增材制造從三維模型出發實現零件的直接近凈成形制造。相比傳統的減材制造，增材制造將多維制造變成簡單的由下而上的二維疊加，降低了設計與制造的復雜程度。航空裝備領域目前涉及的增材制造主要是金屬材料增材制造，已發展出激光增材制造、電子束增材制造和電弧增材制造三類增材制造技術。

激光增材制造是當前航空裝備領域最具代表性的增材制造方法，主要包括以粉床鋪粉為技術特征的激光選區熔化和以同步送粉為技術特征的激光直接沉積。激光選區熔化工藝熱輸入小、成形尺寸精度高，適合制造航空發動機噴嘴、渦流器等復雜結構零件以及拓撲點陣等新型結構；激光直接沉積工藝效率較高、力學性能較好，但制造精度不高，適合制造飛機框梁等重要承力結構。由于國內外對激光增材制造技術非常重視，其技術發展迅速，陸續應用于飛機和航空發動機的制造，并且呈現出快速增長的趨勢。

為了更好地把握增材制造的發展現狀和趨勢，提前做好航空領域增材制造技術發展的戰略布局，推進增材制造在航空領域的發展與應用，《航空裝備激光增材制造技術發展及路線圖》一文，針對激光增材制造最近幾年的發展，開展文獻、資料、信息的搜集、整理、分析。在對增材制造現狀和發展趨勢分析的基礎上，提出2035年航空領域增材制造技術發展目標和相應的政策和環境支撐、保障需求，并嘗試給出2035年技術發展路線圖建議。

航空裝備激光增材制造路線圖研究

l 2035年發展目標

1.需求

激光增材制造基于數模切片通過逐層堆積實現零件近凈成形制造，無需模具，節省材料，縮短研制和生產周期，降低制造成本。特別適合復雜形狀零件、梯度材質與性能構件、復合材料零件和難加工材料零件的制造，還支持結構設計創新和結構功能一體化制造。

航空航天領域的零件，外形復雜多變，材料硬度、強度等性能要求較高，難以加工且成本較高。而新生代飛行器正在向高性能、長壽命、高可靠性以及低成本的方向發展，采用整體結構、復雜大型化是其發展趨勢。正是基于此發展趨勢，激光增材制造技術越來越受到航空航天制造商的青睞。

激光增材制造的 Eurostar E3000 衛星支架

航空發動機燃油噴嘴、軸承座、控制殼體、葉片等零件，內部具有復雜油路、氣路和型腔，為提高效能而進行結構創新設計，更增加了結構的復雜性和制造難度。飛機發動機艙進、排氣門格柵結構，武器艙的艙門支座等部件，結構非常復雜，這些新型復雜構件的成形對基于激光選區熔化的增材制造技術具有迫切需求。

航空發動機各類機匣、壓氣機/渦輪整體葉盤、尾噴調節片等結構，形狀復雜，為提高效能甚至需采用異種或梯度材料結構。飛機超高強度鋼和不銹鋼接頭、滑軌、起落架，鋁合金承力框、梁，鈦合金框、支座、滑軌、滑輪架、筋壁板等承力構件，高馬赫飛行器翼舵格柵結構承載骨架，為提高減重和承載效能須進行拓撲優化結構創新設計，結構的復雜性和制造難度增加，采用傳統工藝制造難度大，對激光直接沉積增材制造具有明確技術需求。

Trent XWB-84 發動機中間級壓縮機匣,該機匣采用包括增材制造工藝和新的焊接技術等最新設計方法和制造技術。

高推重比發動機渦輪進口溫度的提高，要求采用超高溫金屬間化合物以及金屬基/陶瓷基復合材料等新型高溫結構材料。新型高溫/超高溫材料零部件的研制對激光增材制造技術提出了潛在需求。

飛機、發動機某些帶局部凸臺、耳片等特殊結構的承力構件，采用鍛造工藝無法保證局部組織和性能；大型飛機的超大規格鈦合金承力框，超出現有鍛造設備的加工能力。對鍛造+增材制造/增材連接的復合制造技術具有明確技術需求。

激光增材制造技術經過近年的項目支持，基本解決了原材料、成形工藝、復雜零件制造等關鍵技術，開始獲得應用。目前制約激光增材制造大規模應用的瓶頸之一是疲勞問題。需要特別重視激光增材制造疲勞問題的原理性研究。

