航空裝備電子束增材制造技術(shù)發(fā)展及路線圖

來源：航空材料學報
作者：張國棟, , 許喬郅,  鄭濤,  郭紹慶,  熊華平（中國航發(fā)北京航空材料研究院 3D打印研究與工程技術(shù)中心）

增材制造（additive manufacturing，AM）技術(shù)被認為是制造技術(shù)的一次革命性突破[1]。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復雜零件的無模具快速成形，加工余量小，材料利用率高等特點，在航空裝備領(lǐng)域具有廣泛的應用前景[2-3]。

按照所采用的熱源種類不同，增材制造技術(shù)主要分為激光增材制造、電子束增材制造以及電弧增材制造。按照所用原材料和成型方式的不同，電子束增材制造分為基于絲材的電子束熔絲增材制造技術(shù)和基于預置粉末的電子束選區(qū)熔化增材制造技術(shù)。電子束熔絲增材制造技術(shù)是在真空環(huán)境中，用高能量密度的電子束轟擊金屬表面形成熔池，送絲裝置將金屬絲材送入熔池并熔化，同時熔池按照預先規(guī)劃的路徑運動，金屬凝固、逐線、逐層堆積，形成致密的冶金結(jié)合，直接制造出金屬零件或毛坯（圖1（a））。電子束熔絲增材制造具有成形效率高、真空環(huán)境材料冶金質(zhì)量優(yōu)、絲材成本低、可制造大尺寸結(jié)構(gòu)件等特點[4]。此外，作為定向能量沉積工藝方法的一種，電子束熔絲增材制造技術(shù)也可用于零件的修復。

圖  1  電子束增材制造原理示意圖　 （a）熔絲；（b）選區(qū)熔化

電子束選區(qū)熔化增材制造技術(shù)是利用計算機把零件的三維模型進行分層處理，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成成形路徑，電子束按照預定的路徑進行二維圖形的掃描預熱及熔化，熔化預先鋪放的金屬粉末，逐層堆積，最終實現(xiàn)金屬零件的近凈成形（圖1（b））。與激光選區(qū)熔化增材技術(shù)相比，電子束選區(qū)熔化增材技術(shù)具有真空環(huán)境、電子束掃描速度快（103 m/s）、成形效率高、殘余應力小等優(yōu)點。電子束選區(qū)熔化工藝可實現(xiàn)高溫預熱，使其非常適合室溫低塑性材料（如鈦鋁金屬間化合物）的快速成形制造[5-6]。

為了更好地把握電子束增材制造的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，提前做好航空領(lǐng)域電子束增材制造技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略布局，推進電子束增材制造在航空領(lǐng)域的發(fā)展與應用，本文針對電子束熔絲及電子束選區(qū)熔化增材制造技術(shù)，開展文獻、資料、信息的搜集、整理、分析。在對電子束增材制造現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析的基礎(chǔ)上，提出2035年航空裝備增材制造技術(shù)發(fā)展目標和相應的政策和環(huán)境支撐、保障需求，并嘗試給出面向2035年的技術(shù)發(fā)展路線圖。

1.   國內(nèi)外電子束增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1.1   國外電子束增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1.1.1   電子束熔絲增材制造技術(shù)

（1）工藝研究
電子束熔絲增材制造技術(shù)于2002年首先由NASA 蘭利研究中心提出。美國航空航天局、洛克希德馬丁公司、波音公司、空客公司、美國焊接學會、麻省理工學院等多個研究機構(gòu)、大學及防務集團正在積極推進相關(guān)技術(shù)的研究和應用。目前電子束熔絲增材制造技術(shù)涉及的材料主要有高溫合金、不銹鋼、鈦合金及鋁合金。

