingequipmentarebecomingaresearchhotspot.Eithertheresearchonmechanicalbehaviorofadditivepartsbasedondamagefailureanalysisandlifepredictionortheperformanceevaluationandverificationtechnologybasedoncomponentsandcharacteristicstructureshavebeguntoattracttheattentionofengineeringapplication departments.Based on the analysis of the technology development trend,the development goal of laser additivemanufacturingtechnologyintheaviationfieldin2035andthecorrespondingpolicyandenvironmentalsupportandguaranteeneedsareproposed,andthetechnicaldevelopmentroadmapin2035isputforward.In2025-2035,thecontroltechnologyofmicrostructure,2023年第43卷航空材料学报2023，Vol.43第1期第117页JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSNo.1pp.117propertyanddeformationforadditivemanufacturingofordinarymetal,intermetalliccompound,Nb-Siandceramicbasedmaterialistobemadeacomprehensivebreakthrough,theperformanceverificationistobebasicallycompleted,thefunctionalassessmenthasbeenpartiallycompleted,andsomeproductsaretobeenteredmassproduction.Importantload-bearingstructuresofaircraftandrotatingpartsofaeroenginemadebyadditivemanufacturingaretobewidelyused.Key words:laseradditivemanufacturing；metalmaterials；aircraft；aeroengine；developmentroadmap增材制造从三维模型出发实现零件的直接近净成形制造。相比传统的减材制造，增材制造将多维制造变成简单的由下而上的二维叠加，降低了设计与制造的复杂程度。航空装备领域目前涉及的增材制造主要是金属材料增材制造，已发展出激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造三类增材制造技术。激光增材制造是当前航空装备领域最具代表性的增材制造方法，主要包括以粉床铺粉为技术特征的激光选区熔化和以同步送粉为技术特征的激光直接沉积1。激光选区熔化工艺热输入小、成形尺寸精度高，适合制造航空发动机喷嘴、涡流器等复杂结构零件以及拓扑点阵等新型结构；激光直接沉积工艺效率较高、力学性能较好，但制造精度不高，适合制造飞机框梁等重要承力结构。由于国内外对激光增材制造技术非常重视，其技术发展迅速，陆续应用于飞机和航空发动机的制造，并且呈现出快速增长的趋势2-3。为了更好地把握增材制造的发展现状和趋势，提前做好航空领域增材制造技术发展的战略布局，推进增材制造在航空领域的发展与应用，本文针对激光增材制造最近几年的发展，开展文献、资料、信息的搜集、整理、分析。在对增材制造现状和发展趋势分析的基础上，提出 2035 年航空领域增材制造技术发展目标和相应的政策和环境支撑、保障需求，并尝试给出 2035 年技术发展路线图建议。1 激光增材制造的工艺原理及特点激光选区熔化（SLM）基于分层叠加制造原理，利用高能量激光束逐层熔化金属粉末成形复杂结构金属零件4。图 1 为激光选区熔化示意图。