航空装备电子束增材制造技术发展及路线图_张国栋.pdf

航空装备电子束增材制造技术发展及路线图张国栋*,许乔郅,郑涛,郭绍庆,熊华平（中国航发北京航空材料研究院3D 打印研究与工程技术中心,北京100095）摘要：增材制造技术在航空装备领域具有广泛的发展前景。作为重要的金属增材制造工艺方法，电子束增材制造正处于快速发展阶段。电子束熔丝增材制造技术可满足航空大尺寸结构件的快速低成本制造，并可用于高价值零件的修复。电子束选区熔化增材制造技术在复杂结构以及难熔合金制件的制造方面具有显著优势。本文在对国内外电子束增材制造技术现状和发展趋势分析的基础上，从发展需求、目标、共性关键技术、应用、战略支撑与保障 5 个方面综合分析，绘制了面向 2035 年的航空装备电子束增材制造技术路线图，以期为航空装备电子束增材制造技术发展提供参考。关键词：航空装备；电子束增材制造；发展现状；技术路线图doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000209中图分类号：TG441文献标识码：A文章编号：1005-5053(2023)01-0028-11Technology development and roadmap of electron beam additivemanufacturing for aviation equipmentsZHANGGuodong*,XUQiaozhi,ZHENGTao,GUOShaoqing,XIONGHuaping（3DPrintingResearchandEngineeringTechnologyCenter,AECCBeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China）Abstract:Additive manufacturing technology has a broad development prospect in the field of aviation equipments.As animportantmetaladditivemanufacturingprocess,theelectronbeamadditivemanufacturingisinarapiddevelopmentstage.Thewire-feedelectronbeamadditivemanufacturingcanmeettherequirementsofrapidandlow-costmanufacturingofaviationlargesizestructuralpartsandcanbeusedtorepairhigh-valuedamagedparts.Electronbeamselectivemeltinghasobviousadvantagesinthemanufacturingofcomplexstructuresandrefractoryalloyparts.Basedontheanalysisofthestate-of-artsoftheelectronbeamadditivemanufacturingtechnology,theroadmapoftheelectronbeamadditivemanufacturingforaviationequipmentsin2035iscomprehensively analyzed and drawn from the five aspects of development needs,objectives,common key technologies,applications,strategic support and guarantee in order to provide reference for the development of the electron beam additivemanufacturingtechnologyofaviationequipments.In2035,aperfectadditivemanufacturingstandardsystemistobebuilt;andelectron beam additive manufactured key load bearing components for airplane and aeroengine realize mass production andapplication.Key words:aviationequipments；electronbeamadditivemanufacturing；developmentstatus；technologyroadmap增材制造（additivemanufacturing，AM）技术被认为是制造技术的一次革命性突破1。