金属材料激光增材制造技术及在航空发动机上的应用_刘业胜

金属材料激光增材制造技术及在航空发动机上的应用

中航商用航空发动机有限责任公司 刘业胜　韩品连　胡寿丰　柴象海　曹　源

随着增材制造技术的不断发展及技术的不断突破，研制零件的力学性能、疲劳性能等不断提高，

其在工业领域，特别是航空航天领域必将具有非常广阔的应用前景。

Development of Laser Additive Manufacturing With Metallic Materials and

Its Application in Aviation Engines

刘业胜

毕业于哈尔滨工业大学机电工程

学院，硕士。现任职于中航商用航空发

动机有限责任公司，主要从事航空发动

机压气机结构设计、先进加工制造技术与新材料在航空发动机零部件上的工

程应用研究。

金属材料增材制造技术及其特点金属材料增材制造技术，又称3D 打印技术、激光快速成型技术，主

要以金属粉末（尺寸小于1mm 的金属颗粒群）、颗粒或金属丝材为原料，

通过CAD 模型预分层处理，采用高功率激光束熔化堆积生长（“增材制造”），直接从CAD 模型一步完成高

性能构件的“近终成形”

[1]

。金属材料增材制造技术，可分为激光直接熔化制造技术（Laser Melting Deposition,

LMD）和选择性激光熔化技术（Select

Laser Melting，SLM）。与传统的金属零件加工技术相比，金属材料增材制造技术有着无法比拟的优点[2]，具体如下：

（1）零件室温综合力学性能优异；

（2）复杂零件制造工艺流程较

传统工艺大大缩短；

（3）无模具快速自由成型，制造

周期短，小批量零件生产成本低；（4）零件近净成型，机加余量小，材料利用率高；

（5）可实现多种材料任意复合制造；

（6）激光束能量密度高，可实现

传统难加工材料如TC4、Inconel718、17-4PH、38CrMnSiA 等的成型。

金属材料增材制造技术是一门融合了计算机软件、材料、机械、控制、网络信息等多学科知识的系统性、综合性技术。采用离散化手段逐点或逐层“堆积”成型原理，依据产品三维CAD 模型，快速“打印”出产品零件，彻底改变了传统金属零件，特别是高性能难加工、构型复杂等金属零件的加工模式，在航空航天等装备预研与生产中具有广阔的应用前景，成为当前材料制备科学和先进制造技术学科领域国际前沿研究和竞争热点之一[3]。

金属材料增材制造基本原理

1　LMD 技术基本原理

LMD 技术作为增材制造技术

的一种，是通过快速成型（Rapid Prototyping，RP）技术和激光熔覆技术有机结合，以金属粉末为加工原料，采用高能密度激光束将喷洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。整个LMD系统包括激光器、激光制冷机组、激光光路系统、激光加工机床、激光熔化沉积腔、送粉系统及工艺监控系统等。

LMD快速成型技术的基本原理为：首先，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片；第二，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强度等，并转换成相应的计算机数字控制程序；第三，将激光溶化沉积腔抽真空，并充入一定压力的惰性保护气体，防止粉末熔化时被氧化；第四，计算机控制送粉系统向工作台上的基板喷粉，同时激光器在计算机指令控制下，按照预先设置的扫描程序进行扫描，溶化喷洒出来的粉末，熔覆生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层；最后，激光阵镜、同轴送粉喷嘴等整体上移（或工作台下移）一个切片厚度并重复上述过程，逐层熔覆堆积直到形成CAD模型所设计的形状，加工出所需的金属零件[4-6]。

2　SLM技术基本原理

SLM技术作为增材制造技术的另外一种实施方式，由粉床选区激光烧结技术（SLS）发展而来，以金属粉末为加工原料，采用高能密度激光束将铺洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。整个SLM设备包括激光器、激光阵镜、粉末碾轮、粉末储存室、零件成型室等。

SLM快速成型技术的基本原理为：首先，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片；第二，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓

