作為高附加值產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)，航空航天工業(yè)一直對先進(jìn)制造技術(shù)開發(fā)和采用具有強(qiáng)大推動(dòng)力。隨著航空業(yè)對節(jié)能減排、輕量化、可靠性和舒適性的要求越來越高，飛機(jī)制造需要越來越多的高性能材料（第八屆全國有色金屬結(jié)構(gòu)材料制備/加工及應(yīng)用技術(shù)交流會暨2022中國結(jié)構(gòu)材料大會）和新設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的制造工藝已經(jīng)達(dá)到了滿足要求的極限。
增材制造在航空航天工業(yè)中的市場趨勢
增材制造的快速發(fā)展為滿足這些行業(yè)需求提供了可能性，因?yàn)樵霾闹圃焯峁┝霜?dú)特的優(yōu)勢和可行性，可以克服幾何形狀、材料、性能和功能方面的限制。它為制造具有高精度復(fù)雜、復(fù)合和混合結(jié)構(gòu)提供了前所未有的設(shè)計(jì)自由，這是傳統(tǒng)制造路線無法實(shí)現(xiàn)的。增材制造的上述優(yōu)勢在航空、汽車、電子、醫(yī)療、軍事、建筑等領(lǐng)域的廣泛工業(yè)領(lǐng)域正在得到應(yīng)用。全球增材制造市場規(guī)模從2013年的約30億美元迅速增長，至2021年市場規(guī)模達(dá)到152.44億美元。3D打印技術(shù)參考根據(jù)歷年來的Wohlers報(bào)告，隨著增材制造行業(yè)市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，增材制造技術(shù)在航空航天工業(yè)中的市場規(guī)模也迅速增長，在該領(lǐng)域所產(chǎn)生的市場價(jià)值所占整個(gè)增材制造市場規(guī)模的比例在2019-2021年分別為14.7%、15.9%和16.8%，到2021年，達(dá)到25.6億美元。
增材制造在航空航天工業(yè)中的制造優(yōu)勢
由于以下優(yōu)勢對該行業(yè)的適用性，增材制造在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用是整個(gè)增材制造市場最重要的組成部分。
1.幾何設(shè)計(jì)和優(yōu)化自由。增材制造能夠?qū)⒉牧限D(zhuǎn)換為自由形式的3D組件，例如復(fù)雜的外部形狀和內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)，還允許拓?fù)鋬?yōu)化制造輕質(zhì)組件，通過使用晶格結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)同等甚至更高的機(jī)械性能。
2.功能整合和零件整合。增材制造能夠生產(chǎn)具有定制材料組成的集成多功能部件，如功能梯度材料。由增材制造工藝生產(chǎn)的功能性多材料燃燒室，通過將鎳基高溫合金沉積在銅合金表面，可以簡化傳統(tǒng)制造工藝，同時(shí)增強(qiáng)部件功能。此外，增材制造也可實(shí)現(xiàn)零件整合，在功能集成的同時(shí)提高了可靠性和性能。復(fù)雜的航空航天部件傳統(tǒng)上由多個(gè)簡單部件組裝在一起，與激光增材制造整合部件相比，這可能會降低可靠性和幾何精度，同時(shí)增加維護(hù)成本。3D打印技術(shù)參考曾經(jīng)介紹，Launcher采用SLM技術(shù)制造了世界上最大的單體燃燒室，為小型衛(wèi)星發(fā)射提供最低的推進(jìn)劑消耗和發(fā)射成本，將多個(gè)部件合并為一個(gè)部件可以降低成本并實(shí)現(xiàn)高性能的再生冷卻設(shè)計(jì)。此外，伯明翰大學(xué)的AMP實(shí)驗(yàn)室還研究了使用SLM技術(shù)將數(shù)千個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)部件整合成幾個(gè)部分的可行性。
圖片
(a) 銅-鎳多材料燃燒室(b) SLM打印的Launcher E-2大型單體燃燒室，高 86 cm，噴嘴直徑41 cm (c) 伯明翰大學(xué)AMP實(shí)驗(yàn)室SLM制造的引擎；(d) GE 3D打印的噴嘴和(e)燃燒器；(f)SLM技術(shù)生產(chǎn)的In718 噴嘴環(huán)
3.材料和能源效率。在材料使用方面， SLM技術(shù)的材料浪費(fèi)約為 5%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)減材制造，后者可產(chǎn)生高達(dá)95%的材料浪費(fèi)。GE基于SLM技術(shù)設(shè)計(jì)和制造了燃料噴嘴，重量減輕了25%，并降低燃料消耗，成本效率提高了30%。GE采用激光增材制造的燃燒器和噴嘴環(huán)是典型的近凈成形的節(jié)材案例，與傳統(tǒng)的鍛造鋼錠加工相比，后者將浪費(fèi)大部分材料。此外，使用激光增材制造實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件的輕量化是降低油耗的非常有效的措施。據(jù)報(bào)道，商用飛機(jī)每減輕一公斤重量，每年大約可節(jié)省價(jià)值約3000美元的燃料，并大量減少碳排放。