与传统制造技术相比，增材制造技术能够实现复杂零件的无模具快速成形，加工余量小，材料利用率高等特点，在航空装备领域具有广泛的应用前景2-3。按照所采用的热源种类不同，增材制造技术主要分为激光增材制造、电子束增材制造以及电弧增材制造。按照所用原材料和成型方式的不同，电子束增材制造分为基于丝材的电子束熔丝增材制造技术和基于预置粉末的电子束选区熔化增材制造技术。电子束熔丝增材制造技术是在真空环境中，用高能量密度的电子束轰击金属表面形成熔池，送2023年第43卷航空材料学报2023，Vol.43第1期第2838页JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSNo.1pp.2838丝装置将金属丝材送入熔池并熔化，同时熔池按照预先规划的路径运动，金属凝固、逐线、逐层堆积，形成致密的冶金结合，直接制造出金属零件或毛坯（图 1（a）。电子束熔丝增材制造具有成形效率高、真空环境材料冶金质量优、丝材成本低、可制造大尺寸结构件等特点4。此外，作为定向能量沉积工艺方法的一种，电子束熔丝增材制造技术也可用于零件的修复。电子束选区熔化增材制造技术是利用计算机把零件的三维模型进行分层处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生成成形路径，电子束按照预定的路径进行二维图形的扫描预热及熔化，熔化预先铺放的金属粉末，逐层堆积，最终实现金属零件的近净成形（图 1（b）。与激光选区熔化增材技术相比，电子束选区熔化增材技术具有真空环境、电子束扫描速度快（103m/s）、成形效率高、残余应力小等优点。电子束选区熔化工艺可实现高温预热，使其非常适合室温低塑性材料（如钛铝金属间化合物）的快速成形制造5-6。为了更好地把握电子束增材制造的发展现状和趋势，提前做好航空领域电子束增材制造技术发展的战略布局，推进电子束增材制造在航空领域的发展与应用，本文针对电子束熔丝及电子束选区熔化增材制造技术，开展文献、资料、信息的搜集、整理、分析。在对电子束增材制造现状和发展趋势分析的基础上，提出 2035 年航空装备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，并尝试给出面向 2035 年的技术发展路线图。(a)(b)Electron beam gunElectron beamNozzlePowderhopperRakeElectronbeamBuild partSubstrateWireDeposited material图1电子束增材制造原理示意图（a）熔丝；（b）选区熔化Fig.1Schematicdiagramofelectronbeamadditivemanufacturing（a）wire-feed；（b）electronbeamselectivemelting1国内外电子束增材制造技术发展现状 1.1 国外电子束增材制造技术发展现状1.1.1电子束熔丝增材制造技术（1）工艺研究电子束熔丝增材制造技术于 2002 年首先由NASA兰利研究中心提出。美国航空航天局、洛克希德马丁公司、波音公司、空客公司、美国焊接学会、麻省理工学院等多个研究机构、大学及防务集团正在积极推进相关技术的研究和应用。目前电子束熔丝增材制造技术涉及的材料主要有高温合金、不锈钢、钛合金及铝合金。美国航空航天局兰利研究中心针对电子束熔丝增材制造 IN718 高温合金的研究发现7：沉积态组织具有强的织构，晶向与沉积方向近似平行；热处理后，发生了再结晶现象，晶粒尺寸趋于均匀，形成近似等轴晶形貌，织构明显减弱。与此同时，热处理后力学性能的各向异性减弱，且抗拉强度、屈服强度及 L 向弹性模量明显提高。美国麻省理工学院 MATZ和 EAGAR 在美国海军研究部的资助下，评估了采用电子束熔丝增材制造技术制造涡轮盘的可行性。结果表明：采用该技术制造的部件碳化物尺寸在 300600nm 之间，而传统电弧熔炼的铸锭中碳化物尺寸可达 40m，认为电子束熔丝增材制造工艺是细化碳化物尺寸及分布的潜在方法8。