中國航空制造技術研究院李懷學：激光制造技術在航空領域的應用及發(fā)展”

2019年6月28日，激光制造與再制造技術及應用研討會 在北京興基鉑爾曼酒店召開�，F場專業(yè)人士眾多，南極熊3D打印網是本次研討會的合作媒體。


下面是現場速記，或許有些不完美之處，但總體上干貨信息量很大，值得閱讀。

主持人：各位專家，下午報告正式開始。我來自陸軍裝甲兵學院，做個介紹。今天下午的第一個報告是“激光制造技術在航空領域的應用及發(fā)展”，請中國航空制造技術研究院李懷學教授作報告，大家歡迎。
    李懷學：尊敬的各位老師，各位專家，下午好。今天非常榮幸把我們制造院激光這一塊的工作跟大家做一個匯報。我們最近幾年一直在做增材這一塊，但是講的是激光制造，所以我梳理了一下我們十年激光制造的情況。
    內容主要分成幾個方面。首先簡單介紹一下我們制造院，就是航空625所，它2016年變成制造院。我們做工藝和裝備，一個是面向市場需求，第二是情況需求，第三方面是需求牽引。另外，技術引領。因為這個技術進行溯源，有一些新技術，開發(fā)新技術這一塊。最后在面臨做研究包括工程驗證，最后形成工藝和裝備之后，轉移到主機廠，是這樣的一個定位，面向服務于航空企業(yè)。其實這些年除了航空航天，也包括其他的企業(yè)。高能束這幾年發(fā)展非常快，我有幸參與編寫一部分的東西。激光是一個熱源形式，它的應用帶來各種各樣的方法，包括切割焊接、表面工程、增材制造、微納制造這一塊，各種各樣的工藝技術方法。
    在焊接這一塊，航空航天主要是面向大型的承力框梁，它的厚度最大厚度是200毫米厚。另外是薄板焊接。
    國內這一塊是很大的，因為它速度相對激光來說都是快幾十倍、上百倍，掃描速度非�？欤�因為磁場的能量比較集中，特別是大厚度，它整體盤一盤之間的連接，包括吊掛。這是我們萬米潛水器，我們有4500米，這是1萬米以下，操作人員的操作時間，我們通過電束來看，裝備也是我們自己開發(fā)，操作這一塊的東西。
    另外表面工程，也是以高能束為主，像等離子，包括它噴的各種耐腐蝕、耐磨損，包括流程，一個是提高它的壽命。早期可能發(fā)動機沒有熱量涂層，有了熱量涂層，可能溫度能提高到兩三百度，包括你有熱電涂層，特別是這幾年的發(fā)展，以前解決了油的問題，不需要過多強調表面壽命這一塊。但是隨著高質量發(fā)展來說，你有了薄的表面之后，它的壽命能提高好幾倍做，包括它的耐腐蝕�，F在飛機飛到海洋的環(huán)境，可能有一些也腐蝕了，需要表面工程做。
    另外作為增材制造這一塊，這幾年我們跟王總做，通過各種各樣的復雜體這一塊，包括我們做這一塊的合規(guī)，包括多管流道，2014年我們跟裝備的推廣項目，我們向航天九院做推廣的技術。他們也是快速響應，我們也知道。另外是修復，包括這種設計理念的變化這一塊。像這個理念，應該說是中間多孔的動，這個理念是2013年，我跟設計師花了兩三個月的時間，真正有了3D打印技術才有了這個產品，才設計出來，做的這一塊，這是設計理念變化。還有減重多功能，降低成本解決它。
    激光這一塊，大家都做激光加工，我簡單介紹一下，這是它的獨特的特性，它帶來了各種各樣的加工方法，特別是隨著激光會帶來更多的新的加工的效應。在這一塊，我們從各種理論，包括有一些新的效應也說了。這個圖是當時畫表的時候幾個國內頂尖的激光專家，它是多維度的，超快激光從時間的維度上做。還有是尺寸，還有是從能量密度，另外從波長，還有從維度上，是0維，1維、2維還是3維，因為激光適合在不同的維度上激光溯源，考慮能量，這樣決定了研究的對象是用大型的傳統(tǒng)飛機這一塊，還是將來是面向微納的成型，包括芯片、模型這一塊，可能會帶來各種各樣的變化，你從功率高中低、脈沖，還有這種尺度之間，包括你激光以儲藏的方式，就會帶來一些技術來做。
