前(qian)言
激(ji)光(guang)加(jia)工(gong)技(ji)术(shu)作(zuo)为一种(zhong)先进(jin)的加工手(shou)段，在现代航空航天(tian)、国(guo)防(fang)领域以及(ji)国(guo)家建(jian)设(she)中扮演着(zhe)越(yue)来(lai)越(yue)重(zhong)要的角色。特别(bie)是在(zai)钛合金(jin)加(jia)工领(ling)域，2000年(nian)以后，随(sui)着高(gao)功(gong)率(lv)激光(guang)器品(pin)质的不断提(ti)升(sheng)，激光焊接与激光(guang)增(zeng)材制(zhi)造(zao)的应用越发广泛。本文在研究国(guo)内(nei)外(wai)激(ji)光加工(gong)技(ji)术相(xiang)关文献报道(dao)的(de)基(ji)础上(shang)，对(dui)激(ji)光(guang)焊(han)接(jie)和(he)激(ji)光增(zeng)材制造(zao)在(zai)钛(tai)合(he)金(jin)航空(kong)结构件(jian)加(jia)工中(zhong)的(de)应(ying)用(yong)现状(zhuang)进(jin)行总结(jie)分析。随着(zhe)航空结(jie)构件(jian)向大(da)型(xing)整体(ti)化、构(gou)型(xing)拓(tuo)扑化(hua)、结(jie)构(gou)功能(neng)一体化(hua)的不断(duan)发展(zhan)，未来(lai)激(ji)光加工技(ji)术在(zai)钛(tai)合(he)金(jin)结(jie)构件(jian)加(jia)工(gong)领(ling)域(yu)的(de)应用场(chang)景将更(geng)为广泛(fan)，同(tong)时(shi)也(ye)对(dui)未(wei)来钛合金激(ji)光(guang)加(jia)工(gong)成(cheng)套设备也(ye)提(ti)出了(le)更高(gao)要(yao)求，不受(shou)制(zhi)于(yu)人(ren)的高(gao)端激光(guang)成(cheng)套制造(zao)设备(bei)将是钛(tai)合(he)金航空(kong)结构件加(jia)工(gong)核(he)心竞(jing)争(zheng)力。
1、军(jun)机(ji)结(jie)构件制造(zao)面(mian)临(lin)的挑战及(ji)发(fa)展趋(qu)势(shi)
1.1各(ge)代(dai)军机(ji)结构(gou)需(xu)求及(ji)材料(liao)发(fa)展(zhan)
一(yi)代军机，一(yi)代材(cai)料［1］。第一(yi)代飞机(ji)主(zhu)要满足(zu)高(gao)亚音(yin)速(su)飞行(xing)，强(qiang)调(diao)结(jie)构件的(de)屈(qu)服强(qiang)度、抗拉强度(du)、塑(su)性(xing)及冲击(ji)韧性(xing)，主要(yao)使用钢骨(gu)架和(he)木质(zhi)材料(liao)；第二代飞机主要满足高(gao)空高(gao)速、近距格斗(dou)需求(qiu)，强调(diao)关(guan)键(jian)部位(wei)的(de)疲劳(lao)性能，大(da)量(liang)使用铝合金和(he)钢(gang)；第三代飞机主要满(man)足高亚声(sheng)速机(ji)动性(xing)需求，关键部位(wei)的(de)材料(liao)要(yao)求具有(you)较高(gao)的损伤容限性(xing)能，要求材料具有(you)
较(jiao)低的裂纹扩展(zhan)速(su)率和(he)断裂(lie)韧度，需要应(ying)用(yong)大(da)量(liang)轻质高(gao)性(xing)能(neng)材(cai)料(liao)，在铝(lv)合(he)金(jin)和(he)钢(gang)的(de)基(ji)础上，增加了(le)钛(tai)合金与复(fu)合材(cai)料的(de)使(shi)用(yong)；第(di)四代飞(fei)机主(zhu)要强(qiang)调隐(yin)身性能(neng)和长(zhang)寿(shou)命(ming)周期(qi)，注(zhu)重(zhong)飞机(ji)的耐(nai)久(jiu)性设(she)计(ji)，主要(yao)材料与三(san)代(dai)机(ji)相(xiang)近(jin)，但(dan)钛合金(jin)与复合(he)材料(liao)占(zhan)比更大(da)；第五(wu)代飞机需(xu)要具(ju)备(bei)高智(zhi)能(neng)、高(gao)协(xie)同、高(gao)速(su)飞行的特性，对结(jie)构(gou)强度要求更高(gao)，还(hai)需应(ying)用大量热(re)防(fang)护(hu)材(cai)料(liao)和(he)耐高温(wen)合金。