加拿大科学院航空研究中心采用 347 不锈钢丝材在 1mm厚的 321 不锈钢薄板端部开展了电子束熔丝增材修复工艺实验，获得了无缺陷的修复试样且修复区性能与基体相当9。针对电子束熔丝增材修复的Ti6Al4V 钛合金模拟叶片 CT 检测结果发现：内部致密且无缺陷显示。增材制造 Ti6Al4V 部件拉伸性能满足铸造和增材标准要求，与变形 Ti6Al4V 钛合金材料标准要求相当。电子束熔丝增材 Ti6Al4V 具有优良的断后伸长率，达到 12%以上10。作为电子束熔丝增材制造工艺和工程化应用第1期航空装备电子束增材制造技术发展及路线图29研究的代表性单位，美国洛克希德马丁公司对钛合金增材制造工艺开展了大量研究。针对 Ti-6Al-4V 钛合金增材制造过程中 Al 元素的烧损问题，该公司研究了 5 种不同 Al 含量的 Ti-6Al-4V 合金丝以及 2 种熔丝沉积效率下的 Al 元素烧损行为11。结果表明：沉积效率为 3.2kg/h 的 Al 元素损失量大于沉积效率 6.8kg/h 的损失量；2 种沉积效率及5 种成分丝的 Al 元素烧损比例在 11%15%之间；Al 元素的损失量与熔池尺寸、温度及结构轮廓有关。美国空军实验室研究了在取向的单晶Ti-6Al-4V 合金基板上电子束熔丝增材制造 Ti-6Al-4V 的晶粒外延生长行为12，结果表明：随着沉积高度增加，外延生长的晶粒被方向生长的柱状晶逐渐消耗替代，如图 2 所示。美国科罗拉多矿冶学院针对电子束熔丝增材过程中合金元素的烧损和晶粒外延生长的问题，制备了调整成分的金属粉芯 Ti-6Al-4V 合金丝材，使用该丝材制备的试块铝含量为 6%。同时，与原始Ti-6Al-4V 合金丝材相比，通过加入 FeB 粉末使得原始 晶粒尺寸从 1450m 减小至 290m，网篮组织的 相宽度从 0.75m 减小至 0.44m13。此外，该学院评价了脉冲电子束对熔丝成形 Ti-6Al-4V 合金原始 晶粒及 相的影响。结果表明：与传统方法相比，脉冲电子束能使柱状晶向等轴晶转变，晶粒尺寸从 1164m 减小至 734m14。“Build”Alpha IPF Map(a)3 mm3 mm211210101110011010001X-Dir.X-Dir.2110ZYZY(b)“Build”Prior Beta IPF Map35图2电子束熔丝增材制造 Ti-6Al-4V 的晶粒 YZ 面 IPF 图（a）相；（b）重构获得的原始 相12Fig.2IPFmapsofYZplaneofTi-6Al-4Vgrainproducedbywire-feedelectronbeamadditivemanufacturing（a）phase；（b）reconstructedprior-phase12针对沉淀强化型 2139 铝合金电子束熔丝增材制造实验发现，Mg 元素烧损了 60%80%。由于Mg 能够促进（Al2Cu）沉淀相的形成，Mg 烧损使得固溶时效后的成形组织中 相少于基体。通过补偿丝材中 Mg 元素含量，获得了与基体相似的 相数量，力学性能与基体相当15。（2）工艺设备在 电 子 束 熔 丝 增 材 制 造 设 备 方 面，美 国NASA 兰利研究中心最早开始研制，先后研制了大尺寸的熔丝增材制造设备以及适用于太空环境的便携式小尺寸增材制造设备16。美国 Sciaky 公司开发了商用电子束熔丝增材制造设备，并推出了EBAM68、88、110、150、300 等一系列适用于不同尺寸结构件增材制造设备，最具代表性的 EBAM110 增材制造设备真空室尺寸为：2794mm2794mm2794mm，最大功率 45kW，加速电压 60kV。作为目前国际上最成熟的电子束熔丝增材制造设备供应商，美国 Sciaky 公司核心专利之一为其闭环控制系统。通过闭环控制系统可实现增材制造工艺参数的自动实时调节，使熔池尺寸保持不变，可有效保证成形尺寸精度及工艺可重复性。乌克兰红波公司推出了基于冷阴极电子枪的电子束同轴熔丝增材制造设备。采用的丝材直径可达 3.2mm，加速电压小于 20kV，可在低和中真30航空材料学报第43卷空度下工作，成形效率可达 2000cm3/h。除上述公司外，德国 SST 公司、英国剑桥真空公司、乌克兰巴顿电焊研究院等电子束焊接设备厂商均在开发商用电子束熔丝增材制造设备。（3）应用2002 年，美国 Sciaky 公司与 BeaverAerospaceandDefence 公司合作，利用电子束熔丝增材与电子束焊接组合加工的方法，制造了大型 Ti-6Al-4V 金属万向节（图 3（a），其尺寸为 432mm297mm，壁厚 76mm，共用 5 周时间。