激光輔助金屬絲液滴沉積的金屬增材制造

來源：江蘇激光聯(lián)盟

金屬增材制造可被應(yīng)用于多領(lǐng)域，本綜述著重介紹其在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用、該領(lǐng)域應(yīng)用此技術(shù)的優(yōu)勢所在、現(xiàn)有應(yīng)用存在的挑戰(zhàn)、該領(lǐng)域未來發(fā)展的潛力以及對(duì)該技術(shù)應(yīng)用的展望。此為三部分的第一部分，主要是該技術(shù)以及其在航空航天領(lǐng)域的特性介紹。
概述：

金屬增材制造（Metal additive manufacturing-AM）包含添加材料從而生產(chǎn)一層層的金屬組件的制造技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的重要特色就在于其商業(yè)化和性能優(yōu)勢，使得其在航空航天工業(yè)發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛。

▲圖0  本文的Graphical Abstract

具體而言，航空航天應(yīng)用中金屬增材制造的基本優(yōu)勢包括：成本和生產(chǎn)周期顯著降低、材料新穎和設(shè)計(jì)解決方案獨(dú)特、高效輕量的設(shè)計(jì)可減輕部件的質(zhì)量、通過多種方式整合各組件以實(shí)現(xiàn)性能增強(qiáng)或風(fēng)險(xiǎn)管理（例如利用熱負(fù)荷部件的內(nèi)部冷卻功能或者取消傳統(tǒng)的連接過程。這些正被大規(guī)模商用于一系列備受矚目的航空航天應(yīng)用中，包括液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑儲(chǔ)罐、航空部件、熱交換器、渦輪機(jī)、閥門和遺留設(shè)備的維保。該文全面回顧了航空航天工業(yè)中的金屬增材制造，概述當(dāng)前的技術(shù)水平，同時(shí)提供金屬增材制造的主要應(yīng)用場景以及相關(guān)的商業(yè)和技術(shù)價(jià)值�；�于這些觀察以及成功案列，針對(duì)每個(gè)應(yīng)用場景進(jìn)行了存在的挑戰(zhàn)和潛在機(jī)會(huì)的介紹，并且對(duì)未來發(fā)展?jié)摿�和�?yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了展望。

1. 簡介
航空航天部門包括商業(yè)和軍事飛機(jī)、空間探索和空間系統(tǒng)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星和通用航空。新冠肺炎（COVID-19）對(duì)航空航天部門的收入造成了極負(fù)面影響，從2019年的3422億美元下降到2020年的2980億美元。這一下降主要是由航空旅行限制、社交距離和其他限制造成的。盡管商業(yè)航空業(yè)面臨著巨大挑戰(zhàn)，由于對(duì)新商業(yè)飛機(jī)的長期需求、全球軍費(fèi)開支的增加、航天航空的多個(gè)活動(dòng)以及整個(gè)疫情大流行期間仍持續(xù)進(jìn)行的大量研發(fā)，航天部門收入仍有望到2025年增長到4308.7億美元。

航天制造業(yè)受到許多相互作用的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的限制，比如性能要高，生產(chǎn)周期要少，重量要輕，復(fù)雜性逐步增強(qiáng)，成本管理和維護(hù)的優(yōu)化等。這些目標(biāo)都有很強(qiáng)的針對(duì)性，且彼此之間關(guān)系密切，以及選擇最佳設(shè)計(jì)時(shí)必須仔細(xì)考慮所有因素。這些目標(biāo)的相對(duì)重要性取決于具體的航空航天應(yīng)用，但總的來說可以描述如下：

其一，性能——航天部門需要在相對(duì)固定的交付時(shí)間，提供在其預(yù)期環(huán)境中高度安全運(yùn)行的組件。

其二，生產(chǎn)周期縮短——在設(shè)計(jì)與航天相關(guān)的高價(jià)值組件時(shí)，需要滿足快速產(chǎn)品認(rèn)證并保持設(shè)計(jì)靈活性。

其三，輕量化——與航天的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)。具體而言，航空航天的技術(shù)和允許的任務(wù)有效載荷在物理層次上是有限的，這意味著系統(tǒng)質(zhì)量減少需要在這兩方面下功夫。包括降低燃料成本、降低排放、增加有效載荷和增加航程。輕量化的目標(biāo)受到成本管理的限制，并且特定的財(cái)務(wù)資源只可用于特定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。成本管理、輕量化和生產(chǎn)周期相互關(guān)聯(lián)，因此要想實(shí)現(xiàn)輕量化或縮短生產(chǎn)周期，系統(tǒng)成本通常會(huì)增多。成本管理適用于組件使用的所有方面，包括認(rèn)證和維護(hù)，以及降低成本管理的認(rèn)證風(fēng)險(xiǎn)。

航天AM應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是認(rèn)證，需要監(jiān)管機(jī)構(gòu)確信AM系統(tǒng)得到充分理解，并且可以重復(fù)設(shè)計(jì)和監(jiān)管，從而保證可靠性和安全預(yù)期。這些認(rèn)證要求根據(jù)其AM系統(tǒng)的重要性（安全性、任務(wù)關(guān)鍵性等）而有所差異。實(shí)際認(rèn)證要求與傳統(tǒng)制造的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)以及新興AM工藝標(biāo)準(zhǔn)都緊密相關(guān)。