1.2军机(ji)结构(gou)件制(zhi)造(zao)面(mian)临的挑战
1.2.1减重(zhong)增(zeng)寿(shou)
机(ji)体(ti)结(jie)构是决定(ding)军机(ji)性(xing)能(neng)指标关(guan)键要(yao)素之(zhi)一(yi)，半个世(shi)纪以(yi)来，结(jie)构技(ji)术一直(zhi)在发(fa)展，结构(gou)形(xing)式(shi)已趋于(yu)“经(jing)典”［2］。如表 1 所示，国外各(ge)代(dai)战机(ji)机(ji)体结构(gou)重(zhong)量占全机重(zhong)量百(bai)分(fen)比(bi)不断降低(di)，机(ji)体疲劳寿(shou)命(ming)需(xu)求(qiu)在(zai)不断增(zeng)长(zhang)。但相(xiang)较于(yu)理(li)想结构(gou)重量(liang)，F35A超重640 kg，F35B超重(zhong)900 kg，近期美国(guo)投入3.5亿美元对162架(jia)四代(dai)飞(fei)机(ji)进行(xing)抗(kang)疲劳(lao)结构(gou)改(gai)进(jin)。减重增(zeng)寿(shou)仍然是(shi)军(jun)机结构(gou)件(jian)制(zhi)造面(mian)临的主要(yao)挑(tiao)战。
1.2.2低(di)成本(ben)、快(kuai)速(su)制造(zao)
快(kuai)速(su)制造(zao)和低成本制造(zao)是(shi)战(zhan)机工(gong)业化(hua)生(sheng)产(chan)的(de)核(he)心。现有(you)的(de)结构(gou)件(jian)制造(zao)工艺，材(cai)料(liao)利用(yong)率极(ji)低(di)，部(bu)分(fen)结构零件(jian)材料去除率达(da)90%以(yi)上；复(fu)杂(za)结(jie)构(gou)件加工(gong)工(gong)序(xu)多(duo)，生(sheng)产(chan)周(zhou)期长。简(jian)化(hua)制(zhi)造(zao)工(gong)艺(yi)，提升(sheng)加(jia)工效率(lv)，提高(gao)原(yuan)材料利(li)用率(lv)，既(ji)满足(zu)国(guo)家“双碳(tan)”发展(zhan)新(xin)形势(shi)的需(xu)求(qiu)，也符合(he)航(hang)空(kong)制(zhi)造业(ye)的根(gen)本(ben)利益(yi)。
1.3军机结(jie)构件(jian)制造发展趋(qu)势(shi)
1.3.1结(jie)构(gou)大型(xing)化、整体(ti)化
目(mu)前的机体结(jie)构采(cai)用以小(xiao)拼大的方式(shi)通(tong)过连(lian)接(jie)件完成(cheng)连(lian)接［3］，该(gai)方式(shi)直(zhi)接导致(zhi)了机(ji)体(ti)结构超(chao)重，疲劳薄弱(ruo)环节多，开(kai)裂频(pin)发(fa)。对于飞机(ji)结构(gou)件，将传统装配(pei)结(jie)构进(jin)行一(yi)体(ti)化设计并完(wan)成制(zhi)造，既(ji)减(jian)少了(le)结构件(jian)和(he)连(lian)接(jie)件(jian)的(de)数量(liang)，又(you)能(neng)有效消除分离面，减少冗余(yu)结构，减缓应力集中(zhong)，减(jian)少(shao)疲劳薄弱环(huan)节(jie)。
结构大型化(hua)、整体(ti)化设(she)计(ji)，突破(po)了原有机体设计极限(xian)，能(neng)够实现(xian)机体(ti)结构减重(zhong) 20% 以上，力学(xue)薄(bao)弱(ruo)环(huan)节预(yu)计(ji)减(jian)少(shao) 30% 以(yi)上，有(you)效提升机体寿(shou)命(ming)。同(tong)时，整(zheng)体(ti)化(hua)结(jie)构简(jian)化了(le)机体(ti)装配工(gong)装与工艺(yi)，机(ji)体(ti)制造周(zhou)期预计缩短30%以(yi)上。
