铝合金大尺寸构件3D打印一体化制造的需求、限制因素及进展

随着航空航天技术的不断发展，对飞行器的性能提出了越来越高的要求。采用高性能铝合金结构件尤其是大型整体铝合金主承力结构件仍然是减轻飞行器结构重量、提高运载能力和飞行速度的重要技术途径之一。高性能铝合金的材料制备和零件制造新工艺、新方法始终是研究的热点。

我国空间站（示意图）

近年来，美国、欧洲的航空航天设计部门发现，采用大型整体式铝合金构件替代传统的组合式铝合金构件，可减重15-20%，并且构件寿命及可靠性明显增加。明显可以感觉到，大型客机、战略运输机、战斗机的机翼主翼梁、翼身对接肋、机身承受力框等对铝合金的高性能化、构件大型化的要求越来越突出，总的来说，在航空航天领域，铝合金材料重新受到重视。

随着我国航空航天事业不断发展，对运载火箭、空间站等大型化、整体化制造提出了更高需求。采用3D打印技术一次成型整体大尺寸构件，材料利用率高、适合个性化零件生产。然而在此方面，我们看到比较多的是钛合金框架结构、镍基高温合金以及铜合金的火箭燃烧室等，采用3D打印直接制造铝合金大型构件的案例却极少看到。

当前以SLM技术为主的铝合金3D打印工艺自然无法满足大型构件的制造需求，激光、电子束和电弧能量沉积以及搅拌摩擦焊技术已经发展为大型整体高性能关键金属零件的直接制造的重要技术。

目前，铝合金激光能量沉积制造仍存在很多困难，即便采用送丝打印能够使用，也存在成本控制和质量问题。究其原因，主要有以下几点关键技术难题未能有效解决：

（1）与钢和钛合金相比，铝合金的导热率更高，而铝本身的激光吸收率低、反射激光率高，在铝合金激光直接沉积过程中，会有更多的能量通过基体的热传导损失掉，降低铝合金零件成形效率；

激光沉积用于修复

（2）钢的热膨胀系数是铝合金的一半，铝合金激光直接沉积过程中的变形和应力都较大，需要采取零件变形开裂预防措施；

（3）铝合金在激光直接沉积过程中极易与氧发生反应生成熔点高（2050℃）、相组织稳定、密度相对较高、难以去除的Al2O3。Al2O3氧化层会在后续沉积过程中形成夹渣、未熔合等缺陷；

（4）铝合金密度低，激光沉积过程中易受到激光轰击产生粉尘飞溅，一方面使制品产生缺陷，另一方面造成成形腔室粉尘飞扬，影响打印环境；

激光沉积用于修复

（5）铝合金在熔融的状态下，氢在铝合金中的溶解量会大幅度增加，同时由于良好的导热性，在熔池快速凝固的情况下，氢难以逸出，滞留在熔池中形成气孔；

（6）铝合金在激光直接沉积过程中可能造成低沸点合金元素（如Zn、Si等元素）烧损，造成合金成分的变化，影响零件的组织和性能。

2020年，知名工业级3D打印机生产商Optomec宣布，其公司LENS定向能量沉积（DED）系统在增材制造和铝合金修复方面取得了突破。该公司表示，这项创新技术可用于沉积任何种类的铝合金材料，包括其专门为提高增材制造加工性能而开发的铝合金。

Optomec LENS DED系统将铝粉打印到铝合金基板上

Optomec公司这一DED工艺的发展为交通运输和航空航天工业提供了一种新的加工途径，即可以利用粉末冶金的DED工艺对复杂的铝合金零件进行修复。此外，使用Optomec的LENS同步五轴系统可以直接加工具有复杂几何形状的铝合金零件，而无需任何支撑结构。铝合金在极低的氧气浓度和湿度的可控工作箱中沉积，从而确保制造出具有优异机械性能的部件。

Optomec 3D打印的铝合金样块及显微组织

当前，Optomec的工程师已经完成了铝合金的工艺参数开发，可提供出色的表面光洁度，高沉积速率和约99.9％的密度。

2.电弧熔丝增减材一体化制造世界上首件10m级高强铝合金构件

WAAM电弧熔丝3D打印技术，是一种利用逐层熔覆原理，采用熔化极惰性气体保护焊接（MIG）、钨极惰性气体保护焊接（TIG）以及等离子体焊接电源（PA）等焊机产生的电弧为热源，熔化金属丝材，在程序的控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。该技术沉积效率高、丝材利用率高、整体制造周期短、成本低，对零件尺寸限制少，易于修复零件，而且还能够实现原位复合制造以及成形大尺寸零件。