為了提高航空產品激光增材制造的工藝過程穩定性和質量，需要發展基于熔池動態監測、粉末床和熔融層可見光檢測的在線監測、檢測技術。

航空領域對激光增材制造的需求主要體現以下幾個方面：

（1）飛機鈦合金框梁重要承力結構高性能高可靠激光直接沉積；

（2）飛機超高強度鋼起落架抗疲勞長壽命激光直接沉積；

（3）飛機鈦合金、鋁合金格柵點陣復雜結構激光選區熔化；

（4）航空發動機燃油噴嘴類零件激光選區熔化；

（5）航空發動機渦流器、葉片類零件激光選區熔化；

（6）航空發動機控制、附件殼體類零件激光選區熔化；

（7）航空發動機機匣、軸承座類承力零件激光選區熔化；

（8）航空發動機整體葉盤/機匣類承力零件激光直接沉積；

（9）飛機、發動機超大規格結構鍛造+增材制造/增材連接的復合制造；

（10）激光增材制造疲勞問題的原理性研究；

（11）激光增材制造過程的在線監測、檢測技術研究。

2.目標

突破飛機、發動機材料激光增材制造缺陷、組織、力學性能控制關鍵技術，掌握粉末設計與制備技術，制定材料、工藝、檢測標準，建立工藝、性能數據庫和冶金圖譜，掌握零件產品質量控制技術，制定零件產品技術標準。在產品增材制造質量控制技術、產品技術標準研究和零件充分考核驗證的基礎上，推進激光增材制造在航空、航天、船舶、核工業等重點制造領域的應用。至2035年，在航空領域普通金屬激光增材制造全面量產應用；金屬間化合物增材制造的組織-性能-變形控制技術全面突破，性能驗證基本完成，功能考核部分完成，部分產品進入量產。鈮-硅、陶瓷基材料增材制造物理冶金原理得到揭示，性能驗證基本完成，部分產品開始裝機應用。

基于分區掃描成形的激光增材制造工藝（a）、（b）分區掃描軌跡規劃；（c）增材制造毛坯。

2035年發展路線圖

l 重點產品

（1）飛機：

①鈦合金框梁重要承力結構；

②超高強度鋼起落架外筒；

③鈦合金、鋁合金格柵點陣復雜結構。

（2）發動機：

①航空發動機燃油噴嘴類零件；

②航空發動機渦流器、葉片類零件；

③航空發動機控制、附件殼體類零件；

④航空發動機機匣、軸承座類承力零件；

⑤航空發動機整體葉盤/機匣類承力零件。

2035年航空領域激光增材制造技術發展路線圖

l關鍵共性技術

（1）激光選區熔化用高品質粉末成分設計與制備技術

激光增材制造成形制件的組織與鑄件、塑性成形件具有顯著差別，為獲得相當的性能水平，通常需要對材料成分進行設計調整，即開發適合增材制造的專用材料。為獲得良好的成形工藝性、優良的制件內部和外部質量，激光選區熔化增材制造工藝對所采用的粉末原材料的質量，如粉末的球形度、空心粉率、氣體含量、夾雜率、粒徑分布、流動性等，均提出嚴格的要求。加之所采用的材料為了提高力學性能，均采用特殊的成分體系，導致其液態和固態塑性加工性能較差。這些都增加了高品質粉末制備的挑戰性。

（2）激光增材制造的缺陷控制和組織性能改善技術

飛機、發動機優良的綜合性能的獲得，通常以犧牲材料的熱加工性為代價。用于燃油噴嘴、渦流器等零件的高溫合金、鈦合金、鋁合金、馬氏體不銹鋼等材料，在凝固過程中，發生裂紋的傾向性普遍較高，容易導致制件報廢，或嚴重降低制件的可靠性。對于鈦合金的增材制造，產生氣孔的概率很高。增材制造采用逐層堆積，如工藝參數選取不合適，容易在層間產生未熔合或熔合不充分等缺陷。飛機重要承力結構，要求長壽命、抗疲勞、高可靠。發動機熱端部件還對持久、蠕變等性能提出了要求，這就要求對增材制造的組織形態進行嚴格的控制。因此，需要通過工藝優化及合適的后續處理，防止缺陷產生、獲得優良組織，保證制件性能。由于工藝參數的調整，對于不同性質缺陷的產生、組織形態和力學性能的變化等所產生的影響十分復雜，最優的工藝窗口可能很窄，必須經過實質上的一個多目標優化過程才可能確定。

（3）復雜結構精確成形的增材制造應力變形控制技術

增材制造過程的逐層堆積引起熱應力和變形的累積。每層材料的熔融、凝固均會產生一次凝固收縮。因此，增材制造的制件內部存在較大的應力，這會引起制件開裂或宏觀變形。對于飛機框梁、起落架等大投影面積、大厚度結構，以及發動機燃油噴嘴、渦流器、機匣等復雜、薄壁結構，應力變形問題更為突出，導致制件外觀尺寸和內部通道等形狀控制難度大為增加。因此，需要通過優化制件的空間擺放，采用合適的沉積策略、工藝支撐，優化成形工藝參數、采用合適的預熱及后熱處理，才能實現對應力變形的有效控制。