SLM在已有的 3D 模型切片数据的轮廓数据基础上，生成填充扫描路径，设备按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。Scanning systemLaser beamProtective glassesShielding gasShielding gasPowder spreading systemBuild chamberPowder feeding systemSLM partsLoose powderSubstratePiston图1激光选区熔化（SLM）示意图Fig.1Schematicdiagramofselectivelasermelting（SLM）激光选区熔化技术具有以下特点：（1）成形原料一般为一种金属粉末，主要包括不锈钢、镍基高温合金、钛合金、钴-铬合金、铝合金以及贵重金属等；（2）采用细微聚焦光斑的激光束成形金属零件，成形的零件精度较高，表面稍经打磨、喷砂等简单后处理即可达到使用精度要求；（3）成形零件的力学性能较好，一般拉伸性能可超铸件，达到锻件水平；（4）高向沉积速度较慢，导致成形效率较低，零件尺寸会受到铺粉工作箱的限制，不适合制造大型的整体零件。激光选区熔化的局限性主要表现在：（1）由于激光器功率和扫描振镜偏转角度的限制，设备能够2航空材料学报第43卷成形的零件尺寸范围有限，目前整体制造 800mm以上尺寸零件的设备不够成熟；（2）加工过程中，容易出现翘曲，还容易因粉末熔化后不能均匀地铺展于前一层发生球化现象；（3）成形体结构密度控制效果不好，难以承受高载荷的结构效应。激光直接沉积工艺如图 2 所示。激光从熔覆头顶部沿轴线方向向下射出，经聚焦镜汇聚在粉末聚焦点附近，将同步出射的粉末熔化；同时，熔覆头或工作台按每层图形的扫描轨迹移动，熔化的金属液就在基体或上一层凝固层基础上完成一层实体的成形；计算机继续调入下一层图形扫描数据，重复上述动作，如此逐层堆积，最终成形出一个具有完全冶金结合的金属零件4。激光直接沉积技术具有以下特点：（1）无需模具，可实现复杂结构的制造，但悬臂结构需要添加相应的支撑结构；（2）成形尺寸受限制小，可实现大尺寸零件的制造；（3）可实现不同材料的混合加工与梯度材料制造；（4）可对损伤零件实现快速修复；（5）成形组织均匀，具有良好的力学性能，可实现定向组织的制造。激光直接沉积技术的局限性主要表现为：（1）成形时热应力较大；（2）成形精度不高；（3）所得金属零件尺寸精度和表面粗糙度都较差，需较多的机械加工后处理才能使用。目前激光选区熔化主要应用于小尺寸或中等尺寸复杂精密结构的精确近净成形增材制造，结构的功能属性一般大于承载属性。激光直接沉积主要用于中等或大尺寸复杂承力结构的增材制造，结构的承载属性一般大于功能属性。2国外激光增材制造技术发展现状和趋势 2.1 工艺研究2.1.1激光选区熔化激光选区熔化对粉体材料的要求为：尺寸在1560m 的金属颗粒群，并尽可能同时满足纯度高、少或无空心、卫星粉少、粒度分布窄、球形度高、氧含量低、流动性好和松装密度高等要求。通过近 30 年的发展，国外成功采用真空感应气雾化法（VIGA 法）、无坩埚电极感应熔化气体雾化法（EIGA 法）、等离子旋转雾化法（PREP 法）以及等离子火炬法（PA 法）等制备 SLM 增材制造专用粉体材料，已经具备成熟稳定的批量供货能力，并垄断了全球大部分 SLM 增材制造专用粉体材料市场。在成形工艺研究方面，波音、洛克希德-马丁、诺斯罗普-格鲁曼、通用动力、GE、霍尼韦尔、派克-汉尼汾等公司已利用激光选区熔化技术开发出商业化的金属零部件。在 SLM 成形过程中伴随着复杂的物理、化学、冶金等过程，容易产生球化、孔隙、裂纹等缺陷。白俄罗斯科学院研究了金属粉末球化形成的具体过程，指出球化主要会形成碟形、杯形、球形 3 种典型的形状，并分析了各自形成的机理5。德国鲁尔大学研究了不锈钢粉末激光选区熔化成形的相对密度与工艺参数的关系，发现高的激光功率有利于成形出高密度的金属零件，低的扫描速率有利于扫描线的连续，促进致密化6。英国利兹大学对不锈钢和工具钢合金粉末进行了 SLM 研究，分析了扫Rotating mirrorLaserPyrometerInert gasInfrared cameraFocusing surfaceMelting poolDeposited metalFixed base plateDeposition headCamera lensPowder feeding nozzleNozzle bushingPowder flowFocused laser beam图2激光直接沉积成形原理Fig.2Principleoflaserdirectmetaldeposition第1期航空装备激光增材制造技术发展及路线图3描速率、激光功率和扫描间隔对成形件质量的影响7。