选区激光熔化技术发展现状及在民用飞机上的应用

SLM技术在民用飞机上的应用前景

    随着技术进步及人民生活水平的提高，公众对民用飞机的经济性、环保的要求越来越高，这对民用飞机的制造技术提出了更高的要求。减轻飞机结构件的重量能有效降低材料成本和燃油消耗，提升飞机的市场竞争能力。增材制造技术由于能有效改进结构设计，减少材料用量，缩短加工流程而倍受关注。包括波音、空客等大型民用飞机制造商都投入了大量的资金、人力、物力对这一技术进行研究，并已取得了显著成果，在飞机发动机、吊挂、襟翼、舱门等部位已有成功的应用。例如：空客公司在A300/A310机上厨房、盥洗室和走廊等连接铰链上应用了增材制造结构件，并在其最新的A350XWB型飞机上应用了Ti-6Al-4V增材制造结构件（如图2所示），且已通过EASA及FAA的适航认证。GE公司采用增材制造技术制造了Leap喷气发动机的金属燃料喷嘴，通过这一技术，将喷嘴原本20个不同的零部件变成了1个。这样造出的燃油喷嘴重量更轻，而且能够承受极端温度，为该公司节约了大量成本。近期GE拟采用增材制造技术制造GE9X喷气发动机的低压涡轮，GE9X据称是“有史以来建造的最先进、最省油的商用飞机发动机”，这款发动机将成为波音777客机的下一代——777X客机的驱动引擎，该款机型将于2017年开始生产，并有望在2020年交付首架给客户。

图2 空客公司采用SLM技术制造的Ti-6Al-4V结构件

    国内在SLM技术的研究上也取得了一定的进展，不过相比之下，其技术的发展还不够成熟，要实现在民用飞机上的应用，仍有大量的工作要做，例如解决SLM成形本身的技术问题，研究成形件后续处理工艺技术，并编制相关标准规范制度，进行结构件的适航认证等。图3所示为国内企业用SLM技术成形的复杂零件。

图3 国内企业用SLM技术成形的复杂零件

    目前，SLM技术的关键工艺技术有两个：成形过程中粉末的球化现象和制件存在孔隙、裂纹等缺陷问题。球化现象是指在激光成形过程中，金属熔化后形成大量彼此隔离的金属球，破坏成形金属表面质量，严重时阻碍铺粉辊的运动，使成形过程无法继续进行下去。孔隙的形成则使得成形件致密度低，严重影响其性能。在SLM成形工艺方面，南京航空航天大学的顾冬冬教授做了很多工作，分析了铜基合金、不锈钢等材料成形时的球化分析机理，提出可通过预热粉末床，控制激光扫描速度和线能量密度等方式减少球化；此外还研究了铜基合金的孔隙率与加工参数的关系，并指出合理控制能量密度是减少孔隙产生，提高制件性能的关键。

    由于用SLM技术制造出来的零件表面质量和尺寸精度不能满足最终使用状态要求，因此还需对增材制造结构件进行少量的后处理，如机械加工、热处理、表面处理等。这就要求对SLM制件的后处理技术进行研究，将其与传统的锻件、铸件的加工性能进行对比，找出合理的工艺参数。

    此外，民用飞机还有一个很大的特点，就是所有的材料和制造方法必须经过适航认证才能实现装机应用，这就要求制定相应的材料规范和工艺规范，并向负责适航审定的局方演示，获得局方的认可，这方面也是国外走在前列。例如：2013年美国汽车工程师协会（SAE）制定了Ti-6Al-4V粉末的航空材料标准AMS4998E。2002年SAE制定了直接沉积Ti-6Al-4V产品航空材料标准AMS4999，2011年将其升版为AMS4999A。此外，美国材料测试协会（ASTM）已发布两项有关粉末床熔覆钛合金的标准，分别为ASTM F2924-14：粉末熔覆床工艺增材制造Ti-6Al-4V标准规范和ASTM F3001-14：粉末熔覆床工艺增材制造Ti-6Al-4V ELI标准规范，这些规范规定了用于增材制造的粉末、设备及工艺方面的要求。而国内关于SLM标准规范方面的工作却仍十分欠缺，国内航空工业界仍需付出艰辛的努力。

结束语

    本文简要介绍了选区激光熔化增材制造（SLM）技术的特点和发展现状，总结了国内外关于SLM所用的设备、粉末原材料面临的关键技术难题等情况，分析了这项技术在民用飞机上的应用前景，对促进SLM技术在民用飞机上的应用有一定的参考意义。