西交大：增材制造——面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天制造的變革性技術(shù)

來(lái)源：航空發(fā)動(dòng)機(jī)人

增材制造技術(shù)在航空航天應(yīng)用方面具有單件小批量的復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速制造優(yōu)勢(shì)，未來(lái)將向著設(shè)計(jì)、材料和成形一體化方向發(fā)展。分析了增材制造在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展的3個(gè)層面，以航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片增材制造、高性能聚醚醚酮（PEEK）及其復(fù)合材料、連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料及太空3D打印為主題，介紹了增材制造技術(shù)國(guó)內(nèi)外以及西安交通大學(xué)的研究狀況。渦輪葉片應(yīng)用增材制造工藝可以有效提高效率降低成本，未來(lái)向高性能的高溫合金和陶瓷基復(fù)合材料增材制造技術(shù)發(fā)展。高性能輕質(zhì)聚合物PEEK及其復(fù)合材料增材制造在高力學(xué)性能結(jié)構(gòu)件、吸波功能件的成形中得到應(yīng)用，將改變現(xiàn)有的設(shè)計(jì)與材料，推動(dòng)結(jié)構(gòu)與功能一體化發(fā)展。連續(xù)纖維復(fù)合材料增材制造將帶動(dòng)無(wú)模具纖維復(fù)合材料成形的新發(fā)展，在太空3D打印將改變未來(lái)航空航天制造模式。增材制造技術(shù)將給航空航天制造技術(shù)帶來(lái)變革性發(fā)展。

增材制造技術(shù)是一種相對(duì)于傳統(tǒng)的冷加工和熱加工的特種制造技術(shù)，其具有單件小批量的復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速制造優(yōu)勢(shì)，在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。這一技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)制造技術(shù)難以完成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造。隨著增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的深入，設(shè)計(jì)、材料和成形一體化將成為新一代的制造模式，引領(lǐng)航空航天技術(shù)的變革發(fā)展。

增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在3個(gè)層面。第1個(gè)層面?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)方法和材料體系采用增材制造技術(shù)進(jìn)行構(gòu)件制造，這是目前的主要研究和應(yīng)用模式，這個(gè)層面重點(diǎn)解決的問(wèn)題是材料工藝穩(wěn)定性、成形組織的缺陷和性能提升、成形精度控制等問(wèn)題，并通過(guò)與現(xiàn)有工藝的結(jié)合來(lái)推進(jìn)應(yīng)用，例如增材、減材、鍛造等多工藝復(fù)合提升精度和力學(xué)性能。第2個(gè)層面是面向新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用增材制造技術(shù)，例如GE公司在航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴采用增材制造技術(shù)，改變?cè)�有基于機(jī)械切削工藝的的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系，將過(guò)去的30多個(gè)零件裝配的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，改為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，采用增材制造一次整體完成具有內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的噴油嘴制造，這一方法從根本上變革了發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴的設(shè)計(jì)制造理念，使得結(jié)構(gòu)變小、節(jié)能效益增加、性能可靠穩(wěn)定。第3個(gè)層面是采用新的功能材料與結(jié)構(gòu)一體化增材制造實(shí)現(xiàn)更多新的功能，可以使航空航天技術(shù)在輕質(zhì)、特種性能和特殊環(huán)境下的結(jié)構(gòu)制造提供新方法，例如連續(xù)纖維復(fù)合材料制造、太空環(huán)境下的制造等。增材制造技術(shù)要不斷解決工程應(yīng)用所面臨的制造質(zhì)量問(wèn)題，更應(yīng)該有效的利用增材制造技術(shù)原理，從設(shè)計(jì)、材料、成形一體化出發(fā)，深入挖掘技術(shù)應(yīng)用，推進(jìn)增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。

在航空航天領(lǐng)域，航空發(fā)動(dòng)機(jī)和輕量化功能結(jié)構(gòu)是重點(diǎn)和難點(diǎn)領(lǐng)域。面對(duì)的未來(lái)發(fā)展的更高需求航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是一個(gè)最為關(guān)鍵的部件，其具有極端的高溫性能和復(fù)雜的冷卻結(jié)構(gòu)要求，是制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的難點(diǎn)。航空結(jié)構(gòu)件是航空航天的主體結(jié)構(gòu)，其未來(lái)向著輕質(zhì)高性能發(fā)展，高性能聚合物、纖維復(fù)合材料、吸波隱身復(fù)合材料是需要探索的方向。本文重點(diǎn)圍繞以上方向論述航空航天領(lǐng)域增材制造國(guó)內(nèi)外發(fā)展和西安交通大學(xué)的研究進(jìn)展。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片成形技術(shù)
隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推重比需求日益增長(zhǎng)，渦輪進(jìn)口溫度從第三代發(fā)動(dòng)機(jī)1 700 K提高到第五代2 000 K以上。為保證渦輪葉片承溫能力，高溫合金材料由等軸晶發(fā)展至單晶，內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)由單一對(duì)流氣冷轉(zhuǎn)變?yōu)殡p層壁超氣冷，氣膜孔結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單圓柱型轉(zhuǎn)化為復(fù)雜異型，由此對(duì)現(xiàn)有渦輪葉片制造技術(shù)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外主要采用熔模鑄造技術(shù)制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心渦輪葉片。該技術(shù)通過(guò)金屬模具壓制型芯、型芯裝配、壓制蠟型、掛漿制殼、精密鑄造等10個(gè)主要環(huán)節(jié)，獲得金屬渦輪葉片。在大批量生產(chǎn)渦輪葉片時(shí)，熔模鑄造工藝適用性強(qiáng)；但對(duì)于含有新型冷卻結(jié)構(gòu)渦輪葉片的研制，由于鑄型制備過(guò)程涉及多套工裝模具，流程復(fù)雜，裝配誤差大，工藝控制難度大，導(dǎo)致葉片研制周期長(zhǎng)(通常至少6個(gè)月以上)，響應(yīng)慢，制造成本高。

1.1 型芯/型殼一體化鑄造技術(shù)
增材制造引入渦輪葉片鑄造成形領(lǐng)域，可大大降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的限制，實(shí)現(xiàn)型芯/型殼的無(wú)�；�制備，為空心渦輪葉片快速制造提供新途徑。目前空心渦輪葉片陶瓷鑄型直接成形的AM技術(shù)主要有選區(qū)激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering, SLS)和陶瓷光固化成形(Ceramic Stereolithography, CSL)。北京航空材料研究院、華中科技大學(xué)等科研院所開(kāi)展了相關(guān)的研究，并在航空領(lǐng)域得到初步驗(yàn)證，一定程度上推動(dòng)了渦輪葉片制造技術(shù)的發(fā)展；但是，SLS鑄型表面質(zhì)量和尺寸精度以及高溫性能有待提高，以滿足空心渦輪葉片近凈成形的苛刻技術(shù)要求。而CSL技術(shù)成形陶瓷素坯精度較高，在渦輪葉片鑄型制備方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。美國(guó)佐治亞理工大學(xué)及密西根大學(xué)安娜堡分校研究了基于CSL技術(shù)的渦輪葉片鑄型成形工藝，實(shí)現(xiàn)了型芯/型殼一體化陶瓷鑄型的制備。研究表明：采用該技術(shù)可制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷鑄型，但存在精細(xì)結(jié)構(gòu)陶瓷漿料清理困難的問(wèn)題，引起微細(xì)陶瓷型芯的結(jié)構(gòu)完整性容易破壞；并且，高溫?zé)�結(jié)后鑄型的精度誤差較大，燒結(jié)收縮率通常達(dá)到10%以上。