美國航空航天局蘭利研究中心針對電子束熔絲增材制造IN718高溫合金的研究發(fā)現(xiàn)[7]：沉積態(tài)組織具有強的織構(gòu)，<001>晶向與沉積方向近似平行；熱處理后，發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒尺寸趨于均勻，形成近似等軸晶形貌，織構(gòu)明顯減弱。與此同時，熱處理后力學性能的各向異性減弱，且抗拉強度、屈服強度及L向彈性模量明顯提高。美國麻省理工學院MATZ 和EAGAR在美國海軍研究部的資助下，評估了采用電子束熔絲增材制造技術(shù)制造渦輪盤的可行性。結(jié)果表明：采用該技術(shù)制造的部件碳化物尺寸在300~600 nm之間，而傳統(tǒng)電弧熔煉的鑄錠中碳化物尺寸可達40 μm，認為電子束熔絲增材制造工藝是細化碳化物尺寸及分布的潛在方法[8]。加拿大科學院航空研究中心采用347不銹鋼絲材在1 mm厚的321不銹鋼薄板端部開展了電子束熔絲增材修復工藝實驗，獲得了無缺陷的修復試樣且修復區(qū)性能與基體相當[9]。針對電子束熔絲增材修復的Ti6Al4V鈦合金模擬葉片CT檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)：內(nèi)部致密且無缺陷顯示。增材制造Ti6Al4V部件拉伸性能滿足鑄造和增材標準要求，與變形Ti6Al4V鈦合金材料標準要求相當。電子束熔絲增材Ti6Al4V具有優(yōu)良的斷后伸長率，達到12%以上[10]。

作為電子束熔絲增材制造工藝和工程化應用研究的代表性單位，美國洛克希德馬丁公司對鈦合金增材制造工藝開展了大量研究。針對Ti-6Al-4V鈦合金增材制造過程中Al元素的燒損問題，該公司研究了5種不同Al含量的Ti-6Al-4V合金絲以及2種熔絲沉積效率下的Al元素燒損行為[11]。結(jié)果表明：沉積效率為3.2 kg/h的Al元素損失量大于沉積效率6.8 kg/h的損失量；2種沉積效率及5種成分絲的Al元素燒損比例在11%~15%之間；Al元素的損失量與熔池尺寸、溫度及結(jié)構(gòu)輪廓有關(guān)。

美國空軍實驗室研究了在<112>β取向的單晶Ti-6Al-4V合金基板上電子束熔絲增材制造Ti-6Al-4V的晶粒外延生長行為 [12]，結(jié)果表明：隨著沉積高度增加，外延生長的晶粒被<001>方向生長的柱狀晶逐漸消耗替代，如圖2所示。

圖  2  電子束熔絲增材制造Ti-6Al-4V的晶粒YZ面IPF圖　（a）α相；（b）重構(gòu)獲得的原始β相[12]

美國科羅拉多礦冶學院針對電子束熔絲增材過程中合金元素的燒損和晶粒外延生長的問題，制備了調(diào)整成分的金屬粉芯Ti-6Al-4V合金絲材，使用該絲材制備的試塊鋁含量為6%。同時，與原始Ti-6Al-4V合金絲材相比，通過加入FeB粉末使得原始β晶粒尺寸從1450 μm減小至290 μm，網(wǎng)籃組織的α相寬度從0.75 μm減小至0.44 μm[13]。此外，該學院評價了脈沖電子束對熔絲成形Ti-6Al-4V合金原始β晶粒及α相的影響。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)方法相比，脈沖電子束能使柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，β晶粒尺寸從1164 μm減小至734 μm[14]。

針對沉淀強化型2139鋁合金電子束熔絲增材制造實驗發(fā)現(xiàn)，Mg元素燒損了60%~80%。由于Mg能夠促進Ω（Al2Cu）沉淀相的形成，Mg燒損使得固溶時效后的成形組織中Ω相少于基體。通過補償絲材中Mg元素含量，獲得了與基體相似的Ω相數(shù)量，力學性能與基體相當[15]。

（2）工藝設(shè)備
在電子束熔絲增材制造設(shè)備方面，美國NASA蘭利研究中心最早開始研制，先后研制了大尺寸的熔絲增材制造設(shè)備以及適用于太空環(huán)境的便攜式小尺寸增材制造設(shè)備[16]。美國Sciaky公司開發(fā)了商用電子束熔絲增材制造設(shè)備，并推出了EBAM 68、88、110、150、300等一系列適用于不同尺寸結(jié)構(gòu)件增材制造設(shè)備，最具代表性的EBAM 110增材制造設(shè)備真空室尺寸為：2794 mm×2794 mm×2794mm，最大功率45 kW，加速電壓60 kV。作為目前國際上最成熟的電子束熔絲增材制造設(shè)備供應商，美國Sciaky公司核心專利之一為其閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過閉環(huán)控制系統(tǒng)可實現(xiàn)增材制造工藝參數(shù)的自動實時調(diào)節(jié)，使熔池尺寸保持不變，可有效保證成形尺寸精度及工藝可重復性。

