航空航天领域增材制造四类典型结构及发展方向 

由 3D打印技术参考 发布于 2020-10-20 09:41 

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编者按:本文来自微信公众号“3D打印技术参考”(ID:AMReference),作者: 顾冬冬;3D打印资源库经授权发布。

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一、大型金属构件的激光增材制造

应用于航空、航天、船舶、核电等现代工业的大型金属构件正朝着复杂化、一体化、高性能化方向发展,激光能量沉积技术已证实可满足大型金属构件的成形要求。然而若要在钛合金、镍基高温合金、高强钢、难熔合金等难加工金属材料大型关键构件上获得更广泛的工业应用,仍需进一步解决两大关键难题:

1. 高能激光长时间剧烈非稳态循环加热和高速冷却条件下,成形材料的晶粒形态及显微组织很难控制,以凝固晶粒、内部缺陷及显微组织为核心的冶金质量和性能控制是激光增材制造大型金属构件的基础难题;

2. 激光增材制造过程中热应力、组织应力、凝固收缩应力等多种类型复杂应力的累加与耦合,易导致大型金属构件变形,甚至开裂,大大制约了大型金属构件激光增材制造的控形与控性。

有研究指出,增材制造技术实现工业应用的最大障碍是成形件中的热应力及多种结构缺陷。北京航空航天大学王华明院士认为,内应力及变形开裂是长期制约金属构件激光增材制造技术发展的瓶颈。钛合金密度低、比强度高、耐蚀性强,已被广泛应用于飞机发动机构件、主承力构件、起落架等,但其较差的加工性能制约了它的工程应用范围。

经过多年研究,王华明院士团队突破了飞机钛合金大型主承力构件,TA15、TC4、TC11等大型复杂整体结构主承力飞机钛合金加强框及 A-100超高强度钢飞机起落架等关键构件的激光增材制造,并实现了主承力构件的装机应用。
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大型整体金属构件的激光熔化沉积制造 (a)钛合金飞机大型关键主承力构件;(b)航空发动机梯度性能钛合金整体叶盘;(c)轮盘-叶片梯度过渡区的凝固晶粒组织 

西北工业大学黄卫东、林鑫教授团队面向中国C919中型客机的需求,利用激光能量沉积技术制造了TC4合金体系C919飞机翼肋缘条,其长为3100mm,探伤和力学性能测试结果皆符合中国商飞的设计要求。

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(a)LMD成形C919钛合金翼肋缘条 (b)SLM成形钛合金风扇叶片包边 (c)SLM成形镍基高温合金发动机机匣

此外,近年来大型SLM装备的发展为结构更为复杂的大型整体金属构件的成形开辟了新途径,基于SLM成形的钛合金风扇叶片包边长度可达1200mm,具有复杂的空间曲面结构,且成形尺寸精度较高;基于SLM成形的镍基高温合金发动机机匣尺寸达到了Ф576mm×200mm,为发动机关键零部件的设计、制造及应用验证提供了重要的技术支撑。

二、复杂整体结构的SLM制造

随着航空航天领域对热端部件服役性能要求的日益提高,整体结构的设计与制造越来越受到重视,内含复杂内流道、多孔点阵等难加工结构,已超出了传统工艺的制造能力,而基于SLM技术可使这些复杂整体结构的快速制造成为可能。

整体结构的增材制造技术已证实对未来空间探索至关重要,NASA提出了火箭发动机核心部件“制造速度提升10倍、生产成本降低50%以上”的目标。其采用SLM技术实现了氢火箭助推器的整体制造,继而实现了结构减重、制造效率和服役性能的显著提升;火箭发动机燃烧室铜合金衬套整体构件的打印和应用是其近年来的另一项成功实践,该案例克服了铜材料的高反射和微细流道结构优化以及激光增材制造成形质量的多重挑战。这种大型复杂结构的整体制造,为增材制造技术的发展提出了更高要求。

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NASA基于SLM成形的铜合金整体构件及性能测试。(a)NASA和AerojetRocketdyne公司开展的激光增材制造构件点火试验;(b)火箭发动机燃烧室铜合金衬套整体构件

美国GE公司基于SLM技术研发了发动机新型燃油喷嘴,这是近年来复杂整体结构增材制造航空工业应用最为著名的案例。燃油喷嘴作为典型的复杂装配体,无论是成形制造还是装配组装,工序多、工装多、耗时长、成本高,且加工精度及稳定性很难达到使用要求,对于传统制造技术来说都是一大挑战。针对这一难题,GE公司采用SLM技术加工IN718镍基高温合金,实现了燃油喷嘴的整体设计与制造,将原先20个小部件的“组件”变成一个整体的构件。

这不仅消除了不同部件之间冗余的连接结构,还对燃油喷嘴结构进行了优化。最终整体设计制造的燃油喷嘴实现了25%的减重效果,同时缩短了制造周期,降低了生产成本,且使用寿命提升了5倍以上。

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GE公司基于SLM技术制造的航空发动机燃油喷嘴构件。(a)先进涡桨发动机(ATP);(b)燃油喷嘴在发动机内的工作原理;(c)激光增材制造燃油喷嘴构件