為此，西安交通大學(xué)提出型芯/型殼一體化渦輪葉片快速制造技術(shù)。該技術(shù)以光固化樹(shù)脂原型代替?zhèn)鹘y(tǒng)熔模鑄造蠟型，采用型芯/型殼一體化凝膠注模代替?zhèn)鹘y(tǒng)型殼的掛漿制備和型芯的壓制成形，實(shí)現(xiàn)型芯/型殼的一次成形，用于空心葉片的鑄造。技術(shù)路線如圖 1所示，主要包括：樹(shù)脂原型的光固化成形、凝膠注模、冷凍干燥、燒結(jié)和精密鑄造等。較之CSL技術(shù)，此方法制備的鑄型精度更高，性能更加穩(wěn)定，滿足定向晶/單晶葉片對(duì)鑄型高溫性能的苛刻需求。

圖 1 基于型芯/型殼一體化鑄型的渦輪葉片快速成形技術(shù)

西安交通大學(xué)在型芯/型殼一體化渦輪葉片快速成形技術(shù)在陶瓷鑄型制備、鑄型中高溫力學(xué)性能調(diào)控、全流程葉片精度控制等方面取得了突破，實(shí)現(xiàn)了多種型號(hào)空心渦輪葉片的快速研制，取得了以下技術(shù)進(jìn)展。

圖 2 型芯/型殼一體化陶瓷鑄型

1) 建立了基于光固化3D打印的空心渦輪葉片型芯/型殼一體化鑄型快速制備技術(shù)體系。該技術(shù)改變了傳統(tǒng)葉片制造需要型芯模具、型芯/型殼組合的復(fù)雜流程，受結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制大大降低，可為新型氣冷葉片的內(nèi)腔復(fù)雜冷卻流道提供更大的設(shè)計(jì)自由度。并且，鑄型壁厚可準(zhǔn)確調(diào)控，通過(guò)調(diào)節(jié)散熱條件來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片柱狀晶/單晶組織的控制。該技術(shù)還可以用于復(fù)雜異型氣膜孔等新型冷卻結(jié)構(gòu)的整體鑄造成形，推進(jìn)渦輪葉片數(shù)字化精確控形控性。

2) 空心渦輪葉片型芯/型殼一體化陶瓷鑄型中高溫力學(xué)性能調(diào)控技術(shù)。研究提出以有機(jī)陶瓷前驅(qū)體進(jìn)行一體化鑄型中溫強(qiáng)化的方法，有效保證了鑄型焙燒后的結(jié)構(gòu)完整性。建立了基于莫來(lái)石高溫強(qiáng)化的材料體系，可實(shí)現(xiàn)1 500 ℃下高溫抗彎強(qiáng)度8~34.9 MPa可調(diào)控，分別滿足不同尺寸等軸晶、定向柱晶、單晶葉片的凝固要求。

3) 型芯/型殼一體化空心渦輪葉片全流程精度控制技術(shù)。研究通過(guò)霧化覆膜技術(shù)，解決了光固化樹(shù)脂原型表面臺(tái)階效應(yīng)，提升了光固化原型內(nèi)外表面質(zhì)量(表面粗糙度優(yōu)于3.2 μm)。通過(guò)真空冷凍干燥工藝方法，可有效抑制鑄型干燥開(kāi)裂，解決了厚大陶瓷坯體干燥的難題，實(shí)現(xiàn)了鑄型濕坯的無(wú)缺陷快速干燥，并將干燥效率提升2~3倍。提出了一體化鑄型型芯燒結(jié)重心面概念，解決了細(xì)長(zhǎng)懸臂型芯燒結(jié)變形的問(wèn)題，并構(gòu)建了“近零燒結(jié)收縮”材料體系與燒結(jié)工藝，將鑄型燒結(jié)收縮率控制在0.1%內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了空心渦輪葉片精確成形(關(guān)鍵尺寸誤差低于0.1 mm)，實(shí)現(xiàn)了葉片的高精度制造。

針對(duì)傳統(tǒng)熔模鑄造技術(shù)中渦輪葉片研制周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、成本高、響應(yīng)慢等問(wèn)題，將高精度光固化成形與精密鑄造結(jié)合，發(fā)明了型芯/型殼一體化渦輪葉片快速成形技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)空心渦輪葉片中小批量的快速制造，圖 3為基于本技術(shù)成形的空心渦輪葉片。較之熔模鑄造工藝，該技術(shù)在新型號(hào)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)空心渦輪葉片的研制中具有顯著優(yōu)勢(shì)，可縮短空心渦輪葉片研發(fā)周期60%~80%，節(jié)約研發(fā)成本60%以上，并有利于渦輪葉片尺寸精度的調(diào)控。此外，該技術(shù)也可延伸至雙層壁結(jié)構(gòu)葉片、異型氣膜孔、機(jī)匣的快速制造。

圖 3 基于型芯/型殼一體化技術(shù)的空心渦輪葉片

1.2 難熔高熵合金增材制造技術(shù)
耐高溫材料及其制造工藝是航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。美國(guó)多用途先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃(VAATE)、歐洲先進(jìn)核心軍用發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃(ACME)等相繼推行，其定義了未來(lái)第五代推重比15~20的高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪前進(jìn)口設(shè)計(jì)溫度將達(dá)到2 200 K以上。難熔高熵合金具有耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度、抗輻照性能佳的特點(diǎn)，在航天航空領(lǐng)域、核工業(yè)領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域均有巨大應(yīng)用前景。增材制造技術(shù)利用高能能量源將材料逐點(diǎn)熔化，逐層堆積，直接成形。憑借加工周期短，生產(chǎn)效率高，復(fù)雜構(gòu)件快速成型的特點(diǎn)，為極端應(yīng)用環(huán)境下難熔高熵合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造提供了可能性。因此由高熔點(diǎn)元素構(gòu)成的難熔高熵合金及其增材制造在未來(lái)航空航天工業(yè)中有巨大應(yīng)用潛力。

激光增材制造以高能率激光束為能量源，熔化制備高熵合金不僅可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高延性的完美結(jié)合，不需要傳統(tǒng)的真空熔煉設(shè)備，而且有制造更大、更復(fù)雜、可用于工程應(yīng)用的耐高溫高熵合金零件的潛力，也體現(xiàn)出材料基因組研究的作用。目前選擇性激光熔化制備高熵合金研究主要集中在優(yōu)化工藝、改善材料性能等方面。

2015年，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的Brif等采用選擇性激光熔化制備了FeCoCrNi高熵合金，晶粒在巨大的溫度梯度和快速凝固共同作用下得到細(xì)化，屈服強(qiáng)度達(dá)600 MPa，是真空電弧熔煉樣件的3倍以上，在Hall Petch效應(yīng)和單一固溶體的作用下FeCoCrNi高熵合金同時(shí)具有高強(qiáng)度和良好的延展性。研究結(jié)果表明SLM不僅能制備高熵合金，而且所得到的力學(xué)性能滿足工程應(yīng)用的需求。