烏克蘭紅波公司推出了基于冷陰極電子槍的電子束同軸熔絲增材制造設(shè)備。采用的絲材直徑可達3.2 mm，加速電壓小于20 kV，可在低和中真空度下工作，成形效率可達2000 cm3/h。

除上述公司外，德國SST公司、英國劍橋真空公司、烏克蘭巴頓電焊研究院等電子束焊接設(shè)備廠商均在開發(fā)商用電子束熔絲增材制造設(shè)備。

（3）應用
2002年，美國Sciaky公司與Beaver Aerospace and Defence公司合作，利用電子束熔絲增材與電子束焊接組合加工的方法，制造了大型Ti-6Al-4V金屬萬向節(jié)（圖3（a）），其尺寸為ϕ432 mm×297 mm，壁厚76 mm，共用5周時間。Sciaky公司與洛克希德馬丁公司制造的F-22鈦合金支座（圖3（b））經(jīng)過兩次全壽命譜疲勞試驗后又成功通過了最終負載實驗，未發(fā)現(xiàn)明顯變形。

圖  3  電子束熔絲增材制造的鈦合金零件 　（a）萬向節(jié)；（b） 支座 [5]

目前電子束熔絲增材制造技術(shù)已成功應用于空客A320neo飛機鈦合金后上翼梁[17]、F-35飛機翼梁等結(jié)構(gòu)的制造，如圖4所示。據(jù)報道，裝有電子束熔絲增材鈦合金零件的F-35飛機已于2013年初試飛[18]。

圖  4  電子束熔絲增材在國外航空裝備上的應用�。╝）A320neo飛機后上翼梁[17]；（b）F-35飛機翼梁 [18]

1.1.2   電子束選區(qū)熔化增材制造


（1）工藝研究
目前國外針對電子束選區(qū)熔化增材制造研究的材料主要為鈦合金、高溫合金以及鈦鋁金屬間化合物。研究的單位主要分布在美國、英國、日本、沙特、意大利、德國、瑞典、新加坡等。

在鈦合金電子束選區(qū)熔化研究方面，以色列金屬研究所對比研究了Ti-6Al-4V新粉和回收粉電子束選區(qū)熔化制件的組織及力學性能[19]。與新粉相比，重復使用69次后存在團聚、拉長和破損的粉末。粉末中O含量隨重復使用次數(shù)增加而增加，經(jīng)過69次重復使用后粉末中O含量達到0.324%，超過ASTM標準要求。拉伸性能對比發(fā)現(xiàn)，兩種粉末增材制件強度都能滿足ASTM標準要求，然而重復使用69次粉末對應的伸長率和斷面收縮率與新粉相比急劇降低。

美國Integrative Materials Design Center針對電子束選區(qū)熔化成形Ti6Al4V ELI合金開展了熱處理對組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著冷卻速度增加，拉伸強度和硬度增加，然而塑性急劇下降。β轉(zhuǎn)變溫度以上固溶使得原始柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶[20]。

英國倫敦學院研究了電子束選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V合金預熱參數(shù)對成形質(zhì)量、組織性能的影響。預熱能量輸入越大（低206 kJ/m2、標準411 kJ/m2和高822 kJ/m2），尺寸誤差越大。三個預熱參數(shù)下尺寸誤差分別為330、390和400 μm[21]。

英國謝菲爾德大學研究發(fā)現(xiàn)：零件擺放角度對電子束選區(qū)熔化 Ti6Al4V合金表面粗糙度同樣具有重要影響[22]。不同擺放角度電子束選區(qū)熔化成形表面形貌， 0°試樣表面粗糙度最小，為Sa=15.8 μm，55°和90°試樣表面粗糙度分別為36.8 μm和54.3 μm。雖然0°時表面粗糙度最優(yōu)，零件高度小，但是在制造時存在需要添加支撐的可能。為避免添加支撐傾斜擺放使得零件高度增加，表面粗糙度惡化。