1.3.2结构(gou)构(gou)型(xing)拓(tuo)扑化
用(yong)仿生(sheng)拓扑构型(xing)代(dai)替传(chuan)统(tong)的(de)纵(zong)横(heng)加筋板构型(xing)，材(cai)料根据传(chuan)力(li)路径(jing)和功能需(xu)求布(bu)局(ju)，能将(jiang)材(cai)料布置(zhi)到(dao)最优传(chuan)力路(lu)径，实现(xian)“无冗余(yu)”设(she)计，进(jin)一(yi)步(bu)优(you)化了(le)结(jie)构设计(ji)，实现减(jian)重(zhong)。图 1 为拓扑优化前(qian)后的(de)飞(fei)机结构零件(jian)，零件(jian)质(zhi)量由(you) 0.89 kg 减(jian)至 0.35 kg，减(jian)重60.6%。
1.3.3结(jie)构(gou)功能(neng)一(yi)体化
目前，军(jun)机(ji)的结(jie)构系统与(yu)功(gong)能系统(tong)是独立(li)的，未(wei)来(lai)的军机(ji)会将功(gong)能系(xi)统融入(ru)结(jie)构中，取(qu)消(xiao)功(gong)能(neng)系(xi)统的冗(rong)余，功(gong)能(neng)结构一(yi)体(ti)化，诸(zhu)如防(fang)热材(cai)料、微结构与结(jie)构(gou)构型融(rong)合(he)，达到耐热防(fang)热的目的，可(ke)进一步实现(xian)减(jian)重(zhong)。典型防(fang)热承(cheng)载一体化(hua)结构(gou)如图(tu) 2 所示(shi)。
2、激光(guang)加工(gong)技(ji)术在(zai)钛合(he)金航(hang)空(kong)结(jie)构(gou)件(jian)制造中的(de)应(ying)用现(xian)状(zhuang)
2.1激光焊接(jie)技(ji)术(shu)
激(ji)光焊接(jie)在航(hang)空结构(gou)件制(zhi)造(zao)的(de)优势(shi)主(zhu)要(yao)有两(liang)点(dian)［4-5］：首先(xian)，焊接(jie)代替(ti)传(chuan)统(tong)铆接(jie)，节省(sheng)了(le)大量铆钉，能(neng)有效实(shi)现减重(zhong)；其(qi)次，整(zheng)体焊(han)缝(feng)的强(qiang)度优(you)于(yu)多个(ge)铆钉连(lian)接(jie)的(de)强(qiang)度(du)。如图 3 所(suo)示，钛(tai)合金(jin)焊缝及(ji)其热(re)影响区(qu)的强度(du)均(jun)大于母材(cai)，整体焊(han)缝的强(qiang)度非(fei)常(chang)优秀(xiu)，能够有(you)效(xiao)增(zeng)长(zhang)机(ji)体(ti)疲(pi)劳(lao)寿命(ming)。
目(mu)前应(ying)用(yong)最(zui)为(wei)广(guang)泛和(he)成熟的是(shi)T型接头(tou)双(shuang)光(guang)束激(ji)光焊(han)技(ji)术(shu)，该技术最早(zao)由(you)空(kong)客于 2000 年(nian)应用于(yu)A318系(xi)列飞(fei)机的(de)下(xia)机身蒙(meng)皮(pi)焊接(jie)（见(jian)图(tu)4），被公(gong)认(ren)为(wei)近十(shi)年(nian)大(da)型(xing)客(ke)机(ji)制造(zao)领域(yu)的(de)一(yi)次技(ji)术(shu)革命，改变了焊(han)接技(ji)术(shu)不(bu)适(shi)用(yong)于飞(fei)机(ji)制(zhi)造(zao)的(de)传(chuan)统观(guan)念。国内针对TC4钛(tai)合(he)金(jin)和(he)TA15钛(tai)合金(jin)激(ji)光焊接已(yi)进(jin)行(xing)了系(xi)统(tong)的(de)研(yan)究［6-10］，激光焊接(jie)已经应用于我(wo)国(guo)某些型(xing)号(hao)飞机(ji)的(de)钛(tai)合(he)金(jin)腹(fu)鳍(qi)制造(zao)、钛(tai)合金蒙(meng)皮拼(pin)焊(han)、壁板与长桁(heng)T型接(jie)头焊(han)接(jie)等，配(pei)套(tao)制(zhi)造设备也(ye)较(jiao)为成(cheng)熟。