2017年，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的Haase等使用激光熔覆沉積制備了CoCrFeMnNi高熵合金，沉積的高熵合金密度高，無(wú)宏觀偏析，化學(xué)均一性好，平均維氏硬度195HV5，壓縮屈服強(qiáng)度260 MPa，優(yōu)于常規(guī)熱處理樣件，證明了激光熔覆沉積技術(shù)用于高熵合金大批量樣品生產(chǎn)的可行性。同時(shí)，Haase提出將平衡態(tài)合金相圖和非平衡態(tài)Scheil方程相結(jié)合用于預(yù)測(cè)高熵合金的相組成和元素分布的合金設(shè)計(jì)理念。

2018年，新加坡制造技術(shù)研究院的Zhu等采用選擇性激光熔化制備了近全致密的CoCrFeNiMn高熵合金，熔池、柱狀晶粒、亞微米胞狀結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)組成了分層結(jié)構(gòu)，定量分析表明胞狀結(jié)構(gòu)通過(guò)位錯(cuò)強(qiáng)化提高了屈服強(qiáng)度(510 MPa)，并認(rèn)為通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)、掃描策略和加工方向，可以進(jìn)一步有效地提高材料的力學(xué)性能。

西安交通大學(xué)致力于增材制造難熔高熵合金的研究。采用激光選區(qū)熔化工藝，進(jìn)行了NbMoTaW成型工藝以及性能的研究。制備了NbMoTaW合金試樣，如圖 4所示，并進(jìn)行了的物相分析，結(jié)果表明NbMoTaW合金結(jié)構(gòu)為單一的BCC相無(wú)序固溶體。NbMoTaW合金在高能率激光選區(qū)熔化過(guò)程中形成柱狀晶，金屬微熔池處于激冷(冷卻速率103 K/s)條件下迅速冷卻，得到了平均尺寸為20 μm的極小晶粒，同時(shí)W、Nb、Mo、Ta元素在高熵合金中均勻分布，無(wú)明顯微觀偏析，采用激光增材制造NbMoTaW高熵合金力學(xué)性能優(yōu)于電弧熔煉等其他工藝高熵合金的性能。

圖 4 選區(qū)激光熔化成型高熵合金樣件

通過(guò)優(yōu)化材料成分來(lái)調(diào)控成型樣件的組織結(jié)構(gòu)，以增加塑性相來(lái)改善增材成形性。獲得NbMoTaX系高熵合金增材制造樣件常溫壓縮強(qiáng)度達(dá)到2.3 GPa(圖 5(a))，800 ℃時(shí)高溫壓縮強(qiáng)度達(dá)到1.0 GPa。相比于成分優(yōu)化前的NbMoTa合金常溫壓縮性能提高了77.5%，高溫壓縮性能提高了230%，如圖 5(b)所示。研究表明，形成的增材制造專用NbMoTaX高熵合金密度達(dá)到9.0 g/cm3以下，其部分高溫性能超過(guò)傳統(tǒng)高溫合金(圖 5(c))，通過(guò)大幅簡(jiǎn)化氣膜孔，在力學(xué)性能及燃油效率上大幅優(yōu)化，為下一代高溫葉片材料和成形工藝提供變革性思路。

圖 5 增材制造NbMoTaX系高熵合金性能特點(diǎn)

采用激光增材工藝成形難熔高溫高熵合金過(guò)程中，由于材料熔點(diǎn)與基板溫度梯度較大，結(jié)合面處熱積累嚴(yán)重時(shí)，易產(chǎn)生如圖 6所示的翹曲現(xiàn)象，嚴(yán)重影響合金性能。成型相同成分的樣件時(shí)，仍需根據(jù)樣件的大小以及形狀復(fù)雜程度選用不同的工藝窗口，因此工藝窗口的通用性不強(qiáng)。圖 7采用相同材料成分、相同工藝窗口打印形狀相同而大小不同的兩個(gè)樣件時(shí)，小樣件沒(méi)有裂紋而大樣件出現(xiàn)了致命性的裂紋，因此難以實(shí)現(xiàn)大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)高端部件的精密制造。難熔高熵合金選用的元素大都為高熔點(diǎn)元素，成型后形成單一的體心立方(BCC)相，BCC相對(duì)溫度敏感，因此成型的樣件塑性差，具有很低的延伸率。因此仍需通過(guò)材料成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及工藝窗口的優(yōu)化來(lái)使難熔高熵合金真正走向市場(chǎng)。

圖 6 選區(qū)激光熔化過(guò)程中高熵合金翹曲現(xiàn)象

圖 7 采用相同材料以及工藝激光增材成型相同形狀不同大小的渦輪葉片樣件

1.3 陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片制造技術(shù)
為了提高推重比，未來(lái)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度將高于2 000 ℃，遠(yuǎn)超過(guò)高溫合金熔點(diǎn)，即使采用先進(jìn)的冷卻結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的空心渦輪單晶葉片耐溫性也難以滿足超高溫服役需求，而纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料(CMC)具有高比強(qiáng)、耐高溫等優(yōu)勢(shì)，克服了高溫合金耐溫差和密度大等缺點(diǎn)，是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的理想結(jié)構(gòu)材料。以CMC材料替代高溫合金制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心渦輪葉片，將使發(fā)動(dòng)機(jī)的重量顯著減小、工作溫度提高，增加推重比，降低油耗；其次，CMC材料具有良好的高溫?fù)p傷容限，可顯著提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。因此，CMC渦輪葉片先進(jìn)制造技術(shù)對(duì)未來(lái)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

國(guó)外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)代表性機(jī)構(gòu)主要包括美國(guó)航空航天局(NASA)和通用電氣航空公司(GE)、英國(guó)羅爾斯-羅伊斯公司(R-R)等，成功將碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(SiC-CMC)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片。其中，美國(guó)GE公司已在F414軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上，驗(yàn)證了SiC-CMC低壓渦輪動(dòng)葉的耐高溫與持久性能，并在GE-nx民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片上開(kāi)展了系列試驗(yàn)；GE公司研發(fā)的波音777X大型客機(jī)的GE-9X發(fā)動(dòng)機(jī)，采用SiC-CMC低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片等，將發(fā)動(dòng)機(jī)重量降低6%，極大提升了GE-9X發(fā)動(dòng)機(jī)推力，燃油效率提高約10%；2017年，GE公司聯(lián)合法國(guó)斯奈克瑪公司，實(shí)現(xiàn)了LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)SiC/SiC-CMC熱端靜子部件的工程化應(yīng)用。同時(shí)，美國(guó)NASA公司將渦輪葉片模型分解，以纖維編織成形骨架，然后通過(guò)組合裝配、反應(yīng)燒結(jié)等實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的制造(圖 8)，但CMC熱端部件連接處耐溫性較差，并且纖維編織精度較低，致密CMC熱端部件需要大量后處理。由上可知：美國(guó)在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)CMC渦輪葉片制造等領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)突破，并從簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、低溫、靜子部件轉(zhuǎn)為復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高溫、轉(zhuǎn)子部件，彰顯了SiC-CMC材料在未來(lái)軍用和民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的巨大應(yīng)用潛力。SiC-CMC材料應(yīng)用到高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片，成為未來(lái)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。近十多年，國(guó)防科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)以及北京航空材料研究院等少數(shù)機(jī)構(gòu)，主要沿襲國(guó)外纖維編織技術(shù)，開(kāi)展CMC渦輪葉片制造的研究，或者針對(duì)高性能纖維及其CMC材料制備進(jìn)行了自主探索，取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但國(guó)內(nèi)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)目前和將來(lái)相當(dāng)時(shí)間內(nèi)仍然依賴美國(guó)GE公司和英國(guó)R-R公司等先進(jìn)代表性機(jī)構(gòu)。