英國曼徹斯特大學采用高分辨CT方法檢測了HIP對電子束選區(qū)熔化成形Ti6Al4V合金內(nèi)部空洞缺陷閉合的有效性[23]。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)920 ℃/100 MPa/2 h的HIP工藝處理后，不同形狀試樣內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)大于5 μm的缺陷。

德國先進工藝和材料連接研究所對電子束選區(qū)熔化成形Ti6Al4V合金的工藝窗口進行了研究[24]。隨著側(cè)向掃描速度增加，工藝窗口趨向于常數(shù)。50和100 μm掃描間距下，最小需要的體能量密度為15 J/mm3。減小掃描間距至20 μm，所需最小體能量密度增加至22.5 J/mm3。

日本東北大學對電子束選區(qū)熔化成形Ti6Al4V合金沉積態(tài)、熱處理和HIP三種狀態(tài)的組織和疲勞性能研究發(fā)現(xiàn)[25]：沉積態(tài)Z向屈服強度、抗拉強度和伸長率分別為788 MPa、870 MPa和13.8%。HIP后Z向屈服強度、抗拉強度和伸長率分別為711 MPa、819 MPa和16.1%。沉積態(tài)107疲勞極限為460 MPa，熱處理態(tài)疲勞S-N曲線與沉積態(tài)相似，HIP處理后疲勞極限明顯改善，達到580 MPa。

在高溫合金電子束選區(qū)熔化工藝研究方面，法國格勒諾布爾大學電子束選區(qū)熔化成形Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti-B鎳基高溫合金宏微觀組織，研究發(fā)現(xiàn)：柱狀晶寬度隨高度增加而增加，隨高度變化晶內(nèi)γ＇沉淀相尺寸急劇增大；裂紋沿柱狀晶晶界擴展，大角度晶界（>15°）對裂紋敏感，而小角度晶界未產(chǎn)生裂紋[26]。德國埃朗根-紐倫堡大學針對CMSX-4合金研究發(fā)現(xiàn)[27]：電子束選區(qū)熔化成形的枝晶臂間距為6 μm，得益于電子束選區(qū)熔化成形工藝的高凝固速度和溫度梯度使其元素偏析程度是傳統(tǒng)鑄造工藝的約1/100。

在TiAl金屬間化合物電子束選區(qū)熔化工藝研究方面，德國埃爾朗根-紐倫堡大學針對Ti-48Al-2Cr-2Nb研究了線能量和束流與Al元素燒損量的關(guān)系[28]。認為控制Al元素燒損的可行方法之一是調(diào)整掃描策略，降低熔池過熱，從而減小揮發(fā)損失。德國福特新材料研究院通過數(shù)值模擬與實驗驗證研究了Ti-48Al-2Cr-2Nb合金在電子束選區(qū)熔化過程中Al元素的分布，結(jié)果表明，在面能量輸入Ea相同條件下，隨著偏移量的增加，Al元素燒損量急劇增加。隨著掃描速度增加，面能量輸入降低，Al元素燒損量降低50%。通過工藝實驗獲得了掃描策略（掃描速度和偏移量）相應的面能量輸入與獲得致密組織的關(guān)系曲線。通過增加能量輸入，未熔合缺陷消失，致密度達到99.5%[29]。該單位針對電子束選區(qū)熔化成形的Ti-45Al-4Nb-C高鈮合金熱處理對組織性能影響的研究發(fā)現(xiàn)[30]：隨著片層組織含量增加，最小蠕變速率降低，全片層組織表現(xiàn)出最優(yōu)的蠕變性能而塑性較低，空冷和爐冷對蠕變性能影響不明顯。與鑄造Ti-45Al-4Nb-C合金相比，沉積態(tài)蠕變速率高一個數(shù)量級，而經(jīng)1320 ℃處理獲得片層組織后蠕變速率降低達到鑄造水平。

日本大阪大學針對Ti-48Al-2Cr-2Nb合金組織及力學性能的各向異性研究發(fā)現(xiàn)[31]：沉積態(tài)組織及力學性能存在明顯的各向異性。在45°方向屈服強度達到約566 MPa，稍低于高度和水平方向試樣，然而即使這樣依然高于鑄造狀態(tài)性能，原因為增材制造獲得的細小組織。45°方向伸長率達到2%，遠高于傳統(tǒng)的鑄造合金。