（4）激光選區熔化成形復雜結構的評價與測試技術

激光增材制造技術應用于飛機重要承力和功能結構，其內部缺陷、組織特點不同于鍛造、鑄造結構，導致傳統的檢測、評價方法和技術標準未必適用。激光增材制造技術應用于發動機燃油噴嘴、渦流器、軸承殼體等帶內部流道或者中空薄壁類的復雜結構，這些結構的內部流道角度、形狀和尺寸公差、表面粗糙度，對結構功能均有重要影響；但是這些結構特征采用常規的檢測技術難以檢測，必然會對增材制造技術的推廣應用造成限制。由于激光選區熔化成形材料及結構的組織、缺陷有其特殊性，常見的氣孔、未熔合、裂紋等缺陷的尺寸僅為微米量級，采用常規的方法難以檢測，另外，材料的組織特征及缺陷的類型、尺寸、分布等對結構的力學性能、可靠性和使用壽命影響還缺乏系統性研究。這些問題嚴重限制了激光增材制造技術在航空領域應用。

（5）增材制造元件級及零件級力學性能考核

由于增材制造與傳統的鑄造、鍛造組織缺陷存在明顯差異，使增材制造構件的力學性能及其斷裂行為存在顯著不同。對于增材制造整體葉盤，如何表征材料及整體葉盤的力學行為也是亟待解決的科學問題之一。增材制造整體葉盤的力學行為研究，包括增材制造材料力學行為、元件級（單元體）力學行為、零件典型件力學行為研究。對于單元體力學行為、零件典型件力學行為，國內還沒開展相關研究，國外RR、GE、MTU等機構的研究也鮮有公開報道，仍處于保密階段。

結論與建議

（1）增材制造特別適合零件的快速研制、快速驗證和設計改進，并且支持結構設計創新，因此在飛機鈦合金承力框、滑輪架和超高強度鋼起落架外筒等重要承力結構以及飛機艙門連接件、輔助動力艙進氣門、排氣門格柵結構、武器艙門支座、橫梁等復雜結構的制造中得到應用，在航空發動機燃油噴嘴、渦流器、渦輪葉片、傳感器殼體、燃油控制系統殼體等復雜結構的制造中也得到批量應用。不僅縮短了零件研制周期，降低了制造成本，而且增加了設計的自由度，通過結構功能一體化設計創新，取得了質量減輕、承載耐溫能力提高、工作效能提高等效果。一方面加快了飛機、發動機的研制進度，另一方面由于采用結構功能一體化制造，大大減少了零件數量，顯著提高了裝備的可靠性。

（2）國內增材制造技術發展仍存在短板和不足，制約著增材制造技術創新及產業化應用。增材制造設備激光器、光路、加工頭等核心器件自主保障能力不足，零件數模切片、掃描路徑規劃、實時監測控制軟件研發能力欠缺，限制了工藝創新的上升空間。對傳統材料和新材料增材制造組織、性能、缺陷、應力變形發展規律的研究不深入，導致制件增材制造的控性控形工藝開發效果不佳。對于粉末、絲材原材料和增材制造工藝過程的質量控制以及制件性能評價研究不充分，導致相關材料規范、工藝標準、檢測方法、產品技術標準的缺失，嚴重制約增材制造的批量化規模化應用推廣。

（3）為推動我國增材制造技術在航空領域的發展和應用推廣，需要從科研項目支持、科研生產條件配套、設備研發能力提升等方面提供全方位的戰略保障。具體建議如下：

①設立不同類型科研項目支持技術研發

結合在研、在役飛機、發動機型號研制和性能提升，設立型號課題，針對已具備較好研究基礎的TC4鈦合金、AlSi10Mg鋁合金、GH3536高溫合金增材制造技術，支持開展工程化應用研究，解決產品質量控制和產品技術標準關鍵技術，推動技術的規?；慨a應用。針對預研飛機、發動機型號研制需求，設立預先研究課題，針對高強高韌鈦合金、高鋁鈦高溫合金等高性能材料增材制造技術，支持開展控性、控形關鍵技術，研制典型零件并開展相關考核試驗，推動技術型號應用。面向未來飛機、發動機型號需求，設立應用基礎研究課題，支持開展超高溫結構材料、新型材料、新型結構增材制造技術研究，為新概念航空裝備設計制造儲備技術基礎。

②配套科研條件建設

根據型號課題、預先研究課題、應用基礎研究課題需要，進行配套科研條件建設，建立各階段研究所需設備、計算機軟件等硬、軟件設施。

③支持相關基礎元器件、設備集成、軟件開發

支持提升國內增材制造設備集成能力、重要核心元器件的研發制造能力，支持開展國內數模切片軟件、掃描策略規劃軟件、工藝參數控制軟件、模擬仿真軟件的優化、開發，提高裝備和工藝的智能化水平。

（文章來源：《航空材料學報》2023,43，《航空裝備激光增材制造技術發展及路線圖》 作者：王天元，黃帥，周標，鄭濤，張國棟，郭紹慶）