Sciaky 公司与洛克希德马丁公司制造的 F-22 钛合金支座（图 3（b）经过两次全寿命谱疲劳试验后又成功通过了最终负载实验，未发现明显变形。(a)(b)图3电子束熔丝增材制造的钛合金零件（a）万向节；（b）支座5Fig.3Titaniumalloy components made by wire-feed elec-tronbeamadditivemanufacturing（a）cardanjoint；（b）support5目前电子束熔丝增材制造技术已成功应用于空客 A320neo 飞机钛合金后上翼梁17、F-35 飞机翼梁等结构的制造，如图 4 所示。据报道，装有电子束熔丝增材钛合金零件的 F-35 飞机已于 2013年初试飞18。(a)(b)图4电 子 束 熔 丝 增 材 在 国 外 航 空 装 备 上 的 应 用（a）A320neo 飞机后上翼梁17；（b）F-35 飞机翼梁18Fig.4Applicationofwire-feedelectronbeamadditivemanu-facturingusedinforeignavitionequipment（a）rearuppersparforA320neoairplane17；（b）sparforF-35fighter181.1.2电子束选区熔化增材制造（1）工艺研究目前国外针对电子束选区熔化增材制造研究的材料主要为钛合金、高温合金以及钛铝金属间化合物。研究的单位主要分布在美国、英国、日本、沙特、意大利、德国、瑞典、新加坡等。在钛合金电子束选区熔化研究方面，以色列金属研究所对比研究了 Ti-6Al-4V 新粉和回收粉电子束选区熔化制件的组织及力学性能19。与新粉相比，重复使用 69 次后存在团聚、拉长和破损的粉末。粉末中 O 含量随重复使用次数增加而增加，经过 69 次重复使用后粉末中 O 含量达到 0.324%，超过 ASTM 标准要求。拉伸性能对比发现，两种粉末增材制件强度都能满足 ASTM 标准要求，然而重复使用 69 次粉末对应的伸长率和断面收缩率与新粉相比急剧降低。美国 IntegrativeMaterialsDesignCenter 针对电子束选区熔化成形 Ti6Al4VELI 合金开展了热处理对组织性能的影响，发现随着冷却速度增加，拉伸强度和硬度增加，然而塑性急剧下降。转变温度以上固溶使得原始柱状晶转变为等轴晶20。英国伦敦学院研究了电子束选区熔化成形 Ti-6Al-4V 合金预热参数对成形质量、组织性能的影响。预热能量输入越大（低 206kJ/m2、标准 411kJ/m2和高 822kJ/m2），尺寸误差越大。三个预热参数下尺寸误差分别为 330、390 和 400m21。英国谢菲尔德大学研究发现：零件摆放角度对电子束选区熔化Ti6Al4V 合金表面粗糙度同样具有重要影响22。不同摆放角度电子束选区熔化成形表面形貌，0试样表面粗糙度最小，为 Sa=15.8m，55和90试样表面粗糙度分别为36.8m 和54.3m。虽然 0时表面粗糙度最优，零件高度小，但是在制造时存在需要添加支撑的可能。为避免添加支撑倾斜摆放使得零件高度增加，表面粗糙度恶化。英国曼彻斯特大学采用高分辨 CT 方法检测了 HIP 对电子束选区熔化成形 Ti6Al4V 合金内部空洞缺陷闭合的有效性23。研究发现，经 920/100MPa/2h 的 HIP 工艺处理后，不同形状试样内部未发现大于 5m 的缺陷。德国先进工艺和材料连接研究所对电子束选区熔化成形Ti6Al4V 合金的工艺窗口进行了研究24。随着侧向扫描速度增加，工艺窗口趋向于常数。50 和 100m 扫描间距下，最小需要的体能量密度为 15J/mm3。减小扫描间距至 20m，所需最小体能量密度增加至 22.5J/mm3。日本东北大学对电子束选区熔化成形 Ti6Al4V合金沉积态、热处理和 HIP 三种状态的组织和疲劳性能研究发现25：沉积态 Z 向屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为 788MPa、870MPa 和 13.8%。HIP后 Z 向屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为711MPa、819MPa 和 16.1%。沉积态 107 疲劳极第1期航空装备电子束增材制造技术发展及路线图31限为 460MPa，热处理态疲劳 S-N 曲线与沉积态相似，HIP 处理后疲劳极限明显改善，达到 580MPa。