NASA：航空航天零件金屬3D打印工藝選擇方法

導讀：在過去的十年中，在航空航天工業(yè)領域應用金屬增材制造 (AM) 進行開發(fā)變得越來越普遍。增材制造可用于替換、維修、建造大量零件。但一直以來，如何確定零件的最佳增材制造工藝仍沒有相關的文檔記錄或者相關指南。將AM用于航空航天業(yè)有許多技術和程序化優(yōu)勢。技術優(yōu)勢包括減少質量、復雜的幾何形狀（傳統(tǒng)制造不可行）、增強的熱傳遞、零件固結和新型高性能合金的使用。程序化優(yōu)勢包括減少零件交貨時間和成本、快速的設計故障修復周期、更快的上市時間、減少廢料浪費和更低的購買資金。盡管增材制造有許多優(yōu)點，但在某些應用中它可能并不比傳統(tǒng)制造好，應該針對每個零件和生產(chǎn)率進行工藝評估。


2022年8月，南極熊獲悉，NASA 工程師最近發(fā)表了一篇期刊文章（《Robust Metal Additive Manufacturing Process Selection and Development for Aerospace Components》, Gradl et al.《航空航天部件的穩(wěn)健金屬增材制造工藝選擇和開發(fā)》，Gradl 等人），總結了金屬增材制造工藝選擇的整體方法以及如何成功地將增材制造用于航空航天部件。本文深入了解了增材制造生命周期的每個階段，并為工程師和團隊分析和選擇適合其應用的最佳增材制造工藝奠定了基礎。

AM生命周期
為零件選擇最佳的增材制造工藝，首先要全面了解組件的整個生命周期。增材制造航空航天部件的迭代且高度集成的生命周期步驟是（1）設計和預處理，（2）打印過程（包括工藝參數(shù)和原料），（3）后處理，（4）投入使用及資格檢查。每個生命周期步驟（及其子步驟如圖 1 所示）都會影響流程選擇、所需步驟，并影響最終零件的性能。


△AM 航空航天部件迭代生命周期中的主要工藝步驟

設計和預處理
設計步驟不僅包括典型的設計過程，還包括增材制造和模型驗證設計（即模型檢查和零件詢問），以確保導出的模型與原始設計相匹配。在制造步驟之前，設計和預處理步驟就需要在增材制造生命周期中進行大量迭代。在設計中必須考慮增材制造生命周期中的所有后續(xù)步驟，包括用于夾具、加工基準、用于粉末去除的端口或用于精加工操作（如拋光）的尺寸特征。整個AM過程應該注意設計階段，以最大限度地減少成本和迭代。

構建過程
AM 工藝通常具有不同的能源、輸入?yún)��?shù)和原料要求，這進一步打開了設計市場空間。本文重點介紹當前飛行應用中已經(jīng)（或正在）使用的增材制造流程。此類金屬增材制造工藝的示例如下圖所示。這些工藝類別包括粉末床熔融(PBF)、定向能量沉積(DED) 和固態(tài)工藝，例如冷噴涂(CS)、摩擦攪拌沉積(AFS ) -D) 和超聲波增材制造(UAM)。這些工藝已用于維修、涂層和自由成型零件制造；每種工藝都有獨特的優(yōu)勢和局限性。目前使用最多的工藝是激光粉末床熔融 (L-PBF)，其次是 DED（包括激光線材 DED (LW-DED) 和激光粉末 DED (LP-DED)）。每個增材制造工藝的使用量都在迅速增加。增材制造工藝通常是相互補充的，可以相互結合使用，以最大限度地降低整體零件成本和性能。


△各種金屬增材制造工藝的特寫圖像以及沉積/構建方向。(a) 激光粉末床熔融 (Ref)，(b) 電子束粉末床熔融，(c) 激光粉末 DED，(d ) 激光線 DED ，(e) 弧線 DED，(f) 電子束 DED ，(g) 冷噴涂， (h) 摩擦攪拌沉積，(i) 超聲波增材制造

后處理
后處理通常涉及多個步驟，包括粉末去除、構建板去除、熱處理、機加工、檢查、清潔、連接和表面拋光。適當?shù)臒崽幚砜上�除殘余應力并改善其最終應用所需的材料性能。后處理步驟必須針對每個零件、材料和制造方法單獨定制。

投入使用及資格檢查
將零件投入使用時需要組裝、測試、零件鑒定工作和生產(chǎn)計劃。零件在役步驟需要知識淵博的工程師在增材制造生命周期的各個方面（設計、預處理、構建過程和后處理）進行詳細集成，以滿足零件要求。這可能涉及流程之前的設計迭代，提供了優(yōu)化流程選擇和實現(xiàn)性能目標的機會。

工藝選擇的市場因素
增材制造工藝選擇的市場經(jīng)濟因素分為四個主要領域：(1) 設計特征，(2) 工藝輸入，(3) 工藝限制和考慮因素，(4) 冶金和幾何考慮因素。設計特征包括合金選擇、整體零件尺寸和特征分辨率。過程輸入包括原料的類型和屬性（化學、粒度分布、線徑等）和詳細參數(shù)。工藝限制和考慮因素包括單合金或多合金的使用、工藝經(jīng)濟性、工藝可用性和工業(yè)成熟度。幾何和冶金方面的考慮包括后處理（包括配合法蘭的機加工、拋光等）和導致最終性能的冶金特性。