图(tu) 5 为中国(guo)商(shang)飞(fei)双(shuang)光(guang)束同步焊(han)接设备(bei)，用于(yu)国产某(mou)客机制(zhi)造(zao)。此(ci)外，北京航空(kong)制造(zao)工(gong)程(cheng)研究(jiu)所(suo)已(yi)将(jiang)激光(guang)焊接(jie)技术(shu)应用于发动机钛合金(jin)承力构(gou)件(jian)制造(zao)。
在(zai)钛合(he)金(jin)承力结构件上，激(ji)光焊(han)接技术即将(jiang)开展(zhan)深入应(ying)用，特别是(shi)钛(tai)合金(jin)原(yuan)位激光(guang)焊(han)接(jie)。原位(wei)焊接(jie)技术(shu)属(shu)于近净成(cheng)形技术领(ling)域(yu)，是指零(ling)件成(cheng)型(xing)后(hou)，仅(jin)需少量(liang)加工或不再(zai)加工(gong)，就(jiu)可作(zuo)为(wei)机(ji)械构(gou)件(jian)的(de)成(cheng)型技(ji)术。原位(wei)焊接技术(shu)是(shi)美(mei)国(guo)首次在(zai) F-22 战机上提出(chu)并(bing)应用(yong)的(de)，利用高能束(shu)流(liu)对装(zhuang)配(pei)体(ti)实(shi)施(shi)焊(han)接，焊(han)接后(hou)无(wu)需进(jin)行二次机(ji)械加(jia)工，实现(xian)了(le)飞机(ji)骨(gu)架(jia)零件原位焊(han)接(jie)工艺与装(zhuang)配(pei)技(ji)术的协调(diao)统(tong)一(yi)，代(dai)替传统铆(mao)接，大(da)幅(fu)减重并缩短(duan)部(bu)件(jian)制(zhi)造周期。F-22在研发(fa)阶(jie)段(duan)，受制于当(dang)时激光(guang)功(gong)率(lv)，钛合(he)金后(hou)机(ji)身(shen)大量(liang)采用(yong)电(dian)子束焊接。先(xian)由3~4个片(pian)段纵(zong)向(xiang)焊接组(zu)成盒(he)状段(duan)，再(zai)由盒装段(duan)焊(han)接(jie)成(cheng)框(kuang)，最后(hou)焊(han)接为整体舱(cang)段(duan)，如(ru)图 6 所示(shi)，钛合金焊(han)缝总长度(du)约(yue) 9 m，质量(liang)相(xiang)比于机械连(lian)接减少 182 kg［11］。目(mu)前(qian)，原位(wei)焊(han)接技术(shu)在国内
航(hang)空制(zhi)造(zao)领(ling)域(yu)尚(shang)无(wu)工程(cheng)应用(yong)，钛(tai)合金结(jie)构(gou)件(jian)的(de)原(yuan)位(wei)激光(guang)焊(han)接(jie)的应(ying)用(yong)将(jiang)是未(wei)来极(ji)具(ju)价值的研(yan)究(jiu)方向(xiang)。
未来，激(ji)光焊接(jie)在航(hang)空结构(gou)件制造(zao)领(ling)域(yu)的发展(zhan)趋势，是(shi)焊接(jie)更为(wei)复(fu)杂(za)的(de)机体(ti)结构(gou)和新材料，进(jin)一(yi)步实现(xian)机体(ti)减重增(zeng)寿。此(ci)外，航(hang)空(kong)结构(gou)件(jian)自身价(jia)值(zhi)较(jiao)高(gao)，保(bao)证(zheng)加(jia)工(gong)质量(liang)至关(guan)重要，由此(ci)带(dai)来(lai)的挑战主要(yao)有以下(xia)几个方面：
（1）激光焊(han)接(jie)头(tou)可达性(xing)拓展。
复(fu)杂(za)钛(tai)合(he)金(jin)机(ji)体框架(jia)结(jie)构(gou)的定位(wei)和(he)夹(jia)持工装(zhuang)相(xiang)互(hu)交(jiao)错，对激光(guang)焊(han)接头(tou)的(de)可(ke)达(da)性造成极(ji)大(da)干扰。