在高温合金电子束选区熔化工艺研究方面，法国格勒诺布尔大学电子束选区熔化成形 Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti-B 镍基高温合金宏微观组织，研究发现：柱状晶宽度随高度增加而增加，随高度变化晶内沉淀相尺寸急剧增大；裂纹沿柱状晶晶界扩展，大角度晶界（15）对裂纹敏感，而小角度晶界未产生裂纹26。德国埃朗根-纽伦堡大学针对 CMSX-4 合金研究发现27：电子束选区熔化成形的枝晶臂间距为 6m，得益于电子束选区熔化成形工艺的高凝固速度和温度梯度使其元素偏析程度是传统铸造工艺的约 1/100。在 TiAl 金属间化合物电子束选区熔化工艺研究方面，德国埃尔朗根-纽伦堡大学针对 Ti-48Al-2Cr-2Nb 研究了线能量和束流与 Al 元素烧损量的关系28。认为控制 Al 元素烧损的可行方法之一是调整扫描策略，降低熔池过热，从而减小挥发损失。德国福特新材料研究院通过数值模拟与实验验证研究了 Ti-48Al-2Cr-2Nb 合金在电子束选区熔化过程中 Al 元素的分布，结果表明，在面能量输入 Ea相同条件下，随着偏移量的增加，Al 元素烧损量急剧增加。随着扫描速度增加，面能量输入降低，Al 元素烧损量降低 50%。通过工艺实验获得了扫描策略（扫描速度和偏移量）相应的面能量输入与获得致密组织的关系曲线。通过增加能量输入，未熔合缺陷消失，致密度达到 99.5%29。该单位针对电子束选区熔化成形的 Ti-45Al-4Nb-C 高铌合金热处理对组织性能影响的研究发现30：随着片层组织含量增加，最小蠕变速率降低，全片层组织表现出最优的蠕变性能而塑性较低，空冷和炉冷对蠕变性能影响不明显。与铸造 Ti-45Al-4Nb-C 合金相比，沉积态蠕变速率高一个数量级，而经 1320处理获得片层组织后蠕变速率降低达到铸造水平。日本大阪大学针对 Ti-48Al-2Cr-2Nb 合金组织及力学性能的各向异性研究发现31：沉积态组织及力学性能存在明显的各向异性。在 45方向屈服强度达到约 566MPa，稍低于高度和水平方向试样，然而即使这样依然高于铸造状态性能，原因为增材制造获得的细小组织。45方向伸长率达到 2%，远高于传统的铸造合金。（2）工艺设备目前，国外电子束选区熔化增材制造设备厂商主要有瑞典 Arcam 公司、日本 JEOL 和英国 Wayland公司。瑞典 Arcam 公司先后推出了多种适用于医疗及航空领域的设备，在售的适用于航空和材料研发等领域的有 Q20Plus、A2X 和 SpectraH 型设备。其中 SpectraH 设备最大功率 6kW，成型仓尺寸 250mm430mm。除此之外，SpectraH 设备所有预热和熔化步骤所需时间减少一半；带有防尘环境的闭环系统；活动隔热屏可改善绝缘；自动粉末分配和粉末回收系统；旋风分离器和磁力分离器可实现最大化的粉末控制等特点。（3）应用在工程应用领域，罗罗公司采用电子束选区熔化增材制造的 TrentXWB-97 发动机导向器如图 5所示。该发动机叶环直径 1.5m，材料为钛合金。增材制造的 48 个翼型导叶构成一个完整的组件。相较常规的铸造和加工流程，不仅显著缩短了发动机研发周期，也为设计带来了明显的灵活性。图5电子束选区熔化增材制造的发动机叶环5Fig.5Aeroenginebladeringmadebyelectronbeamselect-ivemeltingadditivemanufacturing5意大利 AvioAero 公司正在批量生产 GE9X 发动机 TiAl 低压涡轮叶片6（图 6）。增材制造的涡轮叶片质量约为传统镍合金涡轮叶片的一半。采用 ArcamA2X 电子束选区熔化设备每炉次可以生产 6 个叶片，而 ArcamSpectraH 设备可以在相同时间生产多达 10 个叶片。通用航空公司为波音新777X 宽体喷气式飞机开发的 GE9X 发动机，与其前身 GE90 相比，TiAl 低压涡轮叶片减少的质量可以使燃料消耗减少 10%。1.2 国内电子束增材制造技术发展现状1.2.1电子束熔丝增材制造技术（1）工艺研究北京航空材料研究院针对飞机和发动机用32航空材料学报第43卷TC4、TC11、TA15、TC17、Ti60 钛合金以及 GH4169高温合金32开展了电子束熔丝增材制造工艺及组织性能研究。