圖 8 美國(guó)航空航天局(NASA)CMC渦輪葉片

目前國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)CMC渦輪葉片的制造，主要以纖維編織工藝成形增韌結(jié)構(gòu)，再通過(guò)化學(xué)氣相滲透技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳化硅陶瓷基體的致密化，雖然具有纖維含量高、連續(xù)性好、力學(xué)性能佳等優(yōu)點(diǎn)，但難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)字化成形和組織性能調(diào)控(控形和控性)。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，顯著減小了渦輪葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的約束，從而為復(fù)雜SiC-CMC渦輪葉片的高性能制造提供了新思路。由此，西安交通大學(xué)提出航空發(fā)動(dòng)機(jī)CMC渦輪葉片制造新方法，與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外技術(shù)相比，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)渦輪葉片CMC材料制備/精密成形一體化制造。發(fā)明了基于光固化3D打印的高體積含量純纖維預(yù)制體凝膠注模成型技術(shù)，克服了復(fù)雜結(jié)構(gòu)CMC渦輪葉片整體成形難的技術(shù)瓶頸，以化學(xué)氣相滲透制備纖維界面層，以原位合成獲得SiC陶瓷基體的致密化，通過(guò)材料設(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)CMC組織性能調(diào)控，可獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)CMC渦輪葉片快速制造，將CMC材料斷裂韌性提高到8 MPa·m1/2以上。建立了凝膠注模/原位合成碳化硅陶瓷基體強(qiáng)度調(diào)控方法。研究表明游離硅含量過(guò)高是導(dǎo)致CMC材料高溫強(qiáng)度較低的主要原因。通過(guò)添加碳源提高纖維預(yù)制體中碳含量，以原位合成高溫相(如碳化硅或硅化鉬)降低CMC材料中游離硅，若采用單質(zhì)石墨，游離硅含量依然較高(約31.83vol%)。為進(jìn)一步控制游離硅量，采用酚醛樹(shù)脂浸漬裂解，研究表明酚醛樹(shù)脂作為碳前驅(qū)體可顯著提高預(yù)制體中碳含量，以原位合成高溫相可有效控制CMC材料中游離硅，游離硅含量最低值小于10vol%，實(shí)現(xiàn)CMC渦輪葉片1 400 ℃高溫強(qiáng)度達(dá)到400 MPa以上。提出定向微觀層片結(jié)構(gòu)CMC復(fù)雜零部件的制造方法。將定向冷凍與凝膠注模結(jié)合，開(kāi)創(chuàng)性探索了定向冷凍凝膠注模技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)層狀陶瓷具有較高彎曲強(qiáng)度同時(shí)表現(xiàn)出較大的應(yīng)變能力，可以實(shí)現(xiàn)CMC渦輪葉片結(jié)構(gòu)成形和組織性能一體化快速制造。提出CMC渦輪葉片預(yù)制體的纖維核殼結(jié)構(gòu)制備方法。以直寫(xiě)打印技術(shù)成形具有纖維(核)和陶瓷(殼)結(jié)構(gòu)特征的CMC預(yù)制體，然后通過(guò)化學(xué)氣相滲透獲得纖維界面層，采用先驅(qū)體浸漬裂解等(如：聚碳硅烷)進(jìn)行預(yù)制體致密化，首次將碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的制備從材料設(shè)計(jì)向增韌核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。研究表明，同軸直寫(xiě)打印技術(shù)可有效控制三相流中纖維(核)與陶瓷(殼)的體積比，定向排列纖維可顯著提高CMC材料的抗斷裂性能。較之現(xiàn)有3D打印多孔碳纖維增韌碳化硅復(fù)合材料，該方法將CMC強(qiáng)韌性提升3倍以上，圖 9為制備的SiC-CMCs渦輪葉片。

圖 9 SiC-CMCs渦輪葉片

因此，相對(duì)于目前CMC渦輪葉片纖維編織工藝，增材制造技術(shù)在陶瓷基復(fù)合材料制造中的運(yùn)用，顯著減小CMC渦輪葉片復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的約束，實(shí)現(xiàn)CMC纖維組織和外形結(jié)構(gòu)的控制，適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)CMC渦輪葉片的高性能快速制造，有望推動(dòng)未來(lái)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速研制，縮短中國(guó)與歐美先進(jìn)制造水平的差距。

2 高分子材料及其復(fù)合材料增材制造
聚醚醚酮(Poly-Ether-Ether-Ketone，PEEK)是半結(jié)晶、熱塑性高分子聚合物材料，具有優(yōu)異的耐熱性與穩(wěn)定性，而且，碳纖維、陶瓷材料、金屬化合物等增強(qiáng)相改性形成的PEEK基復(fù)合材料具有更為優(yōu)異的物化性能或形成了具有某種特定作用(耐輻射、智能變形、導(dǎo)電、電磁屏蔽等)的功能性材料。因此，PEEK及其復(fù)合材料已經(jīng)作為典型的輕質(zhì)高性能材料或功能性材料應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，近年來(lái)，隨著增材制造(3D打印)技術(shù)的發(fā)展，其與PEEK及其復(fù)合材料的結(jié)合，可以快速成形結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、功能要求更為多樣的制件，大大提升了其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。PEEK及其復(fù)合材料具有杰出的阻燃性、力學(xué)性能、耐蠕變性和耐疲勞性，可制造燃油過(guò)濾網(wǎng)、螺栓、螺母、繞線管、艙內(nèi)座椅及飯桌、艙內(nèi)蒙皮、整機(jī)電纜橋架及電器元件、艙內(nèi)把手、壓縮機(jī)及泵體等零部件，已經(jīng)應(yīng)用于航空航天器的內(nèi)裝件，僅國(guó)外威格斯企業(yè)的PEEK材料已經(jīng)在超過(guò)15 000架飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，比金屬減重最高達(dá)70%，國(guó)內(nèi)商飛公司也采用PEEK材料的高壓電纜導(dǎo)管替代金屬管道，減重高達(dá)45%，并且提高了燃油效率。此外，由于PEEK及其復(fù)合材料優(yōu)異的耐候性、耐水解性、耐腐蝕性等，同樣可以被應(yīng)用于航空航天器的外裝件，國(guó)外空客公司已經(jīng)采用PEEK材料作為燃油箱蓋板應(yīng)用到空客A380飛機(jī)上，并采用高模量碳纖維增強(qiáng)的PEEK材料作為飛機(jī)艙門(mén)配件應(yīng)用到空客A350-900飛機(jī)上，而波音公司則采用PEEK材料作為輪轂罩應(yīng)用到新型波音777飛機(jī)上，并且，PEEK及其復(fù)合材料還是雷達(dá)天線罩制造的理想材料，已經(jīng)在各種型號(hào)航空航天器上得到了較為普遍的應(yīng)用。