国外对增材制造工艺研究非常细致，例如，德国某设备商为开发一种新粉末（可用粒度为 2060m）的激光选区熔化工艺，往往需要 68 个月的工艺摸索，涉及的参数多达 70 余项。国外已将拓扑优化设计与轻量化技术应用于SLM 增材制造，实现了由“制造引导设计、制造性优先设计、经验设计”的传统设计理念向“设计引导制造、功能性优先设计、拓扑优化设计”的增材制造设计理念转变。支撑设计方面，国外已经应用无需线切割即能分离打印件与基板的特殊支撑设计技术，大大缩短了取件周期。在后续热处理技术方面，2002 年美国汽车工程师协会发布了第 1 个增材制造技术标准退火 Ti-6Al-4V 钛合金激光沉积产品，至今已陆续颁布了 19 项标准。这些标准涵盖了产品的退火和热等静压、消除应力退火以及退火或热等静压后的时效制度，反映国外已经在控制内部缺陷、消除残余应力、减少变形等方面开展了大量的研究工作。航空航天等领域对增材制造零件表面粗糙度有较高的要求，金属增材制造零件的后续光整加工不可或缺。磨粒流加工方法具有高加工可达性，对复杂内腔结构进行光整加工具有显著的优势。采用磨粒流抛光增材制造零件，对由“阶梯效应”导致的粗糙表面具有良好的改善效果。国外研究发现，采用磨粒流加工抛光 SLM 制造的叶片，沿流动方向存在明显的抛光不一致性，叶片进排气边的抛光效果明显好于叶盆及叶背中心区域，叶片型面精度降低。2.1.2激光直接沉积激光直接沉积增材制造对粉末的要求为：粒度分布一般在 45420m 范围内，同时尽可能满足纯度高、少或无空心、卫星粉少、球形度高、氧含量低、流动性好和松装密度高等要求。粉末制备推荐采用电极感应熔化高纯氩气雾化或等离子旋转电极法。激光直接沉积技术效率高，成形零件的尺寸大，还可在原有零件上进行修复和再制造，但缺点是不具备制造复杂空心结构的能力，成形的毛坯还需要经过较多的机械加工才能获得最终零件。值得指出的是，激光直接沉积方法还能同步混合不同材料的粉末来实现复合材料的成形。1995 年起，美国约翰霍普金斯大学、宾夕法尼亚州立大学和MTS公司共同开发了利用大功率CO2激光器实现大尺寸钛合金零件的制造技术，并合作成立了 AeroMet 公司，实现了Ti-6Al-4V合金12kg/h 的沉积速率8。对于激光直接沉积技术的研究主要从成形工艺和成形组织性能两方面展开。美国的 Sandia 国家实验室和 LosAlomos 国家实验室针对镍基高温合金、不锈钢、钛合金等金属材料进行了大量的激光直接沉积成形研究，所制造的金属零件不仅形状复杂，且其力学性能接近甚至超过传统锻造技术制造的零件9。瑞士洛桑理工学院深入研究了激光快速成形工艺参数对成形过程稳定性、成形零件的精度、显微组织以及性能的影响，并将该技术应用于单晶叶片的修复10。增材制造材料的显微组织是由移动熔池中熔体的冶金动力学行为与晶体形核/长大机制决定的，激光直接沉积技术在材料显微组织控制方面具有较大的自由度，早在2001 年 Gumann等11就实现了单晶与多晶镍基高温合金的调控，而Liu12等通过送粉量与激光功率的匹配实现了具有等轴晶与柱状晶混合组织钛合金的成形。激光直接沉积成形过程中随着高能激光束长时间周期性剧烈加热和冷却、移动熔池在池底强约束下的快速凝固收缩及其伴生的短时非平衡循环固态相变，会在零件内部产生极大的内应力，容易导致零件发生严重变形、甚至开裂。美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室开发出一种新的激光金属直接成形技术，可在一个部件上混合打印多种金属或合金，解决了长期以来飞行器零部件制造中所面临的一大难题在同一零件的不同部位具有不同性能。德国 DMGMORI 旗下的 Lasertec 系列，整合了激光增材制造技术与传统切削技术，不仅可以制造出传统工艺难以加工的复杂形状，还改善了增材制造过程中存在的表面粗糙问题，提高了零件的精度13。2.2 工艺设备经济、高效的设备是激光增材制造技术广泛推广和发展的基础。目前，激光选区熔化增材制造设备的研究主要集中在德国、法国、英国、日本、比利时等国家。