设计合理的激光器扫描路径、激光扫

描速度、激光强度等，并转换成相应

的计算机数字控制程序；第三，将激

光溶化沉积腔抽真空，并充入一定压

力的惰性保护气体，防止粉末熔化时

被氧化；第四，计算机控制可升降系

统上升，粉末碾轮将粉末从粉末储存

室推送到零件成型室工作台上的基

板，同时激光器在计算机指令控制

下，按照预先设置的扫描程序进行扫

描，溶化铺洒在基板上的粉末，熔覆

生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆

层；最后，粉末储存室上移而零件成

型室下移一个切片厚度并重复上述

过程，逐层熔覆堆积直到形成CAD

模型所设计的零件。

金属材料增材制造发展现状

1　LMD技术发展现状

1.1　LMD技术国外发展现状

增材制造技术发展经历了3个

阶段，1892~1988年的技术孕育期、

1988年开始的快速原型技术及20

世纪90年代初期以来的直接增材制

造。1979年，UTRC提出激光立体成

形技术概念并制作出航空发动机涡

轮盘模拟件；1994年起，Rolls-Royce

探索航空发动机零件激光成形，另外

英国利物浦大学和美国密西根大学、

加拿大国家研究委员会集成制造技

术研究所、瑞士洛桑理工学院、美国

Sandia国家实验室、美国Los-Alamos

国家实验室、美国Aeromet公司、美

国宾州大学、英国伯明翰大学等都相

继开展研究[7-10]。由于LMD同轴送

粉效率高，材料致密性好，因此，越来

越多的用于大型零件的增材制造及

零件修复工作。

国外有关大型零件增材制

造技术的研究主要集中在美国。

1995~2005年间，在美国国防部先进

研究计划署及海军研究办公室等部

门的巨额资助下，美国约翰哈普金斯

大学、宾夕法尼亚州立大学及MTS

公司等对飞机钛合金结构件激光快

速成形技术进行了大量研究并取得

重大进展[11-12]，在此基础上，1998年

由MTS公司独资成立了专门从事飞

机钛合金结构件激光快速成形制造

技术研发和工程化应用的AeroMet

公司，与波音、洛克希德·马丁及诺

斯罗普·格鲁曼等美国三大军用飞

机制造商合作，在美国空军“锻造计

划”（Air Force’s Forging Initiative）、

陆军制造技术计划（Army’s Mantech

Program）、国防部“军民两用科技计

划”（Dual Use Science and Technology

Program）等资助下，致力于飞机钛

合金结构件激光快速成形技术研究

及其在飞机上的应用关键技术研究。

2000年9月在波音和洛克希德·马

丁公司完成了对激光直接成形钛合

金全尺寸飞机机翼次承力结构件研

究，构件静强度及疲劳强度达到飞

机设计要求；2001年为波音公司F/

A-18E/F舰载联合歼击/攻击机验证

机小批量试制了发动机舱推力拉梁、

机翼转动折叠接头、翼梁、带筋壁板

等飞机钛合金次承力结构件[1]，其中

F/A-l8E/F 翼根吊环满足疲劳寿命谱

4倍要求，随后静力加载到225%也

不破坏；2002年实现激光快速成形

钛合金次承力结构件在F/A-18验证

机上的装机应用。此外，美国还将应

用于F-22接头的制造，试验结果表

明其疲劳寿命高出寿命谱的两倍。

在LMD技术取得一定突破的时

候，国外还将该技术广泛用于损伤

零件的修复，包括飞机零部件腐蚀

零件、航空发动机磨损等零件的修

复[13]。美国AeroMet公司采用激光

成形技术完成了F15战斗机中机翼

梁的检修；美国Optomec Design公

司，采用激光成形技术进行了T700

美国海军飞机发动机零件的磨损修

复；瑞士洛桑理工学院采用激光成

形技术修复单晶涡轮叶片。

1.2　LMD技术国内发展现状

我国在金属材料增材制造领域