（2）工藝設(shè)備
目前，國外電子束選區(qū)熔化增材制造設(shè)備廠商主要有瑞典Arcam公司、日本JEOL和英國Wayland公司。瑞典Arcam公司先后推出了多種適用于醫(yī)療及航空領(lǐng)域的設(shè)備，在售的適用于航空和材料研發(fā)等領(lǐng)域的有Q20 Plus、A2X和Spectra H型設(shè)備。其中Spectra H設(shè)備最大功率6 kW，成型倉尺寸φ250 mm×430 mm。除此之外，Spectra H設(shè)備所有預熱和熔化步驟所需時間減少一半；帶有防塵環(huán)境的閉環(huán)系統(tǒng)；活動隔熱屏可改善絕緣；自動粉末分配和粉末回收系統(tǒng)；旋風分離器和磁力分離器可實現(xiàn)最大化的粉末控制等特點。

（3）應用
在工程應用領(lǐng)域，羅羅公司采用電子束選區(qū)熔化增材制造的Trent XWB-97發(fā)動機導向器如圖5所示。該發(fā)動機葉環(huán)直徑1.5 m，材料為鈦合金。增材制造的48個翼型導葉構(gòu)成一個完整的組件。相較常規(guī)的鑄造和加工流程，不僅顯著縮短了發(fā)動機研發(fā)周期，也為設(shè)計帶來了明顯的靈活性。

圖  5  電子束選區(qū)熔化增材制造的發(fā)動機葉環(huán) [5]

意大利Avio Aero公司正在批量生產(chǎn)GE9X發(fā)動機TiAl低壓渦輪葉片[6]（圖6）。增材制造的渦輪葉片質(zhì)量約為傳統(tǒng)鎳合金渦輪葉片的一半。采用Arcam A2X電子束選區(qū)熔化設(shè)備每爐次可以生產(chǎn)6個葉片，而Arcam Spectra H設(shè)備可以在相同時間生產(chǎn)多達10個葉片。通用航空公司為波音新777X寬體噴氣式飛機開發(fā)的GE9X發(fā)動機，與其前身GE90相比，TiAl低壓渦輪葉片減少的質(zhì)量可以使燃料消耗減少10%。

圖  6  電子束選區(qū)熔化增材制造的TiAl低壓渦輪葉片[6]

1.2   國內(nèi)電子束增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1   電子束熔絲增材制造技術(shù)


（1）工藝研究
北京航空材料研究院針對飛機和發(fā)動機用TC4、TC11、TA15、TC17、Ti60鈦合金以及GH4169高溫合金[32]開展了電子束熔絲增材制造工藝及組織性能研究。研究發(fā)現(xiàn)：增材制造的TC17鈦合金微觀組織經(jīng)過不同固溶溫度處理后的微觀組織如圖7所示，其微觀組織尺寸及比例與力學性能間可用改進的Hall-Petch公式表達[33]。增材制造的TA15鈦合金在優(yōu)化熱處理工藝下力學性能各向異性幾乎消失，且強度和塑性獲得同時提升 [34]。增材制造的Ti60鈦合金蠕變性能達到鍛件水平[35]。

圖  7  增材制造的TC17鈦合金不同溫度固溶處理后的微觀組織[33]�。╝）750 ℃;（b）800 ℃;（c）850 ℃

南昌航空大學對比分析了TA3、TB5、TC4鈦合金基板對電子束熔絲增材TC4鈦合金組織特征及力學性能的影響[36]，結(jié)果表明：在相同層數(shù)下，柱狀晶寬度TC4 (TB5基板)> TC4 (TA3基板)> TC4 (TC4基板)。華中科技大學團隊的研究將電子束熔絲增材鈦合金內(nèi)部氣孔分為三種類型[37]，其形成機理分別為：Ⅰ型氣孔為熔池內(nèi)的氫等元素在凝固過程中溶解度突變，來不及逸出形成的；Ⅱ型氣孔為易揮發(fā)Al 元素從高溫熔池逸出與Ⅰ型氣孔碰撞形成混合氣泡，隨后金屬元素依附于氣泡壁形核長大，形成內(nèi)壁具有球狀組織的氣孔；Ti、V 的凝固前沿所捕獲的Ⅰ 型氣孔氣泡在受到 Al 元素蒸發(fā)的反沖壓力的作用時被撕破，形成了具有爆炸撕裂狀特征的 Ⅲ 型氣孔。