激光直接沉积增材制造设备的研究主要集中在美国、德国等国家。2.2.1激光选区熔化增材制造设备激光选区熔化 SLM 技术及设备研究起步最早的国家当属德国，其技术也比较成熟。德国EOS 公司是全球最大，同时也是技术较为领先的激4航空材料学报第43卷光选区熔化增材制造成形系统制造商。目前 EOS 设备主要有 EOSINTM280、M290和 M400 三款。EOSINTM280 激光烧结系统采用Yb-fibre 激光发射器，高效能、长寿命，光学系统精准度高。根据 IDTechEx 的数据，M280 曾用于制造当前 GE 航空发动机 LEAP 的喷油嘴。为全面取代 EOSM280，EOS 公司推出升级版的增材制造设备 EOSM290。EOSM290 提升了过程监控能力，尤其适合航空航天和医疗等高精尖行业的要求。除此之外，EOSM290 在其他方面也做了一些改进。EOSM290 增材制造设备的新增功能包括：（a）EOSTATEPowderBed，一个内置在构建腔室的摄像头，通过静止图像监视粉末床上的粉末沉积状况。（b）EOSTATEBase，统一监控一系列参数，包括 Z 轴或扫描仪的位置、激光功率、空气湿度、温度和压力。（c）EOSTATELaserMonitoring，检测在整个构建期间的激光功率。该系统配备有一个 400W 的激光，该激光具备高辐射品质和稳定的性能。（d）EOSParameterEditor，用户可以使用它修改一系列的曝光参数。该工具使客户能够在 EOS参数集的基础上根据具体应用开发自己的参数，包括激光功率和曝光速度或策略。参数编辑器的更新版本正在开发中，新版本的参数编辑器还可以修改层厚度、惰性气体流、构建平台的温度等。EOSM400 是 EOS 公司尺寸最大的金属选区熔化设备，也是目前市场上较为成熟的大尺寸选区熔化设备，其最大成形尺寸为 400mm400mm400mm。该设备采用 1kW 的光纤激光器及双向铺粉方式，可以有效提高成形效率；同时设备集成了监控系统，可对铺粉情况、Z 轴位置、激光功率、湿度、温度、压力等参数进行监控，保证成形过程的稳定和产品的可追溯性。目前国际上主要 SLM 装备的技术指标如表 1所示，其中 ConceptLaser 公司生产的 SLM 装备可成形的零件尺寸最大，EOS 公司生产的 SLM 装备可成形的零件尺寸次之，但是 EOS 公司生产的 M系列 SLM 装备的商用化成熟度最高，应用最广。2.2.2激光直接沉积设备在激光直接沉积设备制造研究方面，美国表1国际商业化 SLM 装备指标参考Table1IndexreferenceofinternationalcommercializedSLMequipmentsManufactorEquipmentEnergysource/WBuilddimension/mm3PowderspreadingbrushLayerthickness/mOpticalsystemFocusspotdiameter/mMaximumscanningspeed/（ms1）FormingenvironmentEOSM290400250250325Compressiontype20-100F-focusmirror+scanninggalvanometer1007Preheating+inertatmospherechamberEOSM4001000400400400Compressiontype30-60F-focusmirror+scanninggalvanometer60-3007Nopreheating+inertatmospherechamberRealizerSLM300200/400300300300Flexible20-100F-focusmirror+scanninggalvanometer70-2005Nopreheating+inertatmospherechamberConceptlaserXline1000R 1000630400500Compressiontype30-200F-focusmirror+CNClaserheadmovement100-5007Preheating+inertatmospherechamberSLMsolutionSLM500HL21000500280325Compressiontype20-200F-focusmirror+scanninggalvanometer80-15015Nopreheating+inertatmospherechamber3DSystemssPro250200250250300Flexible50-200F-focusmirror+scanninggalvanometer50-1507Nopreheating+inertatmospherechamberRenishawPLC