其四，復(fù)雜性——航天結(jié)構(gòu)通常高度復(fù)雜且系統(tǒng)體積小，因此維保挑戰(zhàn)大。主要包括老舊飛機(jī)的部分適用性、再制造和維修，以及現(xiàn)有飛機(jī)的其他用途的重新認(rèn)證。復(fù)雜性是設(shè)計(jì)“天生”所具備的，因?yàn)槌汕�上萬的零件組成系統(tǒng)和子系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期環(huán)境中所需的性能，當(dāng)它們被集成到整個(gè)飛行系統(tǒng)中，通常組件超數(shù)百萬個(gè)。這些組件復(fù)雜程度很高，才能保證多性能(結(jié)構(gòu)、流量、熱量、可靠性、耐用性、兼容性。輕量化等)。

通過成本、縮短生產(chǎn)周期以及輕量化等不斷提高效率的努力中，更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和高性能材料的使用也越來越多。當(dāng)然，這必須控制在合理的成本和滿足商業(yè)訂單或任務(wù)要求的時(shí)間區(qū)間內(nèi)。幾十年來，傳統(tǒng)制造系統(tǒng)和戰(zhàn)略不斷發(fā)展以適應(yīng)這些航天目標(biāo)，并且發(fā)展著的AM也會(huì)反過來對(duì)這些目標(biāo)產(chǎn)生影響。AM數(shù)字化轉(zhuǎn)型——常被吹捧為工業(yè)4.0，到2025年將以20.24%的綜合年均增長率使其在航空航天領(lǐng)域的市場規(guī)模增至31.87億美元。

與傳統(tǒng)的減材制造（subtractive manufacturing）技術(shù)不同，增材制造利用多層制造，在普通原料上（通常是被熱源或者固化劑熔化的粉末或金屬絲）以數(shù)字熱源軌跡產(chǎn)生最終的圖案。使用AM制造的優(yōu)勢就是縮短生產(chǎn)周期、減少相關(guān)成本、增強(qiáng)設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜幾何形狀的能力；能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化；整合多個(gè)組件以提高性能；在一定的成本和時(shí)間范圍內(nèi)，提供方案和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理的優(yōu)化。利用金屬AM的設(shè)計(jì)靈活性，可以優(yōu)化材料布局，減少質(zhì)量，保持部件的機(jī)械性能和其他性能，還可以組合組件以降低風(fēng)險(xiǎn)和成本，減少跨接頭的潛在失效風(fēng)險(xiǎn)。此外， 通過利用機(jī)械、熱量和其他優(yōu)化方法，發(fā)揮其內(nèi)在優(yōu)勢（如燃燒室或渦輪刀片上的保形冷卻通道），可以增強(qiáng)其性能，而這些是以前復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)方法所無法實(shí)現(xiàn)的。雖然生產(chǎn)周期的縮短是現(xiàn)在航空航天應(yīng)用中使用AM的主要驅(qū)動(dòng)力，但特殊的制造場景也是一個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)力（圖1）。

▲圖1 單位成本與產(chǎn)量和生產(chǎn)復(fù)雜性的對(duì)比，以確定進(jìn)一步發(fā)展的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)最佳方案——特定應(yīng)用滿足多種目標(biāo)，例如高復(fù)雜性和低產(chǎn)量。這些場景對(duì)于商業(yè)AM應(yīng)用至關(guān)重要。來源：Fraunhofer, European Space Agency and GE Additive Copyright: ©SLM Solutions/ CellCore

AM的復(fù)雜性是這種技術(shù)的一大優(yōu)勢，因?yàn)樾碌脑O(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)機(jī)械和熱性能以及輕量化等多個(gè)目的。AM設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和適用性使得其能將多個(gè)組件合并為一個(gè)，并通過提高技術(shù)效率實(shí)現(xiàn)輕量。

盡管關(guān)于AM 技術(shù)，存在所謂的“無技術(shù)約束”的誤解，它們的確與高復(fù)雜組件高度兼容，通過將材料配置成技術(shù)(結(jié)構(gòu)、振動(dòng)或熱量)所需，而不是反過來受相關(guān)制造過程的限制。

需要注意的是，復(fù)雜性應(yīng)該在設(shè)計(jì)中和AM的整個(gè)生命周期內(nèi)進(jìn)行權(quán)衡，一旦處理不當(dāng)或者理解有誤，可能會(huì)需要額外的操作或造成意想不到的操作難點(diǎn)。

此外，多個(gè)組件的合并可以大大降低整體制造成本。這種成本降低可以通過降低生命周期成本以及與其他方面（故障零件的設(shè)計(jì)、認(rèn)證和風(fēng)險(xiǎn)管理等）相關(guān)的非經(jīng)常性費(fèi)用的減少得以實(shí)現(xiàn)。