2.1 PEEK材料增材制造
PEEK材料與增材制造(3D打印)技術(shù)的結(jié)合，以制造出結(jié)構(gòu)、性能、功能更為復(fù)雜的零部件，可以滿足航空航天領(lǐng)域?qū)τ诔�音速、隱蔽性、深空探索、在軌制造等更深層次的需求。目前主要用于PEEK及其復(fù)合材料的增材制造工藝主要有粉末床燒結(jié)和熔融擠出兩種方式，自2015年以來(lái)，國(guó)外的英國(guó)�？巳�特大學(xué)、德國(guó)EOS公司、莫斯科理工大學(xué)，國(guó)內(nèi)的西安交通大學(xué)、吉林大學(xué)等研究單位開(kāi)發(fā)了可用于PEEK及其復(fù)合材料的粉末床燒結(jié)裝備或熔融擠出裝備，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了工藝試驗(yàn)研究，可以獲得性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的功能構(gòu)件，顯示出其在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。其中最新的應(yīng)用例如，國(guó)外的歐洲航天局推出了增材制造的PEEK材料CubeSat立體小衛(wèi)星項(xiàng)目，并進(jìn)入第一次測(cè)試運(yùn)行，美國(guó)航空航天局則支持了一項(xiàng)SpiderFab機(jī)器人計(jì)劃，旨在采用CF/PEEK材料在軌增材制造大型太陽(yáng)能電池陣列的支撐結(jié)構(gòu)，已在地面開(kāi)展了測(cè)試試驗(yàn)，而國(guó)內(nèi)的中電38所和西安交通大學(xué)合作采用PEEK材料進(jìn)行了復(fù)雜結(jié)構(gòu)雷達(dá)天線的增材制造，探索了其在航空航天復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用價(jià)值。

分子結(jié)晶與力學(xué)性能調(diào)控增材制造技術(shù)與應(yīng)用。PEEK材料是一種半結(jié)晶高分子材料，本研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種分子結(jié)晶與力學(xué)性能調(diào)控增材制造技術(shù)，可以通過(guò)調(diào)控增材制造過(guò)程中的熱工藝參數(shù)(環(huán)境溫度、打印溫度、熱處理方式等)，得到不同位置不同結(jié)晶度的PEEK材料制件，而制件結(jié)晶度越高，其硬度、模量、強(qiáng)度越高，但塑性、韌性越低，因此可以在同一制件上體現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，以滿足航空航天環(huán)境下復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)變變化的需求。目前，該技術(shù)可以普遍應(yīng)用于航空航天器內(nèi)裝件與外裝件零部件的制造，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行PEEK材料制件強(qiáng)韌性的調(diào)控，典型應(yīng)用如把手、儀器面罩、天線及其支撐柱等，如圖 10所示。

圖 10 艙內(nèi)把手與雷達(dá)天線

高精度大尺寸PEEK材料增材制造技術(shù)與應(yīng)用。航空航天領(lǐng)域的大部分零件具有尺寸大(單方向尺寸大于1 m)、精度要求高等特點(diǎn)，因此，本研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展高精度大尺寸PEEK材料增材制造技術(shù)研究，通過(guò)變形和精度控制、大幅面制造、控性冷沉積和精度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，研發(fā)了面向PEEK及其復(fù)合材料的高精度大尺寸增材制造裝備，可實(shí)現(xiàn)大尺寸PEEK材料構(gòu)件的高穩(wěn)定制造，同時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部精密結(jié)構(gòu)(如蜂窩結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等)的高精度成形。目前，該技術(shù)可以應(yīng)用于航空航天器中較大尺寸(0.5~1 m)實(shí)體零件的快速成形，和大尺寸(大于1 m)薄壁零件的可控制造，典型應(yīng)用如雷達(dá)天線罩、大尺寸衛(wèi)星照相遮光罩等，如圖 11所示。

圖 11 高精度大尺寸增材制造裝備(上)和1.3 m的蜂窩結(jié)構(gòu)雷達(dá)天線罩(下)

纖維增強(qiáng)PEEK基復(fù)合材料增材制造技術(shù)與應(yīng)用。為了滿足航空航天領(lǐng)域更高的性能和功能要求，可以采用碳纖維、玻璃纖維等增強(qiáng)相對(duì)PEEK材料進(jìn)行改性，并采用增材制造技術(shù)進(jìn)行復(fù)合材料零件的制造。研究團(tuán)隊(duì)所開(kāi)展的纖維增強(qiáng)PEEK基復(fù)合材料增材制造技術(shù)研究，可以實(shí)現(xiàn)所獲得復(fù)合材料制件的綜合力學(xué)性能相較于純PEEK材料制件提高50%以上，并提高了制件的耐磨性、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性，可更好適應(yīng)空天的復(fù)雜氣流與溫度環(huán)境。目前，該技術(shù)可以應(yīng)用于航空航天器中承載結(jié)構(gòu)件或耐熱等功能結(jié)構(gòu)件的制造，在滿足需求的同時(shí)達(dá)到減重的目標(biāo)，典型應(yīng)用如飛機(jī)黑匣子外罩、氣流管道和流體閥體等(圖 12)。

圖 12 增材制造的纖維增強(qiáng)PEEK基復(fù)合材料零件

2.2 寬頻大角度吸波結(jié)構(gòu)增材制造

航空隱身技術(shù)能夠有效提高現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)的突防能力以及戰(zhàn)爭(zhēng)生存能力，是現(xiàn)代先進(jìn)航空飛行器的重要技術(shù)指標(biāo)。現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)的隱身技術(shù)是通過(guò)弱化飛行器的目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積(RCS)實(shí)現(xiàn)的，目前主要通過(guò)外形設(shè)計(jì)、阻抗加載和材料吸波特性實(shí)現(xiàn)，而材料隱身技術(shù)在不影響飛行器整體結(jié)構(gòu)的條件下，通過(guò)主動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合特定吸波材料的物理特性，有望實(shí)現(xiàn)質(zhì)量輕、頻帶寬、大角度的電磁吸波特點(diǎn)，是未來(lái)航空隱身技術(shù)的主要發(fā)展方向和趨勢(shì)。先進(jìn)航空飛行器受到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料體系、制造工藝等諸多方面的限制，材料隱身技術(shù)是依據(jù)電磁波理論，通過(guò)主動(dòng)設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)吸波隱身效果，這類結(jié)構(gòu)往往具有精巧的單元結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于加工方法具有極大的挑戰(zhàn)。因此，隱身技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必然依靠材料/結(jié)構(gòu)功能一體化實(shí)現(xiàn)飛行器的綜合隱身，利用增材制造技術(shù)其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造上的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)“材料-設(shè)計(jì)-制造”一體化的方向，拓寬了材料自身吸波性能的物理限制，因此，成為隱身技術(shù)重要的制造方法之一，也是學(xué)術(shù)領(lǐng)域和工程應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。

西安交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用立體光固化增材制造工藝(SL)制造了一種梯度折射率雷達(dá)吸收結(jié)隊(duì)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)展示了良好的電磁吸收能力，較早的驗(yàn)證了采用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜吸波結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；西北工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用立體光固化技術(shù)(SL)和化學(xué)氣相滲透技術(shù)制造了具有不同角度的蜂窩狀A(yù)l2O3/SiCw復(fù)合材料吸波結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制蜂窩角度，實(shí)現(xiàn)了吸波性能的調(diào)節(jié)，當(dāng)角度為30°，厚度為3.5 mm時(shí)，吸波性能最優(yōu)，最小反射損耗達(dá)到-63.65 dB，有效吸收帶寬達(dá)到4.2 dB(8.2~12.4 GHz)。牛津大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用雙噴頭熔融沉積增材制造工藝制造不同材料的各向異性介質(zhì)復(fù)合物，一個(gè)噴頭制造低介電常數(shù)的多聚物，另一個(gè)添加高介電常數(shù)的無(wú)機(jī)微粒填充物，其制造的吸波結(jié)構(gòu)最大吸波性能接近15.75 GHz。中南大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用選擇性激光燒結(jié)增材制造工藝(SLS)制作了一種三層不同單元的均質(zhì)材料吸波結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)表明其在4~18 GHz均低于頻率-10 dB。南京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用多材料數(shù)字光投影技術(shù)(DLP)對(duì)石墨烯/羰基鐵/聚甲基丙烯酸甲酯烯等復(fù)合材料進(jìn)行打印，制造了一種具有雙層結(jié)構(gòu)的吸收體，通過(guò)控制雙層結(jié)構(gòu)的厚度，可以實(shí)現(xiàn)吸波性能的調(diào)節(jié)，通過(guò)優(yōu)化得到最小反射損耗為-46.1 dB, 有效吸收帶寬為3.5 GHz。