（2）工藝裝備
國內(nèi)電子束熔絲增材制造設(shè)備生產(chǎn)廠家主要有中國航空制造技術(shù)研究院、桂林獅達機電技術(shù)工程有限公司和西安智熔金屬打印系統(tǒng)有限公司。由于電子槍等核心部件與國外相比仍有較大差距，且熔絲成型軟件與控制系統(tǒng)尚不完善，國內(nèi)電子束熔絲增材制造設(shè)備尚不成熟。

（3）應用

為滿足發(fā)動機雙性能盤的需求，北京航空材料研究院電子束熔絲增材制造了鈦合金雙合金離心葉輪，葉片部位能夠滿足600 ℃使用要求，盤心部位具有更高的強度。中國航空制造技術(shù)研究院采用電子束熔絲增材制造了TC4鈦合金飛機框梁、TC18鈦合金滑輪架等結(jié)構(gòu)件 [18]。

1.2.2   電子束選區(qū)熔化增材制造


（a）工藝研究
西北有色金屬院研究了電子束選區(qū)熔化工藝下Ti-6Al-4V粉末重復利用次數(shù)對粉末成分、尺寸分布、松裝密度、流動性和粉末外觀形貌和增材制件力學性能的影響[38]。隨著重復利用次數(shù)增加發(fā)現(xiàn)：粉末中氧含量逐漸增加，從新粉的0.09%增加至0.19%（重復利用21次后）； Al和V元素含量基本保持穩(wěn)定；粉末球形度變差，表面粗糙；粉末流動性提高；由于氧含量的增加使得抗拉強度和屈服強度增加。

清華大學研究了電子束選區(qū)熔化增材Ti-6Al-4V粉末重復利用次數(shù)對粉末微觀組織、硬度、楊氏模量和電子束選區(qū)熔化制件力學性能的影響[39]。新粉末和回收粉末的混合使用對電子束選區(qū)熔化制件拉伸性能沒有明顯影響。重復使用4次的拉伸性能與原始粉末制件的拉伸性能幾乎相等。

對電子束選區(qū)熔化增材鈦鋁金屬間化合物工藝研究發(fā)現(xiàn)[40]：預熱溫度為1000 ℃時，增材制造的Ti-45Al-7Nb-0.3W合金中依然存在裂紋，而提高預熱溫度至1050 ℃和1100 ℃時，裂紋消失。北京科技大學針對高Nb含量Ti-45Al-8Nb合金研究了電子束選區(qū)熔化預熱工藝對微觀組織的影響[41]，結(jié)果表明，在高的預熱束流下，形成近片層組織；在低預熱束流下，形成近γ組織。隨預熱束流自26 mA降低至24 mA，抗拉強度自710 MPa降低至670 MPa，遠高于鑄造狀態(tài)的強度（580 MPa）�？焖倌�固和成形過程中循環(huán)退火形成的非常細小的片層組織是電子束選區(qū)熔化沉積態(tài)抗拉強度高的原因。

（b）工藝裝備
國內(nèi)電子束選區(qū)熔化設(shè)備廠商主要有天津清研智束科技有限公司和西安賽隆金屬材料有限責任公司。

（c）應用
北京航空材料研究院電子束選區(qū)熔化增材制造了飛機用TC4鈦合金平衡環(huán)，力學性能達到鍛件水平。中國航空制造技術(shù)研究院增材制造了TiAl樣品 [42]。目前國內(nèi)電子束選區(qū)熔化技術(shù)在航空裝備領(lǐng)域的應用仍處于研究階段，尚未獲得裝機應用。

2.   航空裝備電子束增材制造技術(shù)路線圖
針對電子束增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢制定了面向2035年的航空裝備電子束增材制造技術(shù)路線圖，如圖8所示。本技術(shù)路線圖包括發(fā)展需求、目標、關(guān)鍵技術(shù)、應用和戰(zhàn)略支撐與保障5部分。