航天部門高度依賴于高價(jià)值結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的加工鍛造。這種制造方法可最終形成高質(zhì)組件，因?yàn)榕髁先菀酌鞔_孔隙率和微觀結(jié)構(gòu)，但增加了大量的直接制造成本和縮短生產(chǎn)周期引起的成本。這種加工需要昂貴模具、高成本制造和多次試驗(yàn)，并且坯料加工固有的BTF比（即Buy-to-fly ratio,指的是制造一個(gè)零件所需原材料量與最終零件中所含有材料量的比率）高達(dá)20:1。這就相當(dāng)于質(zhì)量為10公斤的最終產(chǎn)品將需要200公斤原材料。甚至還有人聲稱這一比例接近40:1。

根據(jù)逐層制造的特質(zhì)，增材制造的BTF比在1:1和3:1 之間，使用的原材料質(zhì)量要少得多，形成的浪費(fèi)很少，可以說幾乎沒有！與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，AM可采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，在顯著降低制造航空零部件的成本并簡化回收和再加工流程方面發(fā)揮巨大潛力。許多航空合金生產(chǎn)所需鍛造原料的周期較長。由于許多AM工藝兼容多種普通合金，使用的粉末或線材原料，其商業(yè)生產(chǎn)周期可以大大縮短。目前，生產(chǎn)周期的顯著縮短是AM在這個(gè)行業(yè)的主要優(yōu)勢。

過去，AM在還沒有商業(yè)終端應(yīng)用前，以零件展示和初始功能測試的形式被廣泛用于快速原型制作。飛行時(shí)使用AM的起源可以追溯到21世紀(jì)初，從2010年到2011年，AM的使用范圍擴(kuò)大到了包括關(guān)鍵任務(wù)組件在內(nèi)的最終生產(chǎn)。隨著技術(shù)改進(jìn)、供應(yīng)鏈理解的加深以及應(yīng)用的嚴(yán)格性、標(biāo)準(zhǔn)化和認(rèn)證，制造加工的數(shù)字化轉(zhuǎn)型取得了初步成功。

AM的基本原理是利用CAD形成的3D模型數(shù)據(jù)中構(gòu)建近終型多層組件。這是一個(gè)復(fù)雜的流程（復(fù)雜既是優(yōu)勢，也帶來了挑戰(zhàn)），因?yàn)榇罅抗に噮��?shù)對(duì)生產(chǎn)部件質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生重要影響。隨著對(duì)這些參數(shù)理解的加深，可逐步減少相關(guān)質(zhì)量影響。這些參數(shù)包括功率、掃描速度、開口間距(hatch spacing)或軌跡重疊、掃描策略(例如使用輪廓、每層的陰影線的角度更改等)，它們會(huì)影響整個(gè)制造過程，從而影響組件質(zhì)量和性能（包括表面光潔度， 孔隙、殘余應(yīng)力、相關(guān)的組件裂紋、翹曲、獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)等）。這可以追溯到材料特性化的根源以及我們經(jīng)常提及的工藝-結(jié)構(gòu)-性能（Process-Structure-Properties）。

AM的其他缺點(diǎn)包括材料有限、材料特性不確定、設(shè)計(jì)限制、后處理要求、廢物的產(chǎn)生(比如用過的粉末，基板或者是過程失敗造成的廢物）、為了實(shí)現(xiàn)可行的復(fù)雜設(shè)計(jì)和輕質(zhì)部件對(duì)設(shè)計(jì)技能的高要求、通常利用較為耗時(shí)的拓?fù)鋬?yōu)化軟件以及嚴(yán)格的質(zhì)量控制和認(rèn)證。雖然AM機(jī)器越來越多，但其技術(shù)不像傳統(tǒng)技術(shù)那樣簡單容易，因此制造技術(shù)供應(yīng)鏈有待成熟。后處理是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，需要定制開發(fā)或優(yōu)化的熱處理、組件清潔度和表面增強(qiáng)以改善粗糙度。

所有航空制造都受到嚴(yán)格的質(zhì)量控制（如Quality Systems - Aerospace SAE AS9100和 Standard for Additively Manufactured Spaceflight Hardware MSFC-STD-3716, NASA Standard 6030），進(jìn)一步加劇了AM過程的復(fù)雜性，對(duì)組件質(zhì)量產(chǎn)生了影響。最近逐步成熟的技術(shù)和許多研究報(bào)告中完全不同的機(jī)械性能（如疲勞性能）都佐證了其重要性。而這會(huì)導(dǎo)致材料性能的不確定性和所需控制的差異性。各種國際標(biāo)準(zhǔn)目前正在開發(fā)中，以解決這一問題。通過恰當(dāng)?shù)馁|(zhì)量控制和優(yōu)化程序，上面提到問題都可以緩解或最小化。在粉末移除、熱處理、基板移除，熱等靜壓工藝（HotIsostatic Pressing,簡寫為HIP)、表面拋光以及最終加工中通常需要進(jìn)行后處理（post-processing）。

盡管存在上述缺點(diǎn)，但在特定的場景中AM仍然遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)制造工藝，比如AM非常適合航空航天應(yīng)用！