一(yi)方面，需(xu)要(yao)合理(li)规划焊(han)接路径(jing)，优化工(gong)装(zhuang)设(she)计(ji)，保(bao)持操(cao)作空间(jian)的(de)最大(da)开敞性(xing)。另一(yi)方(fang)面(mian)，需(xu)要开展(zhan)专用焊(han)接(jie)头(tou)的(de)研(yan)发(fa)，具(ju)备小型化、远(yuan)距(ju)焊(han)接(jie)、末(mo)端位(wei)姿(zi)可调(diao)等(deng)要素。
（2）变形(xing)控(kong)制。
变(bian)形控(kong)制包括(kuo)焊(han)接变(bian)形(xing)控制(zhi)和(he)热(re)处理(li)变(bian)形控(kong)制(zhi)。需(xu)进一步(bu)开(kai)展焊(han)接对象焊(han)接(jie)工(gong)艺(yi)试(shi)验，完(wan)成(cheng)最(zui)佳的焊接策略匹配(pei)，实现焊接(jie)变形(xing)控(kong)制(zhi)最优解(jie)的同时(shi)保证焊接可(ke)靠性(xing)。需要(yao)进(jin)一(yi)步开(kai)展热(re)处理变(bian)形机理研究，设(she)计出(chu)合(he)理的(de)保(bao)形(xing)工(gong)装(zhuang)和(he)热处(chu)理策略来实现(xian)复杂部件(jian)的热处理变形控(kong)制(zhi)。此(ci)外(wai)，还需(xu)要(yao)探(tan)索(suo)新(xin)型的热(re)处(chu)理(li)方(fang)式(shi)，诸(zhu)如超声(sheng)冲(chong)击、激(ji)光(guang)冲击(ji)等(deng)特(te)种工(gong)艺来(lai)消(xiao)除焊接应(ying)力(li)。
（3）新(xin)材(cai)料(liao)焊接。
针对(dui)未来超(chao)高速飞(fei)行器对耐(nai)温材料的需(xu)求(qiu)，需(xu)进一(yi)步开展(zhan)高(gao)温(wen)钛合(he)金(jin)和(he)热塑性复合(he)材(cai)料(liao)的(de)激(ji)光焊接(jie)工艺研(yan)究(jiu)，并(bing)进行力(li)学性(xing)能(neng)和疲(pi)劳(lao)性(xing)能考(kao)核(he)，为后续新材(cai)料工(gong)程(cheng)化(hua)应(ying)用(yong)提(ti)供(gong)支(zhi)撑。
2.2激光增(zeng)材制(zhi)造(zao)技术(shu)
激光选区(qu)熔化(hua)（Selective Laser Melting，SLM）、激(ji)光(guang)直(zhi)接(jie)沉积(ji)（Laser Melting Deposition，LMD）是(shi)目(mu)前(qian)主(zhu)要(yao)的钛合金(jin)激光(guang)增材制造工(gong)艺［12］。航(hang)空(kong)结(jie)构(gou)件具(ju)有多品种(zhong)、小批量(liang)的特点(dian)，结(jie)构越复杂，增材(cai)制(zhi)造的(de)成(cheng)本(ben)和效率优(you)势相(xiang)比(bi)传(chuan)统(tong)制(zhi)造(zao)方法(fa)就越明(ming)显。
SLM技术分层层(ceng)厚较小(xiao)（30~60 μm），可(ke)直接快(kuai)速(su)成(cheng)型(xing)终端金(jin)属(shu)产(chan)品，尺(chi)寸(cun)精度高(gao)，表面质(zhi)量(liang)好，可实现任意(yi)复杂零(ling)部件的高(gao)效致(zhi)密(mi)成(cheng)形，特(te)别(bie)适(shi)合(he)内部(bu)有复杂异形(xing)结构且用传统(tong)方(fang)法无(wu)法(fa)制(zhi)造的复(fu)杂(za)零(ling)部(bu)件。
通用(yong)电气公司专注(zhu)于(yu)增(zeng)材(cai)制(zhi)造以(yi)降低其(qi)发动机(ji)制(zhi)造成本(ben)，采用SLM技(ji)术(shu)已完成大量(liang)零(ling)部件的批(pi)量(liang)制(zhi)造。图7为航空(kong)发动机(ji)燃油喷嘴(zui)，将(jiang)20个零件集成为(wei)1个部(bu)件进行打印(yin)，减重25%，已(yi)实(shi)现数(shu)万个部件的批(pi)量制造。此(ci)外(wai)，空(kong)客通(tong)过(guo)基于有限元分(fen)析(xi)的结(jie)构(gou)优化(hua)应用(yong)于(yu)现(xian)有(you)零(ling)部件(jian)的再(zai)设计(ji)，采(cai)用(yong)SLM技术实现了大幅(fu)减(jian)重，如图8所示。
