高性能大型金属构件增材制造技术汇总

目前，中国航空航天、舰船、轨道交通等新兴战略领域发展迅速，对金属构件的性能、精度、制造效率的需求不断提升。采用高性能大型轻量化整体构件替代传统的铆接、焊接结构拼合件，不仅可减轻装备重量，还能提高性能参数与服役寿命。金属增材制造技术以零件的三维数字模型为基础，通常使用激光、电子束、电弧等热源，将金属丝材、粉材熔融再结晶，运动机构按照既定路径将熔融金属逐渐累加直至成形最终金属零件。因脱离了模具、锻压及加工设备尺寸的限制，金属增材制造正逐渐成为新一代大型高强轻质合金结构件的重要制造手段。  

典型的能够制造米级金属构件的3D打印技术包括电子束熔丝增材制造（EBFF）、激光熔化沉积（LDED）、电弧熔丝增材（WAAM），其他金属增材方法，如片材层压增材、冷喷涂增材、搅拌摩擦增材等，现阶段不适用于高性能大型件制造。东南大学研究人员在稀有金属期刊发表了题为《大型金属构件多机协同增材制造前沿进展》的文章，3D打印技术参考获得了该文的发布授权，对以上技术分别论述。

1. 大型金属件电子束熔丝增材制造

因电子束具有能量密度高、加热集中、精确可控等特性，EBFF沉积效率高、成形件致密度高、不易产生未熔合缺陷且变形小，可以实现不同材料、不同材料梯度零件的直接近净成形。EBFF需在真空舱内进行，增材过程充分隔绝空气，可保证零件质量。然而，真空舱的应用极大提升了制造成本，使得该方法仅适用于航空、航天等关键领域的小批量零件制造。美国航空航天局兰利研究中心是较早开展针对大型金属构件EBFF技术研究的单位，成功研制了六自由度的EBFF设备，配备2.7m×2.5m×2m的真空舱，可实现大型航空结构件的修复与制造。美国Sciaky公司生产的EBFF系统最大可加工零件尺寸可达5.79m×1.22m×1.22m，回转结构最大直径为2.44m，可加工钛、钽、镍基合金等材料。图1为该公司打印的航空推进剂钛合金存储罐。中国航空制造技术研究院是国内针对EBFF研究的单位之一，开发了国内首台电子束熔丝成形设备，并陆续开展了TC4，TC18钛合金及A100超高强钢零件的增材制造，获得装机应用。

图1 Sciaky公司制造的大型航空推进剂钛合金存储罐

2. 大型金属件激光熔化沉积增材制造

LDED增材常用热源包括CO2激光器、Nd：YAG激光器、光纤激光器。CO2激光器平均输出功率高（最高20kW），金属增材沉积效率可达200cm3·h-1，成形精度较低。Nd：YAG激光器输出功率1~4kW，成形精度较好，但光束质量较差，成形效率低。相较于前两者，光纤激光器的光束质量高、光斑尺寸小、光束集中，成形零件质量好，精度高，且光纤柔性传输便于系统集成。综上，光纤激光器是非常有前景的LDED增材能量源，部分商用光纤激光器功率高达10kW，满足大型金属件材料沉积效率需求。

图 2铂力特3D打印的C919钛合金机翼中央翼缘条

采用LDED方法制造大型金属构件的相关研究较为广泛。20世纪90年代末，美国AeroMet公司针对航空钛合金构件的激光增材技术开展系统研究，指出了大型金属构件增材过程中“热应力”控制是关键科学问题之一。英国伯明翰大学Dil⁃worth等采用激光增材制造方式成形飞机机翼支架，并发现层间不充分重熔导致孔隙，使得零件塑性出现明显各向异性，还需采用热等静压技术消除孔隙，提高延展性。自2000年起，国内科研单位陆续开展大型构件激光增材制造技术的相关研究工作。西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东和林鑫采用激光熔敷方式成形C919钛合金机翼中央翼缘条，长度高达5m，性能优于锻造件。北京航空航天大学王华明院士等成功研制出多路沉积“桥式”大型激光增材制造装备新系统。在高性能金属大型关键承力构件激光增材制造“材料-结构-制造”一体化方面形成系列成果，圆满保障了大型运输机、舰载机、大型运载火箭等国家重大装备研制生产任务。