    1960年第一臺激光器誕生，并用于寶石打孔，中間經過不停的發(fā)展，逐步演化成加工各種方法，包括功率密度，包括不同的功能介質方面走�，F在有了這些東西，有了工藝，就要形成相應的激光制造裝備，去實現我們所要的產品，熔覆也好，包括焊接、各種熔覆修復。以前都是單體設備，后來隨著發(fā)展變成裝備的生產線或者產品線去發(fā)展這一塊，包括激光選區(qū)熔化，這些模塊集合整個產品生產線，包括后處理檢測，這是整個產品線來發(fā)展這一塊。
    上午也講到了激光強化，這一塊可能教科書以前介紹得非常少，其實它就是靠瞬間的一個納秒級脈沖的激光，實現這種材料表面的東西，瞬間到達等離子化。在等離子化表面實現一個約束層，靠它表面提高抗疲勞數據這一塊，最后代謝機械處理，而且可達性也非常好。另外是雙光束的焊接方法，它后面也有一些。
    下面，從最早激光這一塊看，70年代開始做，也是制造院最早用激光來制航空發(fā)動機的孔，就是葉片。以前沒有涂層，現在有了涂層，會帶來很多的效應。后來我們又開始采用納秒，包括雙納秒走，后來用超快激光，加上各種各樣的功能。原來傳統(tǒng)上帶來好多毛次，孔的質量特別差。我們也做過模擬，十年前開始做，討論為什么會形成這種層？就是涉及到熔體的流動。如果一邊是吹這種氣體，它熔化把它吹出來，如果吹得不好，形成再熔化的過程，這樣會形成疲勞，甚至出現了整個葉片發(fā)生斷裂。
    隨著超快激光加工，不僅可以實現各種涂層跟機體復合材料整體制造，它的質量缺陷非常少，這是從激光涂層來說。
    超快激光溯源又開發(fā)了仿生超疏水表面防冰原理。還有發(fā)動機這一塊，它帶來了防冰的問題，一個是實現傳感器失效，另外是它可能會進入到一些機體，打亂它的電子器件，這是一個嚴重的問題。目前基本靠加熱絲，把這個冰熔化，如果熔化加上超疏水、超清洗這一塊，可能會提升更多的性能。
    現在基本像超快激光，它不僅是透明材料，包括陶瓷基和樹脂基復合材料超快激光制孔乙己表面處理，實現各種各樣的復合材料的加工�，F在復合材料加工技術特別切割，另外制孔的需求量非常大。
    切割技術不詳細介紹了，大家也比較多，航空方面我們也是做一些件進行切割，主要是做一些三維的切割，去實現這一塊。
    下面說一下激光焊接，大概從90年代開始做，它真正實現是2000年以后。原來都是鉚接，可靠性和重量、疲勞上面都會給飛機壽命增加隱患。采用激光焊接替代傳統(tǒng)連接方式，一個是可減少重量10%，第一實現輕量化，第二實現整體化方面走。
    激光焊接通過激光溯源，不斷地實現它的技術，我們基本都有，半導體這幾個東西都是用它來做。激光焊接相對的埋伏范圍，因為它的激光焊接變形要小得多。特別是對一些大型的曲面薄壁結構，原來是一些對點，后來實現這種曲面，就是實現雙膜，還有激光。未來，金屬跟高分子材料或者塑料這一塊如何連接，包括現在實現一個遠程的激光焊接，這是我們正在做的工作。
    下面介紹一下航空航天增材制造這一塊。增材制造，上午我也講了特別多，這一塊我簡單說一下我們做的工作，包括我們怎么裝機應用，包括存在的問題，包括現在的一些做的工作，跟大家匯報一下。