研究发现：增材制造的 TC17 钛合金微观组织经过不同固溶温度处理后的微观组织如图 7 所示，其微观组织尺寸及比例与力学性能间可用改进的 Hall-Petch 公式表达33。增材制造的TA15 钛合金在优化热处理工艺下力学性能各向异性几乎消失，且强度和塑性获得同时提升34。增材制造的 Ti60 钛合金蠕变性能达到锻件水平35。2 m2 m2 mpspsps(a)(b)(c)2 m2 m2 mpspsps图7增材制造的 TC17 钛合金不同温度固溶处理后的微观组织33（a）750;（b）800;（c）850Fig.7MicrostructuresofadditivemanufacturedTC17alloyspecimenssolutiontreatedatdifferenttemperature33（a）750C;（b）800C;（c）850C南昌航空大学对比分析了 TA3、TB5、TC4 钛合金基板对电子束熔丝增材 TC4 钛合金组织特征及力学性能的影响36，结果表明：在相同层数下，柱状晶宽度 TC4(TB5 基板)TC4(TA3 基板)TC4(TC4 基板)。华中科技大学团队的研究将电子束熔丝增材钛合金内部气孔分为三种类型37，其形成机理分别为：型气孔为熔池内的氢等元素在凝固过程中溶解度突变，来不及逸出形成的；型气孔为易挥发 Al元素从高温熔池逸出与型气孔碰撞形成混合气泡，随后金属元素依附于气泡壁形核长大，形成内壁具有球状组织的气孔；Ti、V的凝固前沿所捕获的型气孔气泡在受到Al元素蒸发的反冲压力的作用时被撕破，形成了具有爆炸撕裂状特征的型气孔。（2）工艺装备国内电子束熔丝增材制造设备生产厂家主要有中国航空制造技术研究院、桂林狮达机电技术工程有限公司和西安智熔金属打印系统有限公司。由于电子枪等核心部件与国外相比仍有较大差距，且熔丝成型软件与控制系统尚不完善，国内电子束熔丝增材制造设备尚不成熟。（3）应用为满足发动机双性能盘的需求，北京航空材料研究院电子束熔丝增材制造了钛合金双合金离心叶轮，叶片部位能够满足 600 使用要求，盘心部位具有更高的强度。中国航空制造技术研究院采用电子束熔丝增材制造了 TC4 钛合金飞机框梁、TC18 钛合金滑轮架等结构件18。1.2.2电子束选区熔化增材制造（a）工艺研究西北有色金属院研究了电子束选区熔化工艺下 Ti-6Al-4V 粉末重复利用次数对粉末成分、尺寸分布、松装密度、流动性和粉末外观形貌和增材制件力学性能的影响38。随着重复利用次数增加发现：粉末中氧含量逐渐增加，从新粉的 0.09%增加至 0.19%（重复利用 21 次后）；Al 和 V 元素含量基本保持稳定；粉末球形度变差，表面粗糙；粉末流动性提高；由于氧含量的增加使得抗拉强度和屈服强度增加。清华大学研究了电子束选区熔化增材 Ti-6Al-4V 粉末重复利用次数对粉末微观组织、硬度、杨氏模量和电子束选区熔化制件力学性能的影响39。新粉末和回收粉末的混合使用对电子束选区熔化制件拉伸性能没有明显影响。重复使用 4 次的拉伸性能与原始粉末制件的拉伸性能几乎相等。对电子束选区熔化增材钛铝金属间化合物工艺研究发现40：预热温度为 1000 时，增材制造的 Ti-45Al-7Nb-0.3W 合金中依然存在裂纹，而提高预热温度至 1050 和 1100 时，裂纹消失。北京科技大学针对高 Nb 含量 Ti-45Al-8Nb 合金研究了电子束选区熔化预热工艺对微观组织的影响41，结果表明，在高的预热束流下，形成近片层组织；在图6电子束选区熔化增材制造的 TiAl 低压涡轮叶片6Fig.6TiAlalloy low-pressure turbine blade made by elec-tronbeamselectivemeltingadditivemanufacturing6第1期航空装备电子束增材制造技术发展及路线图33低预热束流下，形成近 组织。随预热束流自 26mA 降低至 24mA，抗拉强度自 710MPa 降低至670MPa，远高于铸造状态的强度（580MPa）。快速凝固和成形过程中循环退火形成的非常细小的片层组织是电子束选区熔化沉积态抗拉强度高的原因。（b）工艺装备国内电子束选区熔化设备厂商主要有天津清研智束科技有限公司和西安赛隆金属材料有限责任公司。（c）应用北京航空材料研究院电子束选区熔化增材制造了飞机用 TC4 钛合金平衡环，力学性能达到锻件水平。中国航空制造技术研究院增材制造了TiAl 样品42。目前国内电子束选区熔化技术在航空装备领域的应用仍处于研究阶段，尚未获得装机应用。