△航空航天部件的工藝選擇屬性。

設計特點
合金原料選擇是工藝選擇的第一步，并非所有合金都可用于某種工藝，并且合金性能會有所不同。航空航天增材制造金屬包括鋁合金、不銹鋼、鈦​​合金、鎳基和鐵基高溫合金、銅合金和難熔合金。

整體零件尺寸可能會也是工藝選擇的重要參考因素。僅為構建體積選擇的工藝不能保證滿足最終零件的性能、特征分辨率或材料特性的要求。需要對行業(yè)狀況進行持續(xù)評估，以確定流程的當前構建量。在過去 6 年中，增材制造工藝的構建量大幅增加，一些工藝現(xiàn)在能夠構建高達 9 米高和 5 米直徑的體積。

每個增材制造工藝的特征分辨率都有范圍，并且高度依賴于原料、機器硬件配置和工藝參數(shù)。下圖顯示了與沉積/構建速率相比的特征分辨率。需要明確的一點是，并非所有 AM 工藝都是為最高特征分辨率而設計的，許多工藝旨在提供高沉積速率作為鍛造或鑄造替代品，并減少總體建造成本。


△基于特征分辨率、構建/沉積率和多合金構建的工藝選擇

過程輸入
設計師還必須考慮金屬增材制造的供應鏈，特別是起始原料和增材制造加工機器。無論成分、形式或新穎性如何，原料的交付周期都可能很長，在評估整個供應鏈時必須加以考慮。粉末原料要求取決于增材制造工藝，并且必須根據(jù)化學成分和粒度分布 (PSD) 進行控制，以確保流動性和鋪展性。其他原料，如線材、棒材或箔材，對于普通合金來說可能很容易獲得，但對于定制合金，可能需要更長的交貨時間或更高的成本。

大多數(shù)增材制造工藝允許使用多種合金，盡管迄今為止，多合金增材制造部件的冶金特性和在飛行應用中的全面實施受到限制�？梢葬槍�質量、熱、結構或其他設計特征對使用多種合金的構建進行優(yōu)化，并且可以消除或減少連接或打印后組裝操作。

過程限制和注意事項
由于增加的構建時間、構建功能或必要的后處理操作，復雜性會帶來許多隱性成本。此外，可檢查性通常會隨著復雜性的增加而降低。復雜性給后處理操作帶來了挑戰(zhàn)，例如除粉、加工、拋光和檢查，應在整個生命周期內進行評估。隨著沉積速率的增加，成本會降低，但特征分辨率也會降低。AM 流程之間的成本交易必須包括竣工復雜性和所需的后處理步驟。例如，接近最終形狀的零件可能會以高沉積率快速構建，但由于庫存過多，需要額外的加工時間。

最常用的金屬增材制造工藝是 L-PBF，數(shù)百家公司和服務供應商都可以使用機器。與 LP-DED 相比，使用L-PBF生產(chǎn)零件的供應商要多得多。LW-DED 和弧線 (AW)-DED 都擁有有限的服務供應商商業(yè)供應鏈。冷噴涂的生產(chǎn)工藝機器有限，但隨著新機器制造商的出現(xiàn)，市場正在增長。與少數(shù)機器供應商的許多其他工藝相比，AFS-D 和 UAM 的開發(fā)較少，但所有工藝的研究和工業(yè)化正在迅速成熟。

材料和結構
隨著金屬增材制造工藝成熟并被用于航空航天部件，必須進一步了解微觀結構對工藝參數(shù)、原料和機器輸入的響應。材料特性高度依賴于原料、工藝本身以及熱處理等后處理方法。金屬加工的變化將對微觀結構和材料性能產(chǎn)生重大影響。根據(jù)材料的狀態(tài)、加熱和冷卻速率或構建操作期間的冷加工，每個過程都會產(chǎn)生不同的微觀結構。在實施到飛行應用之前，必須充分了解和鎖定構建參數(shù)和原料，并在整個熱處理和后處理的演變過程中評估微觀結構。


△不同金屬增材制造工藝的 Inconel 625 的完工微觀結構

總結和展望
雖然增材制造在航空航天應用中正逐步走向成熟和工業(yè)化，但每個部件制造的時候仍需要單獨評估，以確定最適合的增材制造工藝。最終，要仔細關注生命周期的每個步驟，以生產(chǎn)滿足冶金特性和性能、幾何公差和設計意圖的零件，并以最經(jīng)濟的方式獲得所需零件。

未來的工作需要將繼續(xù)關注材料表征和特性，提煉和傳播學術研究和行業(yè)成果，分析增材制造工藝的優(yōu)缺點成熟，并最終為商業(yè)航空航天應用提供更全面的視角。
原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s11665-022-06850-0