圖  8  面向2035年的航空裝備電子束增材制造發(fā)展技術(shù)路線圖

2.1   發(fā)展需求
基于航空大尺寸結(jié)構(gòu)件對低成本快速制造的需求和高價值零件服役后的修復需求，特別是對于難加工的鈦合金和高溫合金以及新型梯度材料結(jié)構(gòu)，迫切需要以電子束熔絲增材制造技術(shù)為代表的快速、低成本制造技術(shù)。

復雜結(jié)構(gòu)以及難熔合金制件的制造對電子束選區(qū)熔化增材技術(shù)具有迫切需求。例如，采用傳統(tǒng)方法制造TiAl合金低壓渦輪葉片、冷卻結(jié)構(gòu)和金屬基復合材料易開裂，制造難度大，而電子束選區(qū)熔化增材具有的真空、高溫預熱低應力等特點使其非常適合室溫低塑性材料制件的制造。此外，電子束選區(qū)熔化增材能夠滿足點陣等傳統(tǒng)方法難以制造的新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計制造。

航空裝備對電子束增材制造需求的具體體現(xiàn)包括以下幾個方面：飛機鈦合金框梁、滑軌、滑輪架、起落架等重要承力件的電子束熔絲增材制造；大尺寸結(jié)構(gòu)件的鍛造/鑄造+電子束熔絲復合制造；航空發(fā)動機機匣類零件的電子束熔絲/選區(qū)熔化增材制造；航空發(fā)動機鈦合金及高溫合金葉片、整體葉盤、離心葉輪的電子束熔絲/選區(qū)熔化增材制造；航空發(fā)動機TiAl低壓渦輪葉片、導向器、管路等復雜結(jié)構(gòu)的電子束選區(qū)熔化；航空發(fā)動機難熔合金等新材料復雜結(jié)構(gòu)電子束選區(qū)熔化增材制造。

2.2   目標
突破電子束增材制造裝備的核心元器件及在線監(jiān)控、電子束增材制造用粉末/絲材原材料、缺陷控制、后處理、組織及力學性能調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)，建立組織性能數(shù)據(jù)庫，制定材料、工藝及檢測標準。在產(chǎn)品增材制造質(zhì)量控制技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)標準研究和零件充分考核驗證的基礎(chǔ)上，推進電子束增材制造在航空裝備上的應用。至2035年，在航空領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)電子束熔絲增材制造重要承力結(jié)構(gòu)件的量產(chǎn)應用、電子束選區(qū)熔化TiAl金屬間化合物低壓渦輪葉片以及傳統(tǒng)鈦合金和高溫合金制件的量產(chǎn)和裝機應用。

2.3   關(guān)鍵技術(shù)
電子束增材制造關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）高可靠長壽命電子槍
電子槍是發(fā)射、形成和會聚電子束的裝置，為增材制造提供能量源，是電子束增材制造設(shè)備的核心部件[43]。電子束增材制造過程中電子槍需連續(xù)工作數(shù)十至數(shù)百小時，對陰極壽命要求高。增材制造過程中產(chǎn)生大量金屬蒸氣，陽離子進入電子槍的陰極與陽極之間易導致放電現(xiàn)象并造成過程中斷。此外，基于電子光學的電子槍聚焦及掃描線圈設(shè)計和精確控制是獲得優(yōu)質(zhì)電子束的重要條件，選區(qū)熔化過程中需保證不同位置（不同電子束偏轉(zhuǎn)角度）處電子束焦點位置的一致性和電子束到達位置的準確性。因此，高可靠長壽命的電子槍是關(guān)鍵技術(shù)之一。