Am250200400250250301Compressiontype30-100F-focusmirror+scanninggalvanometer70-1005Nopreheating+inertatmospherechamberPhenixsystems PXL200250250302Flexible20-50F-focusmirror+scanninggalvanometer50-1007Nopreheating+inertatmospherechamber第1期航空装备激光增材制造技术发展及路线图5EFESTO 公司堪称大尺寸 3D 金属打印专家。该公司推出典型设备为大型的同步送粉激光增材制造设备 EFESTO557，该设备拥有一个 1500mm1500mm2100mm 的超大工作室。美国 Optomec 公司推出的激光直接沉积设备型号为 LENS850-R，该设备拥有一个 900mm1500mm900mm 的超大工作室，并配有 5 轴移动工作台，最大成形速度为 8.19cm3/min。德国阿诺德激光系统制造有限公司推出的激光综合加工系统，也是国际上一款主流的激光直接沉积增材制造设备。国际上近些年还推出了增减材复合加工设备和技术。日本 DMG 公司(DMGMORI)推出的LASERTEC653Dt331，配有 2kW 的激光器，可进行激光直接沉积，辅以全功能的高刚性单体结构的5 轴联动数控铣床进行高精度的铣削加工，构成独特的混合加工机床，最高可比普通粉床中成形速度快 20 倍，并允许直接铣削最终零件中无法达到的加工部位。日本 Mazak 公司也推出了增减材复合制造装备。其典型设备 INTEGREXi-400AM 能够进行全面的五轴车铣复合加工，B 轴摆动幅度在30+210之间，同时配置了全 C 轴分度车削主轴及可编程尾座。2.3 技术应用激光增材制造技术最早于 2001 年开始应用于美国的舰载歼击机中，通过钛合金增材制造技术生产出飞机的承力结构件。2011 年英国的南安普顿大学通过增材制造技术生产出包括无人机的机翼、控制面板和舱门的整体框架。2012 年之后，钛合金增材制造技术在航空领域的应用取得前所未有的发展，钛合金零件不仅在飞机制造中得到广泛的应用，而且新型的钛合金材料开始在火箭、航天飞机等航天装备中得到应用。钛合金增材制造技术生产的零件大大减少了航天设备之间的焊缝数量，由于钛合金的强度更高，使得航天设备的安全性大大提高。NASA马歇尔航天中心采用激光增材制造技术制备大量的火箭发动机零件，包括发生器导管、旋转适配器等。激光增材制造的 RS-25火箭发动机弯曲接头，与传统设计相比，减少 60%以上的零件数量、焊缝以及机械加工工序。NASA 还提出AMDE 计划，对增材制造技术在氢氧发动机整体化设计制造中的应用进行验证。与传统制造方法相比，采用增材制造技术设计制造的氢氧发动机零件总数减少 80%。法国泰雷兹阿莱尼亚宇航公司将激光直接沉积制造的铝合金大尺寸遥测及指令天线支撑零件应用于 Koreasat5A 和 Koreasat7 通信卫星的制造。零件已经通过振动验收测试，展示了很好的动态特性重复性。使用增材制造技术可减重 22%，缩短生产时间 12 个月，节省经费约 30%，并可提高产品的性能。基于激光增材制造工艺的结构拓扑优化设计在航天领域得到应用。结构拓扑优化技术与激光增材制造工艺相结合，可以发挥出激光增材制造工艺在零件轻量化制造方面的最大优势，同时能够实现拓扑优化结构的制造。空中客车防务与宇航公司英国分部采用激光增材制造技术制备了欧洲航天局 EurostarE3000 的铝合金支架（图 3），用于安装遥测和遥控天线。通过拓扑优化以及激光增材制造工艺，实现原本由 4 个零件通过 44 个铆钉连接而成支架结构的整体制造，并且通过优化设计，在实现 35%减重的同时使结构刚度提高 40%。该铝合金支架已经完成质量检测，具备卫星装载飞行的资质。2012 年，GE 公司收购了 Morris 公司以及其兄弟公司 RapidQualityManufacturing。