3. 大型金属件电弧熔丝增材制造

WAAM技术通常采用气体保护金属电弧（GMA）、钨极气体保护电弧（GTA）或等离子体电弧（PA）作为热源，将送给金属丝材熔融沉积并逐层成形零件实体。该方法具有沉积效率高、材料利用率高、设备柔性高、制造成本低等优点。同时，WAAM可在无封闭仓的环境下自由成形，制造过程不受零件尺寸、设备尺寸限制。因此，非常适用于大型金属构件的增材制造。

英国Cranfield大学与欧洲航天局合作采用GMA增材制造技术，成形钛合金飞机机翼翼梁和起落架外肋支撑等大型框架构件，材料利用率高达90%以上，产品缺陷少，力学性能优于铸件，如图3所示。然而，因成形零件内部存在大量粗大柱状晶，导致零件整体力学性能各向异性。Almei⁃da和Williams等采用冷金属过渡（CMT）电弧增材方法，成功解决了钛合金增材过程的弧偏吹、大飞溅等问题，并通过提高保护气中氦的含量实现晶粒细化，最终成形了1000mm×400mm×2mm的TC4钛合金垂直薄壁墙结构。

图 3 英尼格玛电弧增材系统

2019年，Ramlab公司采用WAAM技术制造了直径为1350mm，重约400kg的全尺寸镍铝青铜船舶螺旋桨，如图4所示。Cilia等采用WAAM技术制造拖船用螺旋桨，并获得了船级社认证。国内相关单位也开展了广泛研究。华中科技大学的He等采用WAAM技术，成形出尺寸为760mm×37mm×36mm的GH4169航天舵零件，材料利用率高达75%，其抗拉强度、屈服强度、延伸率等力学性能优于传统铸造件。然而，WAAM成形过程中随着层数的增加，成形件热积累严重，边缘形貌与成形尺寸的控制困难，使得成形件表面质量较低。哈尔滨工业大学、上海交通大学相关研究团队针对表面成形质量开展研究工作，并应用于大尺寸金属零件制造过程中。

图 4 Ramlab公司采用电弧增材打印全尺寸螺旋桨

图6 Relativity Space采用WAAM生产火箭箭体

2021年，中国国家增材制造创新中心、西安交通大学卢秉恒院士等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，如图5所示。

4. 大型金属件增材问题与挑战

现阶段，大型金属构件增材相关研究较少，工程应用中存在问题与挑战总结如下：

1). 大型金属件应力与变形情况复杂。大型金属件熔化沉积增材过程中，成形金属长期处于剧烈、非稳态、周期性、急冷急热的热循环中，带来的复杂热应力。同时，在已成形部分的强约束下熔池快速凝固使构件内存在复杂凝缩应力，非平衡固态相变则会带来非平衡的组织应力，外部机械约束会导致构件内部产生难以预测的机械应力。上述应力相互交织集中，易导致大型金属构件更容易变形、开裂，加剧应力场预测难度。

2). 大型金属件组织性能难控多变。为提高大型金属件增材时效性，通常采用高功率热源增材，随之带来热影响区域的扩大。一方面，熔融金属受多物理场、能量场相互耦合的短时非稳态冶金，导致熔敷金属显微组织以粗大柱状晶为主。另一方面，已成形金属在周期往复复杂热循环的作用下，形成各向异性微结构。尤其是当制造钛合金等对加工温度非常敏感的材料时，组织性能差，控制困难。

3). 大型金属件增材工艺稳定性差。受金属增材热过程残余应力和变形影响，成形件与预设模型易产生尺寸偏差。在大型金属件增材过程中，偏差不断累积，更为显著，使得已成形熔敷层表面变为非平面。因成形偏差，熔敷层部分位置工艺参数与预设不一致，如熔敷头位置、喷嘴高度发生变化，影响材料沉积过程和保护气效果。导致成形件易产生气孔、夹渣、隔层、裂纹等缺陷，无法连续稳定增材，严重影响构件使用性能。

4). 大型金属件增材效率低。现阶段，为保证工艺稳定性，大型金属件增材通常采用单热源设备实现，因工艺窗口限制，材料沉积效率与小尺寸零件相似，加工周期长，部分零件的制造周期甚至可达数月。使得场地、设备和人工成本较高，无法满足快速响应制造的生产需求。