2021年1月，中国国家增材制造创新中心、西安交通大学卢秉恒院士团队宣布利用电弧熔丝增减材一体化制造技术，制造完成了世界上首件10m级高强铝合金重型运载火箭连接环样件，在整体制造的工艺稳定性、精度控制及变形与应力调控等方面均实现重大技术突破。

10m级高强铝合金重型运载火箭连接环实现一体化制造

10米级超大型铝合金环件是连接重型运载火箭贮箱的筒段、前后底与火箭的箱间段之间的关键结构件。该样件重约1t，创新采用多丝协同工艺装备，制造工艺大为简化、成本大幅降低，制造周期缩短至1个月。目前，采用增减材一体化制造技术成功完成超大型环件属国际首例。

为抢占世界增材制造科技战略高点，满足我国航天事业发展需要，卢秉恒院士团队潜心研发，克服了多路打印的运动控制、大尺寸结构件打印的变形与应力调控等难题，成功实现了大型航天铝合金回转体构件整体增减材制造成形、组织性能精确调控等关键技术突破，为我国航天型号工程的快速研制提供了技术支撑，亦让我国深空探测装备硬件能力得到大幅提升。

3.搅拌摩擦焊，一种被用于火箭贮箱制造的一体化成型技术

3D打印技术参考曾介绍过一种被称为搅拌摩擦增材制造的新技术，它完全不基于高能热源，也不需要保护气氛，还能以10倍于熔融成型3D打印的速度制造大型整体构件。

2020年12月，我国首个3.35米直径铝锂合金火箭贮箱在火箭院诞生，经各环节试验检测合格且性能良好，初步具备工程应用条件。该贮箱采用了第三代高性能铝锂合金，与当前国际主流铝铜合金贮箱相比，强度提升30%左右，同等条件下结构减重15%以上。这标志着我国已打通国际一流贮箱研制链路，运载火箭研制水平实现新跨越。值得注意的是，在该型贮箱的制造与攻关中，搅拌摩擦焊位列8大关键技术之中。

搅拌摩擦增材制造的基础是搅拌摩擦焊技术，它利用搅拌针与连接件的搅拌摩擦产生热量软化连接处的材料，再通过轴向的压力使得材料连接在一起。这样的焊接方式没有经过金属的熔化与凝固，只是经过塑性软化和轴向的挤压，连接处在材料性能上存在一定的优势。对于大型铝合金增材制造具有相当的优势。

Meld Manufacturing搅拌摩擦增材制造过程

铝合金棒材在进料过程中通过与搅拌针摩擦生热，发生塑性软化，然后再通过两者的挤压，实现增材过程。在这样的过程中，材料并未经历熔化与凝固而一直保持固态，且过程中的挤压又起到“锻造”作用，最终得到的是性能良好的细晶组织。细晶组织具有良好的机械性能和疲劳性能，且能改善材料的延展性，这也是材料提高强度等性能的原因。

Meld Manufacturing采用搅拌摩擦增材制造的部件

美国公司Meld Manufacturing公司采用该技术打印出了直径3.05米的铝合金零件

此外，由于成形过程中不存在金属的熔化/凝固过程，材料在成形过程中不会产生与熔化相关的热裂纹、气孔等冶金缺陷。而正是由于成形温度低且成形发生在材料内部也不会受外界影响造成材料氧化等问题，生产过程可以在露天环境中进行，所制造的部件的尺寸显著增加。

END

大型铝合金材料的整体结构件在多个行业有着较为普遍的应用。但整体结构件金属去除率高、刚性差，易加工变形，加工质量和精度很难保证。为了解决这个问题，虽也有传统技术最终可以实现，但3D打印无疑提供了另一种更为高效的途径。随着钛合金、高温合金、铜合金等材料陆续实现了大尺寸构型的整体制造，铝合金虽困难重重，但还是取得了显著的进步，用于最终用途零件，也是未来可期。