未(wei)来(lai)军机将具(ju)有(you)超(chao)高(gao)速(su)飞(fei)行的(de)特(te)征(zheng)，热(re)防(fang)护(hu)技(ji)术是(shi)未(wei)来(lai)飞(fei)机结(jie)构件的(de)关(guan)键(jian)技术之(zhi)一，防热(re)承(cheng)载(zai)结(jie)构(gou)具有多孔、点(dian)阵等特征，且内部(bu)需(xu)要微(wei)流道完成主动(dong)散(san)热，此(ci)类(lei)结(jie)构(gou)传(chuan)统工艺无法完(wan)成加工(gong)。通用(yong)航(hang)空公司(si)设(she)计(ji)的内置流(liu)道的(de)航空发(fa)动机(ji)叶片如图(tu)9所示(shi)，飞机用金(jin)属(shu)多功(gong)能(neng)点阵结构如图(tu) 10 所示(shi)，可(ke)实现结构承(cheng)载、防(fang)热、隐(yin)身等(deng)功(gong)能的(de)融合(he)。此(ci)类(lei)结构(gou)传(chuan)统工(gong)艺无(wu)法(fa)完(wan)成加工(gong)，SLM技(ji)术(shu)恰好能(neng)够满(man)足相关(guan)制造(zao)需求。
钛合金防(fang)热承载(zai)一(yi)体(ti)化(hua)结(jie)构(gou)的(de)激(ji)光(guang)选区熔化(hua)成型(xing)应用将是未来(lai)极(ji)具价(jia)值(zhi)的研究方(fang)向。在 SLM 设(she)备(bei)制(zhi)造领(ling)域，以(yi)美(mei)国 Optomec、德(de)国(guo)EOS、西(xi)安铂力(li)特(te)、南(nan)京中(zhong)科煜(yu)宸等(deng)为(wei)代表的多(duo)家单(dan)位均已研发(fa)出工业级(ji) SLM 设(she)备(bei)，国内外(wai)典(dian)型(xing) SLM设备(bei)主要特性(xing)如表2所(suo)示(shi)。
其中(zhong)，西(xi)安铂力(li)特增材(cai)技术股(gu)份有限公(gong)司(si)于2022 年 5 月推出(chu)了(le) 12 激光 SLM 3D 打(da)印机 BLT-S1000，目(mu)前(qian)处于(yu)国内(nei)领先(xian)水(shui)平，如(ru)图(tu)11所示。其(qi)成(cheng)型(xing)尺寸(cun)可(ke)达 1 200 mm×600 mm×1 500 mm，可(ke)实现(xian)大(da)尺(chi)寸复杂结构(gou)件的一(yi)体成(cheng)型，最大成型速(su)率(lv)可达(da)300 cm3/h。提(ti)升铺粉设(she)备的(de)加工效率仍(reng)将是(shi)未来极(ji)具(ju)价值(zhi)的研究(jiu)方(fang)向(xiang)。
激光(guang)直接(jie)沉积技(ji)术(shu)（LMD）具有(you)材料利(li)用(yong)率(lv)高(gao)、机加(jia)工(gong)量(liang)小(xiao)、制造周(zhou)期(qi)短(duan)的(de)特点(dian)，同(tong)轴(zhou)送粉的(de)工(gong)艺特点(dian)决定其(qi)成形尺寸(cun)不受(shou)限制(zhi)，可(ke)以实(shi)现同(tong)一构件上多(duo)材料(liao)的复合(he)和梯(ti)度(du)制造(zao)，适用(yong)于大型结构件或(huo)者结构(gou)不(bu)是(shi)特别复杂(za)的功(gong)能(neng)性(xing)零件的加(jia)工(gong)制(zhi)造。