增材制造技術(shù)憑借其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面的制造優(yōu)勢(shì)，在隱身結(jié)構(gòu)的制造方面獲得了重要的突破，然而從上述研究?jī)?nèi)容不難發(fā)現(xiàn)，目前增材制造隱身結(jié)構(gòu)的吸波帶寬不寬、吸波方向固定，這也與目前均質(zhì)的增材制造結(jié)構(gòu)吸波特性所吻合，結(jié)構(gòu)與材料的復(fù)合吸波優(yōu)勢(shì)尚未通過(guò)增材制造工藝充分體現(xiàn)。

高性能聚合物復(fù)合材料吸波結(jié)構(gòu)增材制造工藝采用以聚醚醚酮(PEEK)為代表的高性能聚合物為基體材料，羥基鐵等材料作為吸波增強(qiáng)相材料，提出了一種具有連續(xù)變化的材料/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與增材制造方法，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)連續(xù)變化的胞元結(jié)構(gòu)以及復(fù)合材料吸收劑含量的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了與自由空間的梯度阻抗匹配及樣件制造。

設(shè)計(jì)的多層級(jí)吸波結(jié)構(gòu)如圖 13(a)和圖 13(b)所示，該結(jié)構(gòu)共有10個(gè)層級(jí)，每個(gè)層級(jí)厚度為2 mm，通過(guò)設(shè)計(jì)每層吸波結(jié)構(gòu)中單胞結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和復(fù)合材料分布共得到四組不同梯度單元結(jié)構(gòu)。其中，單胞結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如圖 13(b)所示為正六邊形和平行四邊形復(fù)合而成，其中胞元高度D和棱邊寬度W為常數(shù)，分別為2 mm和0.2 mm，而平行四邊形對(duì)邊垂直高度H為變量，其取值范圍為1.2~3.0 mm。

圖 13 吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吸波復(fù)合材料則分別采用聚醚醚酮(PEEK)粉末以及球形羰基鐵粉(粒徑1~3 μm)制備了3種含量的3D打印專用吸波復(fù)合材料絲材(50wt%、60wt%、70wt%)，測(cè)試了3種含量(50wt%、60wt%、70wt%)復(fù)合材料的電磁性能參數(shù)，在12~18 GHz波段內(nèi)，隨著羰基鐵粉濃度的增加，有效粒徑增大，吸波復(fù)合材料介電常數(shù)實(shí)部、磁導(dǎo)率實(shí)部、磁導(dǎo)率虛部增加明顯。

圖 14為打印完成的多層吸波結(jié)構(gòu)試樣及在不同角度入射電磁波下的反射損耗曲線測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果顯示，隨著電磁波入射角度從20°增加到50°，多層吸波結(jié)構(gòu)反射損耗曲線逐漸向上移動(dòng)，吸波性能逐漸下降。圖 14(c)和圖 14(d)顯示，當(dāng)入射角分別為20°和30°時(shí)，實(shí)測(cè)反射損耗值曲線較仿真結(jié)果整體向上偏移；當(dāng)入射角分別為40°和50°時(shí)，實(shí)測(cè)反射損耗值曲線較仿真結(jié)果整體向下偏移；這主要是由于3D打印精度誤差導(dǎo)致了在不同入射角度下特征阻抗發(fā)生變化，從而引起吸波效果與仿真結(jié)果的差異。最終可以得出結(jié)論，當(dāng)電磁波入射角度分別為20°、30°、40°、50°時(shí)，多層級(jí)梯度吸波結(jié)構(gòu)的有效吸波(＜-10 dB)頻寬分別為9.8 GHz(8.2~18 GHz)、9.65 GHz(8.35~18 GHz)、9.25 GHz(8.75~18 GHz)、8.6 GHz(9.4~18 GHz)。

圖 14 3D打印樣件及測(cè)試結(jié)果

吸波復(fù)合材料增材制造技術(shù)通過(guò)微結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)，結(jié)合多種吸收劑的吸波特性，可以進(jìn)一步拓寬吸收頻帶，整體結(jié)構(gòu)吸波方向性也得到了改善。隨著航空隱身技術(shù)的快速的發(fā)展，寬頻、全向、承載/功能一體化已經(jīng)成為未來(lái)航空隱身技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)，基于電磁損耗原理的可控微結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)、跨尺度(微/納)復(fù)合材料以及高精度制造等關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用，有望成為實(shí)現(xiàn)航空隱身突破的重要技術(shù)手段，并在隱身艦船上層建筑等領(lǐng)域獲得重大應(yīng)用。

3 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印及太空制造
纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)異特性，現(xiàn)有復(fù)合材料成形工藝如熱壓罐、自動(dòng)鋪放、纖維纏繞等長(zhǎng)久以來(lái)因無(wú)法擺脫模具的存在面臨著加工成本高、生產(chǎn)過(guò)程冗雜、零件構(gòu)型簡(jiǎn)單等共性問(wèn)題，為此發(fā)展新的復(fù)合材料低成本一體化快速制造技術(shù)將是下一代復(fù)合材料主要發(fā)展方向與技術(shù)挑戰(zhàn)。近年來(lái)，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印技術(shù)作為一種新興的復(fù)合材料制造技術(shù)，其繼承3D打印無(wú)模自由成形的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，擺脫高昂的模具限制，大大降低復(fù)合材料的加工成本，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的一體化成形。因此，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印為現(xiàn)階段先進(jìn)復(fù)合材料面臨的發(fā)展困境提供了一種綜合性的解決方案，具有十分重要的科學(xué)意義與工程應(yīng)用價(jià)值。

3.1 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印
該技術(shù)在傳統(tǒng)材料擠出成形工藝(ME)基礎(chǔ)上創(chuàng)新發(fā)展起來(lái)的，根據(jù)原材料與打印方式的不同主要包括連續(xù)纖維預(yù)浸絲3D打印與連續(xù)纖維干絲原位浸漬3D打印兩種不同的形式。

連續(xù)纖維預(yù)浸絲3D打印首先需要制備纖維預(yù)浸絲，再利用預(yù)浸絲進(jìn)行3D打印，典型代表為美國(guó)Markforged公司，Markforged自2014年開(kāi)始陸續(xù)推出Mark系列打印機(jī)，主要采用兩個(gè)獨(dú)立噴頭，一個(gè)噴頭擠出熱塑性樹(shù)脂，另外一個(gè)連續(xù)纖維預(yù)浸絲束，兩個(gè)噴頭配合工作分別鋪放熔融樹(shù)脂與纖維預(yù)浸束進(jìn)行構(gòu)件輪廓與內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)的制造，打印碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度與模量分別達(dá)到700 MPa與54 GPa。連續(xù)纖維預(yù)浸絲3D打印工藝的關(guān)鍵是纖維預(yù)浸絲材的制備，Hu等開(kāi)發(fā)了利用螺桿擠出熔融浸漬的方式制備碳纖維增強(qiáng)PLA預(yù)浸絲，熔融樹(shù)脂在螺桿旋轉(zhuǎn)剪切作用下流動(dòng)性改善同時(shí)在螺桿壓縮作用下產(chǎn)生較大的壓力，更容易滲透到纖維束內(nèi)部形成具有良好界面的預(yù)浸絲。