    90年代，這是美國能源部，支持激光增材制造，原來像AeroMet公司90年代就倒閉了。他原來是在鍛造金板上長出的金條�，F在這邊北航王院士提出100%沉積，這樣保證材料聚集性、熱處理后期一致性�，F在大部分來說，其實也不可能否定鍛造的優(yōu)勢，就是怎么把增材跟鍛造去高效結合�，F在遇到最大的一個問題是什么，特別像幾大主機廠，其實應該是一堆涂層，都在幾十萬、上百萬，但是它上面如果出現報廢，可能就會被疏解�，F在具體怎么修它？也提出來一些東西，包括你在復印過程中出現一些缺漏，可能報廢就沒有問題。但是如果說你服役過程中也出現缺損，怎么修？所以現在大家有這個問題，維修大家也提出了非常迫切的東西，包括幾大主機廠，從修復這一塊來看。包括今天上午講的，你后勤保障其實也是維修和保障這一塊，你怎么去用這種技術，不僅僅是一個快速制造的問題，它早期做的像美國波音和格魯曼公司，它原來就是一個毛坯，最后積壓。其實增材本身目前來看就是一個增減材，增材是制定一個相位、準確、精度，是速度比較快的毛坯的手段，不可能代替積加（音）的東西。包括現在做粉末，肯定要通過機加（音）來保證，肯定達不到這個要求，所以增減是相互補充的。
    我們做了新材料的開發(fā)，包括功能梯度的材料，十一五、十二五做了這一塊材料。另外修復這一塊也做了工作，特別鈦合金，這是工程熱物理所，2010年，他們要統(tǒng)計試測，結果當天晚上被一個公務員誤操作。這樣全國沒人修，非得讓我們給他修，我就帶了兩個學生給他修，后來事實也通過了。當時也沒有數據，怎么才能保證不掉塊，修完以后，要通過這個技術解決它。所以激光沉積也是我們2015年就搭建的，通過這個平臺上做的。
    針對激光選區(qū)熔化的技術，這一塊以前都是不致密，可能都是百分之六七十的精密度，德國的公司做過。因為這個類型，像6S在2012年整個沒火之前，從2007、2008一直到2012年，我們每年都會見兩次面，怎么推動這個技術發(fā)展。以前我們跟別人溝通的時候，第一句話就說，你這個是不是不致密，第一句話是這句話，老是帶著懷疑的態(tài)度，你怎么保證你每一層結合是好的，其實現在也是這個問題，一直在懷疑。通過這些年的不斷形成的需求牽引應用，推動它去發(fā)展。
    像進氣道，原來好多領域在推，你如果按照給你的這些零件，你再去3D打印，就失去了你3D打印的優(yōu)勢和意義。所以你針對這個進氣道，必須進行一個安裝的功能，進行重新的優(yōu)化設計，實現整體化，然后再進行3D打印。說白了，現在百分之六七十、八十的打印件都是微3D打印件，并不是真正適合3D打印件做的這一塊。所以還需要從設計來看。為什么王總能推動3D打印發(fā)展，因為他會設計。咱搞工業(yè)技術，咱不掌握3D模型的話語權，設計這一塊也沒有用�，F在來說一個是設計需求牽引，按照他的功能加上3D打印的約束去設計結構件，才能推動它發(fā)展。后面是技術問題，后處理這一塊也是問題。第三成本太高了，以前大部分靠試錯解決問題。
    在這一塊，我們也是從2011年開始自主開發(fā)，2008年一直去做測試，2010年跟他們合作，開發(fā)大了。國內兩三臺燒牙齒的設備，現在是多少，二三百臺了。當時我們正好形成了需求，后來我們開發(fā)了第一款叫360×360，450×450的大型設備，之后開發(fā)材料、成型件，最后到裝機應用，實際到2012年實現裝機應用這一塊�，F在我們開發(fā)了810×450×700裝激光頭大型設備做，但是現在我們遇到的最大的困難是什么，這個成本確實太靠前了。一出問題，一報廢，可能幾萬、幾十萬，就報廢了。所以這一塊的模擬仿真應該是非常關鍵的，后面還有報告。這一塊工業(yè)對3D打印是非常關鍵的一個環(huán)節(jié)。
    這一塊是針對我們開發(fā)的歷程，如果一個一個開發(fā)，最早從它的缺陷問題，一開始解決行動問題，就是致密問題。第二是你的缺陷能不能控制。另外你缺陷的性能，對你的性能有哪些影響，這種缺陷的形成機制是什么，我怎么去控制缺陷，從而保證我這個過程的穩(wěn)定性，這是他們現在的情況。這個特征量都提取不出來，怎么控制它。