LMD 技(ji)术(shu)在国内(nei)外航(hang)空(kong)航(hang)天领域得到(dao)了广(guang)泛(fan)的应用(yong)，例(li)如(ru)波(bo)音(yin)公(gong)司、空(kong)客公司(si)、洛克希德(de)马(ma)丁公司、GE航空(kong)等世(shi)界著(zhu)名的航空(kong)公司都(dou)在(zai)大(da)力(li)发(fa)展(zhan)各(ge)自(zi)的激光直接(jie)沉积(ji)技(ji)术［13］。北(bei)京(jing)航空航(hang)天大学研制(zhi)的某大型(xing)激(ji)光直接沉积(ji)金(jin)属增材(cai)制造设(she)备(bei)如(ru)图 12所示(shi)，可为中(zhong)国商用(yong)飞机(ji)、军机(ji)项(xiang)目制造大型复(fu)杂(za)部(bu)件，包(bao)括钛机(ji)身骨架及高(gao)强(qiang)度(du)起落架(jia)。北航(hang)王华(hua)明教授团队研(yan)制(zhi)了主(zhu)承(cheng)力(li)飞(fei)机钛(tai)合(he)金(jin)加(jia)强(qiang)框等关(guan)键构件(jian)，实(shi)现(xian)了在(zai)包(bao)括C919大(da)型客机在(zai)内的多种型号飞机(ji)上的装机(ji)应用。北(bei)航(hang)应(ying)用LMD技术(shu)制造(zao)出了飞(fei)机大型钛(tai)合金(jin)主承力构件，如(ru)图(tu)13所示。西(xi)北工(gong)业(ye)大(da)学(xue)采(cai)用LMD技术(shu)成功试(shi)制(zhi)了C919机翼肋构件(jian)，如图(tu)14所示(shi)。
在 LMD 设备制造(zao)领(ling)域(yu)，以美国(guo) EFESTO、德国EOS、西(xi)安(an)铂力(li)特(te)、南(nan)京(jing)中(zhong)科(ke)煜(yu)宸、鑫精(jing)合激光(guang)等(deng)为代(dai)表(biao)的多(duo)家(jia)企业均(jun)已研(yan)发(fa)出工(gong)业(ye)级 LMD 设(she)备(bei)，国(guo)内外(wai)典型(xing)LMD设(she)备(bei)主要参(can)数(shu)如(ru)表3所(suo)示(shi)。南京(jing)中科(ke)煜(yu)宸研发(fa)的(de)大型智能化双(shuang)光束装备(bei)性能(neng)指(zhi)标达到(dao)国际(ji)先进(jin)、国(guo)内领先的水(shui)平，如(ru)图(tu) 15所示，是国际上首次(ci)提(ti)出采用双万瓦级(ji)激光(guang)同(tong)步(bu)送(song)粉打印(yin)技术，沉积(ji)速度可(ke)达(da) 700 cm3/h，设备(bei)刚(gang)性(xing)成(cheng)型(xing)尺(chi)寸可达4 m×3.5 m×3 m，柔性(xing)成(cheng)型(xing)尺(chi)寸达(da)13 m×3.5 m×3 m，加工(gong)能力(li)覆盖(gai)了(le)目前航(hang)空钛(tai)合(he)金(jin)主承力(li)结(jie)构件的所有门类(lei)，满(man)足未(wei)来型号及(ji)特殊(shu)构件(jian)制造(zao)需(xu)求(qiu)。此(ci)外(wai)，航(hang)空(kong)工业(ye)成(cheng)飞集(ji)团(tuan)也研制(zhi)了大型LMD同轴送粉(fen)设(she)备(bei)，并实现(xian)了飞机增材制造工(gong)程化应用。降(jiang)低设备(bei)加(jia)工(gong)使用(yong)成本将是LMD设备未(wei)来(lai)的(de)研究(jiu)方(fang)向(xiang)。大型(xing)构件(jian)的(de)应力控(kong)制和变(bian)形(xing)开(kai)裂(lie)是LMD技(ji)术面临(lin)的关键(jian)难题(ti)。
激光增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)在航(hang)空(kong)结构(gou)件(jian)制造(zao)领(ling)域(yu)的未(wei)来发展趋势，将是进一步拓宽应(ying)用面(mian)，提(ti)高(gao)零部(bu)件力学性能(neng)，加(jia)工对象将(jiang)由(you)机体(ti)非承力件和次承力件向(xiang)主(zhu)承(cheng)力件(jian)进一步拓展。同时(shi)，进(jin)一(yi)步提升(sheng)加工(gong)工艺(yi)成熟度(du)，降低加(jia)工(gong)成本，更有(you)助(zhu)于该技(ji)术的(de)工程(cheng)化(hua)应用(yong)。由(you)此(ci)带(dai)来(lai)的(de)挑(tiao)战(zhan)主(zhu)要(yao)有(you)以(yi)下几个方(fang)面：