連續(xù)纖維干絲原位浸漬3D打印，與預(yù)浸絲打印最大的區(qū)別在于連續(xù)纖維直接采用纖維干絲，打印過(guò)程中纖維與樹(shù)脂同時(shí)送入到同一個(gè)3D打印頭內(nèi)，在加熱作用下樹(shù)脂融化與纖維復(fù)合，之后復(fù)合材料擠出層層堆積成形三維零件。西安交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)于2014年率先提出了以纖維干絲與熱塑性樹(shù)脂絲材為原材料進(jìn)行連續(xù)纖維復(fù)合材料原位浸漬3D打印的技術(shù)原理，成功實(shí)現(xiàn)了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)ABS復(fù)合材料的打印，當(dāng)纖維含量為10%左右時(shí)，拉伸強(qiáng)度與模量分別達(dá)到了147 MPa與4.185 GPa，是純ABS試樣的5倍與2倍左右。2015年，東京理科大學(xué)Matsuzaki等開(kāi)發(fā)出原位浸漬ME工藝實(shí)現(xiàn)了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的打印，當(dāng)纖維含量為6.6%時(shí)，拉伸強(qiáng)度與模量分別達(dá)到了200 MPa與20 GPa，如圖 15所示。

圖 15 連續(xù)纖維干絲原位浸漬3D打印工藝

對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印開(kāi)展了系統(tǒng)的成形工藝實(shí)驗(yàn)，研究了3D打印工藝參數(shù)的變化對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，復(fù)合材料彎曲性能與打印頭溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與分層厚度、掃描間距成負(fù)相關(guān)關(guān)系，分析表明工藝參數(shù)的變化會(huì)引起成形過(guò)程中溫度與壓力的變化，二者會(huì)改變復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)工藝參數(shù)也會(huì)改變復(fù)合材料的纖維含量，微觀結(jié)構(gòu)的好壞以及纖維含量的高低是決定復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能的重要因素，因此，在連續(xù)纖維3D打印工藝中可以通過(guò)工藝參數(shù)的調(diào)控實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的性能可控制造。

由于連續(xù)纖維3D打印技術(shù)獨(dú)特的工藝優(yōu)勢(shì)，能夠帶來(lái)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造理念的革新，對(duì)于突破現(xiàn)有復(fù)合材料的應(yīng)用模式促進(jìn)復(fù)合材料向更廣泛領(lǐng)域發(fā)展具有巨大潛力，研究團(tuán)隊(duì)圍繞連續(xù)纖維3D打印進(jìn)行了初步的應(yīng)用探索，一方面，開(kāi)發(fā)了復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)一體化成形技術(shù)，如波紋板結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)等，可被應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)交通等領(lǐng)域解決傳統(tǒng)制造工藝成本高、周期長(zhǎng)的問(wèn)題，起到進(jìn)一步減重、提升性能的效果，如圖 16所示；另一方面，探索了基于連續(xù)纖維3D打印的結(jié)構(gòu)功能一體化、智能化復(fù)合材料制造的行性，通過(guò)對(duì)3D打印連續(xù)纖維中材料分布、纖維路徑規(guī)劃等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的可控變形以及材料變形狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料致動(dòng)、傳感的一體化，在未來(lái)的變形機(jī)翼、柔性機(jī)器人等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，如圖 17所示。

圖 16 輕質(zhì)結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維3D打印一體化成形

圖 17 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料4D打印與變形調(diào)控技術(shù)

圍繞連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料原位浸漬3D打印技術(shù)，建立了基礎(chǔ)工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的調(diào)控機(jī)制實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的性能可控制造，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)了3D打印連續(xù)纖維復(fù)合材料多重結(jié)合界面強(qiáng)化方法，改善了復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)，保證了復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能，所成形復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50.2vol%左右，縱向拉伸強(qiáng)度與模量分別達(dá)到了最高的766.67 MPa與77.25 GPa，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)件低成本快速制造，對(duì)于促進(jìn)復(fù)合材料在航空航天等重要工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)一步向輕量化、智能化、集成化等方向發(fā)展具有重要意義。

3.2 太空連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印
太空作為人類未來(lái)發(fā)展甚至居住的重要領(lǐng)域，具有至關(guān)重要的發(fā)展意義和戰(zhàn)略價(jià)值，是承擔(dān)和保護(hù)國(guó)家安全和發(fā)展的關(guān)鍵命脈之一。近年來(lái)，各個(gè)國(guó)家為了探索太空的可能性，爭(zhēng)奪太空領(lǐng)域的優(yōu)先權(quán)，均大力發(fā)展航天技術(shù)，從而衍生出了許多太空戰(zhàn)略規(guī)劃，如美國(guó)2018年制定的《國(guó)家航天戰(zhàn)略》以及俄羅斯的《2016—2025年俄羅斯聯(lián)邦航天規(guī)劃》等，太空3D打印則被認(rèn)為是航天技術(shù)發(fā)展的核心方向之一。

太空3D打印是指在空間環(huán)境(微重力、真空、高低溫等)下通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)太空基地或構(gòu)件的原位成形技術(shù)。太空3D打印技術(shù)通過(guò)將制造環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)按需原位制造，解脫“地面制造-運(yùn)輸組裝”的傳統(tǒng)模式，大大提高了航天活動(dòng)的靈活性，降低了技術(shù)成本，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

美國(guó)是開(kāi)展太空3D打印技術(shù)相關(guān)研究最早也是技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家，美國(guó)航空航天局(NASA)主導(dǎo)并合作不同研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了各類太空3D打印的探索研究及實(shí)施計(jì)劃。NASA馬歇爾飛行中心于1993年便率先開(kāi)展部分高分子聚合物FDM工藝對(duì)空間環(huán)境適應(yīng)性分析研究，并于1999年開(kāi)展拋物飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了微重力環(huán)境下的FDM工藝的可行性。NASA蘭利研究中心則開(kāi)發(fā)了一套適用于太空飛行的輕型電子束熔絲沉積設(shè)備(EBF3)，并通過(guò)拋物飛行試驗(yàn)，初步實(shí)現(xiàn)了飛行過(guò)程中的樣件成形，驗(yàn)證了該工藝的可行性。NASA和Made In Space公司于2014年合作實(shí)現(xiàn)了全球首次艙內(nèi)太空3D打印，實(shí)現(xiàn)了利用FDM技術(shù)成形多個(gè)ABS樣件，如圖 18所示，并于2015年4月成功回收至NASA馬歇爾飛行中心，大大推進(jìn)太空3D打印的進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)了從地面驗(yàn)證到在軌成形的飛躍。NASA和Tether Unlimited公司則合作提出了SpiderFab技術(shù)以期實(shí)現(xiàn)大型空間桁架結(jié)構(gòu)的一體化艙外在軌成形。