4.定制和小批量生產(chǎn)。與傳統(tǒng)制造工藝相比，激光增材制造的大批量生產(chǎn)成本往往更高。然而，考慮到模具制造、加工工具和庫存的高投資成本，該工藝對于航空航天工業(yè)中常見的小批量定制零件更具成本效益。
5.縮短制造周期。近凈成形激光增材制造組件所需的加工時(shí)間較短，可以減少產(chǎn)品制造提前期。羅羅報(bào)告稱，使用激光增材制造可以節(jié)省 30% 的生產(chǎn)時(shí)間，而波音公司聲稱零件數(shù)量的減少將使總安裝時(shí)間減少50%。利勃海爾航空航天用增材制造部件取代了傳統(tǒng)的主飛行高壓液壓閥塊部件，重量減輕了35%，部件數(shù)量減少了10個(gè)，所需的制造時(shí)間減少了75%以上。
增材制造在航空航天工業(yè)的應(yīng)用范圍和研究現(xiàn)狀
在上述優(yōu)勢的推動(dòng)下，航空航天業(yè)一直在探索使用增材制造生產(chǎn)飛機(jī)零件，包括各種鉸鏈、支架、內(nèi)部組件、輕量化機(jī)身等，甚至發(fā)動(dòng)機(jī)部件，如帶有內(nèi)部冷卻通道的渦輪葉片、燃料噴嘴和壓縮機(jī)以及集成管道系統(tǒng)。值得注意的是，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，也是現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠。
波音787飛機(jī)的GE CF6渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的材料分布
航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用最廣泛的高價(jià)值材料（第八屆全國有色金屬結(jié)構(gòu)材料制備/加工及應(yīng)用技術(shù)交流會暨2022中國結(jié)構(gòu)材料大會）主要包括鋼、鎳基高溫合金和鈦合金，對后兩種材料，3D打印技術(shù)參考也曾進(jìn)行過詳細(xì)介紹，盡管增材制造學(xué)術(shù)界對這三種材料進(jìn)行了廣泛研究，但沒有對增材制造高強(qiáng)度鋼進(jìn)行全面審查，也沒有對鈦合金和鎳基高溫合金的最新進(jìn)展進(jìn)行審查。例如，最近對鎳基高溫合金的評論僅集中在In718，新開發(fā)的鎳基高溫合金，如WSU 150和單晶高溫合金還有重要的研究機(jī)會。盡管已有大量關(guān)于Ti6Al4V增材制造研究，但對于這種材料和其他鈦合金的典型微觀結(jié)構(gòu)、靜態(tài)力學(xué)性能和疲勞性能仍然缺乏更廣泛和全面的總結(jié)。此外，激光增材制造鈦合金中的一些最關(guān)鍵的問題，包括如何在打印態(tài)下實(shí)現(xiàn)高延展性以及等軸β和α結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制通常未被考慮。
激光增材制造過程中復(fù)雜的激光-材料相互作用使得難以概括不同航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的工藝參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)-機(jī)械性能之間的關(guān)系。深入了解不同航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的這種關(guān)系，可以推動(dòng)優(yōu)質(zhì)高價(jià)值航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料和先進(jìn)尖端設(shè)備的開發(fā)。然而，現(xiàn)有的評論往往集中在這三種廣泛使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料中的一小部分。
因此，需要對這些特定高性能合金的激光增材制造進(jìn)行嚴(yán)格和專門的審查，總結(jié)其進(jìn)展，并確定研究機(jī)會和差距。對航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料，包括先進(jìn)高強(qiáng)度鋼、鎳基高溫合金、鈦合金進(jìn)行詳細(xì)綜述，繪制這三類航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料在加工窗口、強(qiáng)度-延性組合、疲勞性能、室溫/高溫性能等方面的材料性能屬性圖，將為研究人員提供關(guān)鍵航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料激光增材制造的完整最新信息，并鼓勵(lì)在新型先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料激光增材制造方面進(jìn)行更具啟發(fā)性的科學(xué)研究，促進(jìn)該技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的應(yīng)用。
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