    在這一塊，我們通過做這些結構件，包括流道也好、拓撲結構也好。在這個過程當中，我們遇到最大的問題就是檢測問題，這個問題現在怎么做，保證它怎么去用，還有怎么處理。另外上午王總也講了，考慮它的載荷特性，技術材料也是結果，它的性能核心完全不一樣，這一塊怎么去通過大量的試驗評估它可行性�，F在做出來的沒問題，怎么去驗證它，去用它，所以需要想辦法解決這一塊。我們今年也邀請了做CT五，介紹一下怎么跟它的3D打印結合，去推動這一塊，希望它能加速3D打印產業(yè)化生態(tài)圈，這是整個的。
    2012年關橋院士提出廣義增材制造，現在來看好多的手段變成3D打印手段，包括電沉積、噴涂，都有一些3D打印方法去解決。以前可能是高能束解決，現在是通過焊接的原理，來實現增材制造。
    整個增材制造的過程是我個人的理解，首先我們2017年和創(chuàng)新中心捋出來，整個的流程是什么，第一是你進行推動需求牽引，不管是什么其他的材料，任何一個以后都是這樣，你要打印有3D模型，是不是適合3D模型，需要多維度模擬。你要放到裝備里面去，除了向國外買這個設備，用他的粉、他的設備，包括工藝包，保證你的材料性能肯定能達到要求。但是不保證什么，不保證你做出這個，這是你買的設備，你買它的材料、裝備，就是這種材料和工業(yè)裝備先進的這一塊，也像2012年我們買了粉，用它的設備打出產品性能，所以需要材料和裝備有一個適應性，這一塊需要突破。要解決這些問題，包括切片支撐設計。
    其實這一塊完成，就完成后端整個百分之四五十，還沒到產品，包括后端的處理，包括熱處理。通過后續(xù)的處理，降低它的強度。包括粉末的管理、怎么檢測，最后到這一塊的產品。我們當時做的過程當中，以前就理解把零件打通了就完了，到裝機的時候，花了好長的時間，才把材料性能技術條件，包括產品的檢測條件，全把它定出來，最后才去走。現在大家好多都在提，我們沒有標準怎么辦，現在很多的主機廠，都想著你有現成的標準拿來就可以用。因為它是個新東西，不可能什么都有才用，那就太晚了，加上設計制造應用，應該聯(lián)合制定相關的標準，這個標準既能滿足現有的要求考核，這樣就有利于加速咱們的3D打印產品快速應用。如果一直等標準，我沒有標準，這一塊是這樣。但是現在可以幾家聯(lián)合做標準，這樣我們李總介紹一下整個的標準，來做這個。
    這個體系我們就不說了�，F在有一些復雜的結構，微納要制作，從尺度上要解決一些新的問題，就不詳細做了。但是對于金屬增材，有兩個問題，一個是缺陷性的問題。第二，你買了設備，材料性能過了，但是不一定能保證你做的零件就是經歷了變形，你是否可以控制，好多我們打著打著零件取出來都是管管了，好多變形的問題如何解決？以前都是靠試錯，一件不行做五件，靠經驗解決了，但是這個成本實在太高了，所以怎么去通過模擬的手段解決。
    最近我們也做了一些問題，不同的支撐，雖然不是特別精確通過模擬，但是我可以認識到，它可能什么地方存在巨大的問題，怎么樣變形，這樣可以節(jié)省時間，對工藝制造來說挑戰(zhàn)非常大。因為在缺陷這一塊，我們也跟博士生做了，其實這方面還是非常不錯的。它針對你不同的工藝參數，你融資等離子體的行為，這個等離子體行為是跟你的缺陷特征可以對應起來。這是不同的掃描速度，當掃描速度比較慢的時候，等離子過程基本上是直上直下的，它在過程上面就會出現喘息的現象，這個地方可能就是死孔破滅的過程，我們解剖過這一塊。