圖 18 美國(guó)2014年實(shí)現(xiàn)首次太空3D打印

歐洲的太空3D打印同樣發(fā)展迅猛。歐洲宇航局(ESA)授權(quán)意大利Altran公司研制了第一臺(tái)FDM空間3D打印機(jī)-POP3D，并于2015年將其成功送入國(guó)際空間站，為搭建太空零部件的加工工廠提供了驗(yàn)證基礎(chǔ)。俄羅斯于2016年報(bào)道，由托木斯克理工大學(xué)高科技物理研究所等4家單位聯(lián)合研制了該國(guó)的首臺(tái)太空3D打印樣機(jī)。

中國(guó)的太空3D打印技術(shù)相比歐美起步較晚，但目前也已實(shí)現(xiàn)了部分工藝及設(shè)備的拋物飛行實(shí)驗(yàn)及艙內(nèi)驗(yàn)證。中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心于2016年共同研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)FDM太空3D打印機(jī)，并在法國(guó)波爾多完成了拋物線失重飛行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了包含短纖增強(qiáng)復(fù)合材料在內(nèi)的多材料體系微重力環(huán)境驗(yàn)證與工藝探索。

2020年5月7日，西安交通大學(xué)和北京衛(wèi)星制造廠聯(lián)合研發(fā)的太空3D打印機(jī)成功搭載“長(zhǎng)征”5號(hào)運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)了太空3D打印，這也是全球首次連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的太空3D打印，如圖 19所示。連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料太空3D打印為發(fā)展高強(qiáng)度高剛度空間構(gòu)件的原位成形提供了創(chuàng)新且有效的技術(shù)手段。

圖 19 中國(guó)實(shí)現(xiàn)全球首次連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的太空3D打印

針對(duì)太空3D打印，目前公開(kāi)報(bào)道的相關(guān)研究主要有3部分，分別是面向太空環(huán)境的3D打印工藝及設(shè)備的地面或艙內(nèi)驗(yàn)證、太空3D打印的高性能材料研究以及太空環(huán)境下的材料回收再打印。

現(xiàn)階段，太空3D打印的地面驗(yàn)證及在軌實(shí)驗(yàn)多以ABS、PLA等純樹(shù)脂以及金屬粉末作為原材料開(kāi)展相關(guān)驗(yàn)證研究，相關(guān)材料體系難以滿足太空環(huán)境下高機(jī)械性能的穩(wěn)定成形以及耐高低溫耐腐蝕的環(huán)境耐受性需求。西安交通大學(xué)提出的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印工藝，能夠確保原材料的連續(xù)性，克服了太空中液體及粉末形態(tài)材料的難以穩(wěn)定成形的缺陷。連續(xù)纖維復(fù)合材料也能夠滿足太空制件輕質(zhì)高模量的性能需求，目前已實(shí)現(xiàn)了多種材料體系的地面驗(yàn)證、設(shè)備搭建及性能評(píng)估，其中就包含耐溫及耐腐蝕性能最佳的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料，其3D打印樣件的彎曲強(qiáng)度和模量可分別超過(guò)480 MPa和37 GPa，高于現(xiàn)有大部分鋁合金制品的力學(xué)性能，再次證實(shí)了連續(xù)纖維復(fù)合材料體系在太空良好的應(yīng)用前景。

太空中的材料回收再利用是減少太空廢料污染、降低材料及運(yùn)輸成本、提高太空制造能效的有效手段。Made In Space公司在內(nèi)的多家研究機(jī)構(gòu)已相繼開(kāi)展以熱塑性樹(shù)脂為對(duì)象的空間回收再利用技術(shù)研究。相比于純樹(shù)脂，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料能夠更好地發(fā)揮連續(xù)纖維的形態(tài)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)回收再打印的目標(biāo)。西安交通大學(xué)研究人員探索了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸(CCF/PLA)復(fù)合材料的回收再利用。

通過(guò)非接觸式加熱熔融的方式進(jìn)行逆打印路徑的絲材剝離及收卷，而后實(shí)現(xiàn)二次打印成形。經(jīng)過(guò)性能測(cè)試，結(jié)果表明二次成形的力學(xué)性能相比首次打印可提升25%，再次證實(shí)連續(xù)纖維復(fù)合材料的回收再利用不僅有利于太空綠色節(jié)能制造，也能實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的有效提升。因此，開(kāi)展空間環(huán)境下的連續(xù)纖維復(fù)合材料的回收再利用將會(huì)是未來(lái)該技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

4 結(jié)論與展望
1) 增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展空間，其應(yīng)用可以分為3個(gè)層面，第1個(gè)層面?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)方法和材料體系采用增材制造技術(shù)進(jìn)行構(gòu)件制造；第2個(gè)層面是面向新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用增材制造技術(shù)；第3個(gè)層面是采用新的功能材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化增材制造實(shí)現(xiàn)更多新的功能。未來(lái)航空航天領(lǐng)域應(yīng)用應(yīng)該向功能材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化增材制造發(fā)展。

2) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片是航空制造的一個(gè)制造難點(diǎn)，采用與傳統(tǒng)鑄造融合的型芯/型殼一體化技術(shù)可以有效提升成形效率，為異型氣�？缀捅诶浣Y(jié)構(gòu)制造提供新途徑。發(fā)展高熵高溫合金和陶瓷復(fù)合材料葉片增材制造技術(shù)是渦輪葉片變革發(fā)展的方向。

3) 以聚醚醚酮為代表的高性能輕質(zhì)聚合物及其復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，提出增材制造工藝調(diào)控結(jié)晶度實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)性能的控制，實(shí)現(xiàn)增材制造的控形控性理念。短纖維與聚醚醚酮復(fù)合提升增材制造構(gòu)件的力學(xué)性能，電磁吸波材料與聚醚醚酮復(fù)合可實(shí)現(xiàn)具有寬頻大角度吸波性能，為電磁波隱身的主動(dòng)設(shè)計(jì)和可控制造提供新方法。

4) 連續(xù)纖維3D打印技術(shù)無(wú)需模具，能夠帶來(lái)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造理念的革新，未來(lái)向著復(fù)合材料致動(dòng)、傳感的一體化的4D打印方向發(fā)展。連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料太空3D打印為發(fā)展高強(qiáng)度高剛度空間構(gòu)件的原位成形提供了創(chuàng)新且有效的技術(shù)手段，中國(guó)實(shí)現(xiàn)全球首次連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的太空3D打印，為中國(guó)未來(lái)太空制造技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

5) 航空航天產(chǎn)業(yè)是國(guó)家制造業(yè)實(shí)力的體現(xiàn)，增材制造技術(shù)的應(yīng)用是中國(guó)航空航天技術(shù)趕超世界先進(jìn)國(guó)家的歷史性機(jī)遇。未來(lái)增材制造技術(shù)發(fā)展主要需要關(guān)注3個(gè)方面需要和發(fā)展：航天航空器發(fā)展將向結(jié)構(gòu)整體化制造發(fā)展，需要增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的整體化制造，這將將大幅度減少零部件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)高性能結(jié)構(gòu)的發(fā)展；航空航天器構(gòu)件將向多功能發(fā)展，增材制造技術(shù)將實(shí)現(xiàn)多功能材料的混合制造，承載、抗熱、吸波、通訊、自感知等多功能，使得航空航天構(gòu)件向智能化發(fā)展；太空制造將由實(shí)驗(yàn)走向應(yīng)用，這將改變現(xiàn)有的航天器制造模式，極端環(huán)境、失重、低功耗等條件下，增材制造技術(shù)會(huì)面臨許多新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，太空增材制造技術(shù)有可能成為太空科技的新熱點(diǎn)。