（2）增材制造專用絲材及粉末原材料的成分再設(shè)計
電子束增材制造過程中材料在高能量密度的電子束作用下快速熔化凝固，由于不同元素的蒸氣壓不同，使得低熔點元素快速揮發(fā)損失，造成增材制件成分與原材料成分差異較大，甚至不能滿足材料標準下限要求。例如，鈦合金真空電子束熔絲增材制造過程中Al元素燒損比例可達10%~20% [11,35]，鈦鋁金屬間化合物電子束選區(qū)熔化增材同樣面臨Al元素燒損問題[30,41]。鈦合金中合金元素的燒損減弱固溶強化水平，降低增材制件力學性能。對于鑄造性能差的鋁合金，由于固液溫度區(qū)間大，熱裂敏感性強，增材制造過程中易形成熱裂紋。通過在粉末/絲材中添加微量元素可有效細化晶粒并改善熱裂性能[44]。高γ'含量高溫合金增材制造同樣面臨熱裂紋問題，需針對增材制造工藝特點設(shè)計專用高溫合金成分[45]，使其抑制裂紋缺陷產(chǎn)生的同時保持高的力學性能。

（3）增材制件內(nèi)部缺陷控制及其無損檢測技術(shù)
電子束增材制件內(nèi)部缺陷主要有氣孔、未熔合、裂紋等。缺陷將直接導致增材制件的報廢或早期失效，因此控制缺陷是增材制造的關(guān)鍵技術(shù)。由于增材制造組織的各向異性以及晶粒外延生長特征，使其無損檢測，如超聲檢測與鍛件的檢查差異較大，建立內(nèi)部缺陷形狀尺寸與檢測結(jié)果間準確的定量關(guān)系是增材制件檢測的難點和關(guān)鍵技術(shù)。

（4）增材制件組織性能均勻性及批次穩(wěn)定性控制技術(shù)
增材制造過程中零件各部位溫度場不同，組織特征存在微小差別，使其存在力學性能的不均勻性，此外，組織特征的各向異性使其力學性能存在各向異性。因此，如何保證增材件組織性能的均勻穩(wěn)定和優(yōu)良的力學性能水平是其推向工程應用的關(guān)鍵。

（5）增材制件應力變形控制技術(shù)
增材制造過程中零件長期經(jīng)歷電子束的周期性、劇烈、非穩(wěn)態(tài)、循環(huán)加熱和冷卻及其短時非平衡循環(huán)固態(tài)相變。在已凝固金屬強約束下移動熔池的快速凝固收縮等超常熱物理和物理冶金現(xiàn)象，在零件內(nèi)產(chǎn)生應力水平很高、演化及交互作用過程極其復雜的熱應力、相變組織應力和約束應力及其強烈非線性強耦合交互作用和應力集中，導致零件嚴重翹曲變形和開裂[46]，因此，應力變形控制是電子束增材制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.4   應用
電子束增材制造在航空裝備上的應用包括：鈦合金框梁重要承力結(jié)構(gòu)；鈦合金滑輪架、支座等承力結(jié)構(gòu)；飛機超高強度鋼、鈦合金起落架、發(fā)動機機匣、發(fā)動機整體葉盤/離心葉輪、發(fā)動機TiAl低壓渦輪葉片、發(fā)動機導向葉片、導向器等復雜結(jié)構(gòu)以及難熔合金等新材料復雜結(jié)構(gòu)。

2.5   戰(zhàn)略支撐與保障
在戰(zhàn)略支撐與保障方面需加強增材制造裝備研制投入，提高裝備技術(shù)成熟度，特別是增材制造設(shè)備的關(guān)鍵部件如電子槍、閉環(huán)控制系統(tǒng)、路徑規(guī)劃軟件以及過程監(jiān)控系統(tǒng)等。加強增材制造工藝基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)投入，多學科交叉，突破原材料、工藝、組織及性能均勻性和穩(wěn)定性控制。加強工程化應用研究投入，依據(jù)增材制造特點選取典型結(jié)構(gòu)再設(shè)計，實現(xiàn)多領(lǐng)域典型結(jié)構(gòu)件的增材制造應用研究，并逐步推廣應用。

3.   結(jié)束語
本文在對電子束增材制造現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析的基礎(chǔ)上，提出了面向2035年的航空裝備電子束增材制造技術(shù)發(fā)展需求、目標、關(guān)鍵技術(shù)、應用和戰(zhàn)略支撐與保障。繪制了面向2035年的技術(shù)發(fā)展路線圖，以期提前做好電子束增材制造技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略布局，促進電子束增材制造在航空裝備領(lǐng)域的發(fā)展與應用。