这两家公司图3激光增材制造的 EurostarE3000卫星支架Fig.3LaseradditivemanufacturedEurostarE3000satellitesupport6航空材料学报第43卷均是增材制造领域的佼佼者，同时也是 GE 公司下一代 LEAP 发动机的零部件供应商。收购 Morris公司后，GE 立即开始探索增材制造技术的极限，寻找新的应用点。GE 商用发动机获得 FAA 批准的首个增材制造零件为高压压气机温度传感器（T25）外壳（图 4）。T25 传感器外壳由钴铬合金制造，保护温度传感器脆弱的电子器件，防止其结冰以及被急速气流损坏。T25 传感器外壳于 2014 年 10 月完成最终设计，2015 年 2 月获得 FAA 认证，在第二周就投入使用。2015 年 4 月 GE 公司宣布，该公司有超过 400 台 GE90-40B 发动机加装了用增材制造技术生产的 T25 传感器外壳。GE 航空公司还采用激光增材制造技术制造了新一代的 LEAP 喷气发动机燃油喷嘴（图 5），并于 2015 年服役。图4T25 传感器壳体Fig.4T25sensorhousing图5增材制造燃油喷嘴Fig.5Additivemanufacturedfuelnozzle2015 年 GE 公司设在印度 Chakan 的增材制造工厂开始运营。GE 公司希望该工厂最终使 GE 公司具备每年超过 44000 个燃油喷嘴的增材制造能力。2016 年 4 月，GE 公司斥资 4 亿美元在匹兹堡建设新的增材制造技术发展中心（TheCenterforAdditiveTechnologyAdvancement，CATA），希望将其打造成为能够为设计和应用提供开发服务的创新中心，通过共享其设施，由公司每个事业部来分担费用，从而整合整个公司的力量，改变各事业部各自投资增材制造、研发效率低下的状况。CATA将会把精益生产、生产力优化与先进的软件分析结合起来，用于提升增材制造在整个 GE 公司内部的创新能力和使用情况。2016 年 9 月，GE 以 14 亿美元收购两大金属增材制造设备制造商瑞士 Arcam 公司和德国 SLMSolutions 公司。GE 公司计划通过 GEStore 模式将增材制造技术用于 GE 的所有业务。GE 公司预计到 2020 年增材制造业务将增长至 10 亿美元，在未来十年内节约 30 亿到 50 亿美元的成本。2016 年 10 月 27 日 GE 公司宣布以 5.99 亿美元的价格收购德国 ConceptLaser 公司 75%的股份。GE 公司将在航空航天、医疗等领域获得或者重塑多个平台的产品销售渠道。根据已经披露的 GE 公司增材制造计划，很多增材制造的发动机零部件已通过美国联邦航空管理局（FAA）的认证，并且已经在 LEAP 发动机上使用。GE 航空公司将进一步在旗下最先进涡轮螺旋桨发动机（ATP）上应用增材制造零部件。通过增材制造技术，将传统工艺所需的 855 个零件（占到总零件数的 35%）减少为 12 个。可以通过增材制造的零部件分别是：机油箱、轴承座、框架、排气机匣、燃烧室、热交换器和固定流通组件等，该发动机的总压比将达到 161，质量减少 5%，油耗将比现在同类型竞争型号低 20%左右，同时返修周期延长 30%以上。英国罗罗公司 1994 年开始与英国 Crankfield大学一起探索航空发动机机匣的激光直接沉积技术。2008 年初，罗罗公司宣布与 GKN 航宇公司（GKNAerospace）成立一家合资公司，目的在于为下一代发动机提供低成本的发动机风扇叶片，其中增材制造技术将得到大规模应用。2015 年罗罗公司通过与英国制造技术中心（MTC）所属的新国家增材制造中心合作，利用增材制造打印出了有史以来最大的增材制造发动机组件遄达 XWB-97 发动机直径 1.5m 的钛合金前轴承，组件包含的48 个翼型导叶也采用增材制造技术生产。罗罗公司于 2016 年开发出自动化的涡轮叶片激光增材制造工艺流程，该流程可以实施小的系列生产。2016 年罗罗公司和 GKN 航宇公司达成协议，第1期航空装备激光增材制造技术发展及路线图7扩展双方在遄达 XWB-84 发动机项目上的合作，GKN 负责为 XWB-84 发动机设计供应高性能中间级压缩机匣（图 6）。该机匣采用包括增材制造工艺和新的焊接技术等最新设计方法和制造技术。首件产品于 2018 年初交付。