    但是正常的環(huán)境下，它應該是從一個角度，你去做出來，這樣的過程掃出來的內部缺陷非常少，包括它怎么去對應這個飛濺，從啟示點這一塊做功能。另外一個是模擬仿真，除了變形這一塊，這是2017年德國慕尼黑舉辦的這個活動，這是第一屆，去年我們也做了一個小論壇會，針對這個具體的模擬仿真與控制這一塊做的。這里面一個是產品的問題，包括創(chuàng)新應用，包括材料模型怎么建的問題，特別是多物理場、多尺度的問題，這一塊是非常明顯的問題。特別現在像商業(yè)化軟件，都是通用的情況，零件稍微一大，可能網格的劃分算都算不了，這一塊有很大的問題。怎么面向它的特點，開發(fā)一些新的處理器，去解決增材的應用。還有就是組織的演變是什么樣的過程。這是通過仿真設計，后面會詳細介紹。
    另外是面向新結構的激光增材復合制造。這幾年我們沿著這樣做，大型整體結構、拓撲構型結構，梯度復合結構，多功能一體化結構。包括多零件集成、點陣拓撲、多管隨形內嵌，下一步是微納集成。
    另外是表面這一塊，因為航空不像航天，它要求疲勞壽命，對航空來說非常關鍵。特別是激光沖擊強化技術，這個技術非常小眾，早期是美國的GE公司用發(fā)動機葉片去進行處理，因為葉片邊緣非常薄，這樣怎么提高業(yè)務擴展走這一塊，這是它的整個形成過程，高溫等離子體靠沖擊波形成，尤其是綠色，就是一個有點噪聲，沖擊過程這一塊就走了。我們現在基本上用到飛機上去提高壽命。原始可能存在一些邊界效應，后來包括目前飛機上的結構件，包括小孔對疲勞壽命的要求去做，有它之后，可能壽命提高2到5倍。
    另外，現在也是飛行器，特別是現在這一塊的問題，激光表面清洗。以前去處理這個東西，帶來最大的問題就是激光表面清洗�，F在美國已經用到這個激光清洗處理這一塊的問題，我們現在也在做，包括跟焊接其他代替，減輕環(huán)保的壓力。
    簡單回顧一下。第一，激光增材制造是非�？绯叨鹊倪^程，特別是模擬監(jiān)測，但是最缺的是工業(yè)軟件這一塊。另外一塊是要針對結構的特點，從設計、制造、驗證一體化的平臺，建設3D數字化生態(tài)圈。特別是下面有好多老師包括老總，都是做新瀉激光器束源，帶來新的效應和機理，正好可以帶來新的財力，包括應用材料，包括復合材料，可能帶來新的效益，將來加上裝備公司，將來很快加速產業(yè)化發(fā)展。再一塊就是高效綠色、自動化模型。匯報完畢，謝謝。


激光制造與再制造技術及應用研討會 介紹

會議以激光技術、增材制造及再制造相關光電技術為主題，針對航空航天交通領域高質量復雜產品的全產業(yè)鏈以及全壽命維護等迫切需求，開展面向增材制造及再制造的設計、材料、工藝及裝備、檢測以及標準規(guī)范等相關光電技術應用研討，提升增材制造及再制造技術的數 字化、智能化、高穩(wěn)定能力，驅動中國制造高質量發(fā)展。

新一輪科技革命和產業(yè)變革與我國加快轉變經濟發(fā)展方式形成歷史性交匯，為我國實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略提供了難得的重大機遇。制造業(yè)是創(chuàng)新驅動的主戰(zhàn)場，推動制造業(yè)先進性發(fā)展，是扭轉制造業(yè)低質低效、重塑產業(yè)競爭力，實現新舊動能轉換的關鍵所在。大力發(fā)展先進制造業(yè)，是加快制造強國建設步伐，加速推動經濟發(fā)展由數量和規(guī)模擴張向質量和效益提升轉變的重要途徑，以實際行動貫徹落實黨的十九大精神的具體體現。

主辦單位：
中國光學工程學會
北京亦莊國際投資發(fā)展有限公司
承辦單位：
國際激光技術產業(yè)及應用協(xié)同聯(lián)盟
再制造技術國家級重點實驗室
高能束流加工技術國家級重點實驗室
增材制造航空科技重點實驗室
高能束流增量制造工藝及裝備北京市重點實驗室
會議網址https://b2b.csoe.org.cn/meeting/show-48.html