2航空装备电子束增材制造技术路线图针对电子束增材制造技术发展现状及趋势制定了面向 2035 年的航空装备电子束增材制造技术路线图，如图 8 所示。本技术路线图包括发展需求、目标、关键技术、应用和战略支撑与保障 5部分。2.1 发展需求基于航空大尺寸结构件对低成本快速制造的需求和高价值零件服役后的修复需求，特别是对于难加工的钛合金和高温合金以及新型梯度材料结构，迫切需要以电子束熔丝增材制造技术为代表的快速、低成本制造技术。复杂结构以及难熔合金制件的制造对电子束选区熔化增材技术具有迫切需求。例如，采用传统方法制造 TiAl 合金低压涡轮叶片、冷却结构和金属基复合材料易开裂，制造难度大，而电子束选区熔化增材具有的真空、高温预热低应力等特点使其非常适合室温低塑性材料制件的制造。此外，电子束选区熔化增材能够满足点阵等传统方法难以制造的新型结构的优化设计制造。航空装备对电子束增材制造需求的具体体现包括以下几个方面：飞机钛合金框梁、滑轨、滑轮架、起落架等重要承力件的电子束熔丝增材制造；大尺寸结构件的锻造/铸造+电子束熔丝复合制造；航空发动机机匣类零件的电子束熔丝/选区熔化增材制造；航空发动机钛合金及高温合金叶片、整体叶盘、离心叶轮的电子束熔丝/选区熔化增材制造；航空发动机 TiAl 低压涡轮叶片、导向器、管路等复杂结构的电子束选区熔化；航空发动机难熔合金等新材料复杂结构电子束选区熔化增材制造。2.2 目标突破电子束增材制造装备的核心元器件及在线监控、电子束增材制造用粉末/丝材原材料、缺陷控制、后处理、组织及力学性能调控等关键技术，建立组织性能数据库，制定材料、工艺及检测标准。在产品增材制造质量控制技术、产品技术标准研究和零件充分考核验证的基础上，推进电子束增材制造在航空装备上的应用。至 2035 年，在航空领域实现电子束熔丝增材制造重要承力结构件的量产应用、电子束选区熔化 TiAl 金属间化合物低压涡轮叶片以及传统钛合金和高温合金制件的量产和装机应用。2.3 关键技术电子束增材制造关键技术包括：（1）高可靠长寿命电子枪电子枪是发射、形成和会聚电子束的装置，为增材制造提供能量源，是电子束增材制造设备的核心部件43。电子束增材制造过程中电子枪需连续工作数十至数百小时，对阴极寿命要求高。增材制造过程中产生大量金属蒸气，阳离子进入电子枪的阴极与阳极之间易导致放电现象并造成过程中断。此外，基于电子光学的电子枪聚焦及扫描线圈设计和精确控制是获得优质电子束的重要条件，选区熔化过程中需保证不同位置（不同电子束偏转角度）处电子束焦点位置的一致性和电子束到达位置的准确性。因此，高可靠长寿命的电子枪是关键技术之一。（2）增材制造专用丝材及粉末原材料的成分再设计电子束增材制造过程中材料在高能量密度的电子束作用下快速熔化凝固，由于不同元素的蒸气压不同，使得低熔点元素快速挥发损失，造成增材制件成分与原材料成分差异较大，甚至不能满足材料标准下限要求。例如，钛合金真空电子束熔丝增材制造过程中Al 元素烧损比例可达10%20%11,35，钛铝金属间化合物电子束选区熔化增材同样面临Al 元素烧损问题30,41。钛合金中合金元素的烧损减弱固溶强化水平，降低增材制件力学性能。对于铸造性能差的铝合金，由于固液温度区间大，热裂敏感性强，增材制造过程中易形成热裂纹。通过在34航空材料学报第43卷粉末/丝材中添加微量元素可有效细化晶粒并改善热裂性能44。高 含量高温合金增材制造同样面临热裂纹问题，需针对增材制造工艺特点设计专用高温合金成分45，使其抑制裂纹缺陷产生的同时保持高的力学性能。（3）增材制件内部缺陷控制及其无损检测技术电子束增材制件内部缺陷主要有气孔、未熔合、裂纹等。缺陷将直接导致增材制件的报废或早需求Needs大尺寸结构件对低成本快速制造的需求The demand for low-cost manufacturing of large size components航空装备高价值零件修复技术需求The demand for repair technology of high-value parts of aircraft equipment复杂结构以及难加工材料的增材制造需求The additive manufacturing demand for the complex parts and refractory alloys电子束增材制造的飞机和发动机重要承力件实现量产和装机应用Electron beam additive manufactured key load bearing components for