三、轻量化点阵结构的增材制造

对于航空航天飞行器而言,减重是永恒的主题,而传统制造方法已将零件减重的可能性发挥到了极致。将点阵结构优化设计与增材制造技术相结合,可使构件具有高比强度和高比刚度等优异的力学特性。激光增材制造因具有叠层自由制造的工艺特性,赋予了复杂轻量化结构极高的设计及成形自由度,可成形传统加工方法难以成形的轻量化复杂点阵结构。

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点阵结构在多领域广泛应用

近年来,激光增材制造成形复杂轻量化点阵结构已成为热点研究方向之一,为航空航天等领域轻量化金属构件性能及功能的突破带来新契机。传统经典结构、创新结构以及基于拓扑优化的点阵结构都能为构件性能提升带来突破。

增材制造技术在航空航天点阵结构产品设计与制造领域已展现出一定的发展与应用潜力,并以轻量化和高性能作为主要考核目标。而且,激光增材制造点阵构件已在国际民航客机制造领域获得了实际工程应用。

空客公司基于SLM技术设计和制造的仿生点阵结构机舱隔板,在成形材料上选用新型轻质高强铝合金,该在结构设计上基于生物启迪实现了跨尺度仿生点阵结构设计,在宏观尺度上基于“黏菌自适应网络”算法实现了主体结构设计,在微观尺度上则借鉴了骨骼生长的生物灵感,完成了超过66000个网格的排布,实现了微观网格稠密度与应力分布相匹配,最终使得跨尺度仿生点阵构件较原蜂窝复合材料隔板结构在相同冲力下的位移减少了8%(9mm),有望批量应用于A320客机上。

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空客基于SLM技术设计制造的新型仿生点阵结构机舱隔板.(a) 机舱仿生隔板结构图 ;(b) 机舱仿生隔板实物图 ;(c) 跨尺度仿生结构设计 ;(d) 机舱仿生隔板零部件选区激光熔化成形实物图

四、多功能仿生结构的增材制造

激光增材制造的金属构件正从高性能向多功能发展,Nature以“推开3D打印的限制”为题发表评述指出,材料和结构的创造将助力3D打印技术的发展,并建议“向自然界‘借’材料、‘借’结构”,道法自然,突出生物仿生、生物灵感,以实现预期的功能。

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空客为未来航班生成仿生设计

未来增材制造的发展将更加凸显材料创造、结构仿生以及多功能集成优化。生物系统经过数十亿年的进化和自然选择,已形成并优化了其复杂的多层级组织结构,以达到最优的性能/功能来应对环境的变化。许多生物系统具有独特的多功能组合,而这往往是人工合成材料难以实现的。

现代分析表征技术已证实,天然材料的优异性能或特殊功能,是依靠其内部复杂的多层次结构实现的,其尺度范围通常横跨纳米尺度到宏观尺度。对于性能/功能驱动的增材制造,基于生物灵感的仿生结构设计,是创新增材制造结构的重要途径之一,并有望实现增材制造结构性能/功能的跃升。

然而,仿生设计在原理上很简单,但在实际制造中却有相当难度,原因主要是多材料合理匹配与布局的挑战及微/宏大跨尺度仿生结构制造工艺的约束性。

顾冬冬教授团队基于下一代高超音速飞行器、空间探测器等航空航天装备的整体化、多功能化发展趋势及潜在工程应用,面向减振抗冲击、隔热/防热等综合功能需求,创新发展了仿生结构及材料布局,实现了仿生结构的激光整体增材制造及其多功能化,其中涉及结构、材料、工艺、功能等多因素的耦合、匹配及一体化调控。

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激光增材制造轻量化抗冲击仿生功能结构.(a) 皮皮虾尾节宏观形貌 ;(b) 仿生双向波纹板抗冲击结构SLM加工;(c) 水蜘蛛及其在水下构建的住所—潜水钟;(e)SLM成形仿生网壳结构

仿生设计为功能驱动的增材制造结构优化及多功能化提供了新途径,但“结构易仿、制造不易、科学更难”,其中涉及的关键科学难题包括:仿生微结构与构件典型功能的映射关系及优化模型;仿生设计的跨尺度结构激光增材制造工艺约束性及成形机制;激光增材制造仿生结构的多功能一体化评价方法及响应机制等。因此,增材制造新技术与仿生结构设计相辅相成、相得益彰,而关键科学问题的研究则贯穿于材料-结构-功能一体化的全过程各领域。

思考与展望:激光增材制造技术未来的研究与发展趋势

激光增材制造技术的科学内涵决定了其发展趋势是实现微观-介观-宏观跨尺度的材料-结构-工艺-性能/功能一体化。激光增材制造技术未来的研究与发展趋势中,下列方向值得进一步关注:

(1)以高性能/多功能为驱动的激光增材制造材料-结构-工艺一体化,主动实现构件的高性能和多功能;

(2)激光增材制造的“多相材料”和“多材料”设计、制备与成形,以实现将“合适的材料添加到合适的位置”;

(3)激光增材制造创新结构设计实现构件高性能化和多功能化,以凸显“独特的结构实现独特的功能”;

(4)构建面向全尺寸构件和全工艺流程的激光增材制造工艺仿真、监测、反馈及工艺优化关键技术与方法,全面提升激光增材制造工艺技术水平、质量以及工业应用水平。
注:本文主要内容来源于顾冬冬《航空航天高性能金属材料构件激光增材制造》,部分内容参考自《中国激光》。

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