TrentXWB-84 发动机用来为空客 A350900 飞机提供动力，计划于 2020年初投入使用。图6TrentXWB-84 发动机中间级压缩机匣Fig.6CaseofintermediatestagecompressorinTrentXWB-84engine与很多大型科技企业不同，罗罗公司自身很少从事基础理论研究工作，而是依赖与世界顶级大学建立的协同创新体系，即大学技术中心网络。普惠公司主要将增材制造用于塑料部件的制造，作为金属部件的原型和型芯等工艺辅助器材。迄今为止已经制造了超过 10 万件原型零件，仅在PurePower 齿轮传动式涡扇发动机的开发过程中就使用了数百个增材制造零部件的原型。普惠公司采用激光选区熔化制造了 PurePowerPW1100G-JM 发动机的管道镜套筒，可直接使用管道镜检查涡轮壳体和叶片的磨损和损坏状况。在 PurePower齿轮传动式涡扇发动机开发过程中，使用增材制造技术生产了压缩机定子和同步环支架。几十件增材制造钛金属和镍金属部件已经通过飞行测试并将应用于庞巴迪和空客飞机。印度 INTECHDMLS 公司通过 SLM 增材制造技术为印度斯坦航空公司（HAL）生产 25KN 发动机燃烧室机匣。首个增材制造的燃烧室机匣已交付给 HAL 公司，并通过了用户性能测试。2019 年 1 月，金属增材制造部件在 F-22 猛禽上得到应用。犹他州希尔空军基地的仓库维修车间第 574 飞机维修中队在 F-22 猛禽上安装了一个金属增材制造部件（飞机支架）。增材制造能够在短时间内获得维修更换部件，不再需要订购。这不仅节省费用，而且减少飞机的维修时间。激光选区熔化的飞机支架不会被腐蚀，从订购到交付至仓库再到安装最快需要三天。此外，维修人员还会使用增材制造的部件来替换驾驶舱总成中易腐蚀的铝部件，至少还有 5 个金属增材制造部件计划在 F-22 上进行验证。如果能够打印更复杂的部件，可能会使飞机的维修时间减少 6070 天。美国宇航局马歇尔航天飞行中心、格林研究中心、阿姆斯特朗飞行研究中心正在与维珍轨道公司合作开发和测试增材制造的火箭发动机燃烧室部件。他们的目标是制造一个燃烧室，结合多种材料，并利用先进的制造工艺。传统的燃烧室制造、测试和交付周期需要数月时间。采用增材制造技术，交付周期将会大大缩短，并为发动机零部件提供新的设计理念和制造机会。维珍轨道公司使用了增/减材混合机床对零部件进行制造与精加工。在 2018 年末和 2019 年初，使用高压液氧/煤油推进剂对燃烧室进行了测试。在近 24 次 60s 的测试发射中，该实验装置成功地提供了超过 8890N 的推力。2019 年 7 月，美国 Carpenter 技术公司和比利时 BMT 航空航天国际公司合作开发了一种金属增材制造航空齿轮。零件由 Carpenter 技术公司的业务单位 Carpenter 增材制造公司生产，使用其高强度的定制 465不锈钢增材制造而成。该产品的合作研发表明，在原材料、生产、验证和设计方面的合作能够迅速将具有潜力的新产品实现商业化。2019 年 8 月，发动机制造商 CobraAero 与英国金属增材制造公司 Renishaw 合作，成功优化了飞机和摩托车发动机的设计流程。Cobra 的团队与 Renishaw 的工程师合作，优化了一种无人机发动机气缸的设计。重新设计的部分是一个用来改善气流的复杂网格结构，并将各种组件合并成一个单个轻质部件。通过使用金属增材制造，CobraAero 能够生产出具有复杂晶格结构的单一部件，性能优于传统制造技术生产的组件。CobraAero 公司预判，金属增材制造将成为其主导制造方法。据美国空军实验室 2019 年 8 月 22 日消息，AF-9628 钢的增材制造零件在极限抗拉强度方面比传统增材制造合金提高 20左右。AF-9628 是一种高强度和高韧性的合金钢，也叫 Rachel 钢，它不含钨，比 Eglin 钢和 HP-9-4-20 等其他一些高性能钢合金的价格更低；但它比常规弹药中使用的普通等级钢更昂贵。美国空军实验室的研究确定AF-9628 是增材制造的最佳材料。其增材制造的力学性能好，没有发现裂纹的迹象，与传统制造的部件非常相似。在强度增加的同时并没有变脆，满8航空材料学报第43卷足 10%伸长率要求。采用激光选区熔化制造的复杂零件，包括几个复杂的弹丸、钢瓶。制造的零件适合于武器应用，能够使未来的穿透武器具有理想的爆炸外形，最终用于制备质量更轻的弹药，使飞机可以携带更多的武器。3 国内激光增材制造技术