airplane andaeroengine realize mass production and application高可靠、长寿命电子枪High reliable and long-life electron beam gun增材制造专用丝材及粉末原材料的成分设计Composition design of wire and powder for additive manufacturing增材制造内部缺陷控制及其无损检测Internal defect control and NDT of additive manufactured parts微观组织及力学性能均匀性批次稳定性控制技术Heterogeneity and batch stability control of microstructure andmechanical properties应力变形控制技术Stress and deformation control technology增材制造的飞机重要承力结构件和发动机转动件装机应用Additive manufactured load bearing parts for airplane and rotary partsfor aeroengine realize application增材制造的飞机及发动机上获得大批量装机应用Additive manufactured airplane and aeroengine parts get mass application构建完善的增材制造标准体系Build a perfect additive manufacturing standard system2025年2030年2035年加强电子束增材制造装备、软件研发投入Strengthen the R&D investment on the electron beam additivemanufactruing equipment and software深入开展电子束增材制造基础科学问题研究Carry out in-depth research on basic scientific issues in the electronbeam additive manufacturing加强工程化应用研究，推动电子束增材制件扩大应用范围StRengthen the engineering application research and expand thscope of application for the electron beam additive manufacturedcomponents飞机次承力件和发动机静止件装机应用Additive manufacturedsecondary load bearing partsfor airplane and stationary partsfor aeroengine realizeapplication突破增材制造装备、材料、工艺及后处理等关键技术Breakthrough on the key technologies of additive manufacturingequipment,materials,process and post-processing建立电子束增材制造材料、工艺、检测以及验收标准Establish the electron beam additive manufacturing materials,process,test and acceptance standards目标Objectives共性关键技术Commonkeytechnology应用Applications战略支撑与保障Strategicsupportandguarantee图8面向 2035 年的航空装备电子束增材制造发展技术路线图Fig.8Technologyroadmapforthedevelopmentofelectronbeamadditivemanufacturingofaviationequipmenttowards2035第1期航空装备电子束增材制造技术发展及路线图35期失效，因此控制缺陷是增材制造的关键技术。由于增材制造组织的各向异性以及晶粒外延生长特征，使其无损检测，如超声检测与锻件的检查差异较大，建立内部缺陷形状尺寸与检测结果间准确的定量关系是增材制件检测的难点和关键技术。（4）增材制件组织性能均匀性及批次稳定性控制技术增材制造过程中零件各部位温度场不同，组织特征存在微小