（1）提升正(zheng)向(xiang)设(she)计(ji)能(neng)力(li)。
目(mu)前(qian)，增(zeng)材制造技(ji)术主(zhu)要(yao)还是(shi)对(dui)传统铸(zhu)造(zao)、锻造技术的(de)替代(dai)，没有完全发(fa)挥(hui)其高设(she)计自由(you)度(du)的(de)优(you)势(shi)，需要进(jin)一(yi)步(bu)提(ti)升(sheng)结构(gou)件(jian)设(she)计(ji)能力(li)，在设(she)计中(zhong)融合(he)增(zeng)材(cai)的思想，通过(guo)正向设(she)计(ji)的理念(nian)，从源(yuan)头上实(shi)现(xian)结构(gou)设计(ji)上(shang)的(de)颠覆(fu)性创新(xin)。
（2）提(ti)高零件(jian)力学性能。
激光(guang)增(zeng)材制造(zao)的(de)关(guan)键要求(qiu)之一是(shi)获得所(suo)需(xu)的(de)力(li)学(xue)性能，需(xu)要进一(yi)步优(you)化打印(yin)工(gong)艺(yi)，减(jian)少(shao)变形，避(bi)免开裂(lie)，提(ti)高(gao)力(li)学性能。一方(fang)面(mian)，需(xu)要(yao)开展(zhan)大量的(de)基(ji)础(chu)性(xing)试(shi)验，建立工艺(yi)数据(ju)库(ku)；另(ling)一(yi)方(fang)面，需(xu)要(yao)开发(fa)可靠的(de)预(yu)测(ce)性过程(cheng)模型，诸(zhu)如(ru)过程(cheng)热(re)模(mo)型、微结构(gou)预测模(mo)型和(he)力(li)学性(xing)能(neng)预测模(mo)型等，提(ti)升(sheng)加工过程的可靠(kao)性(xing)。
（3）健(jian)全(quan)基础性能(neng)数据体系(xi)。
作为(wei)一项正在迅速发(fa)展(zhan)的高新(xin)技(ji)术(shu)，增(zeng)材制造在原材料(liao)、工(gong)艺、后处理(li)、组(zu)织性(xing)能(neng)数(shu)据库(ku)等方面的(de)数(shu)据(ju)储(chu)备(bei)还(hai)不充足，需(xu)要(yao)业界共同努(nu)力，健全激光增材(cai)制(zhi)造(zao)金属材料的(de)基础(chu)性能数(shu)据体(ti)系(xi)，共(gong)同开发出(chu)增材(cai)制(zhi)造(zao)粉(fen)末原(yuan)材(cai)料(liao)、工(gong)艺过程(cheng)等(deng)规(gui)范(fan)。
3、激(ji)光加(jia)工设(she)备在(zai)钛(tai)合(he)金航空(kong)结(jie)构(gou)件制(zhi)造(zao)的(de)应(ying)用(yong)展(zhan)望
伴随着(zhe)钛合金激(ji)光加工(gong)技术(shu)在我国(guo)航空结(jie)构件制造(zao)中的(de)应(ying)用(yong)越(yue)来越广(guang)泛，钛合(he)金(jin)激光(guang)加(jia)工(gong)成(cheng)套(tao)设备同(tong)样(yang)面临(lin)着压力(li)与挑战(zhan)，需要进(jin)一步完(wan)善和(he)发展，提升(sheng)激(ji)光(guang)加(jia)工设(she)备(bei)竞(jing)争力。
3.1成套系统多功能(neng)化
高(gao)效低成(cheng)本(ben)制(zhi)造、近净成(cheng)形将(jiang)是未来钛(tai)合金航(hang)空(kong)结(jie)构件(jian)制(zhi)造(zao)发展(zhan)方向。航空(kong)工业(ye)属于典型(xing)的离(li)散制(zhi)造(zao)，现(xian)行的(de)工(gong)艺(yi)以(yi)及加工(gong)设(she)备(bei)大多仅具备单(dan)一的(de)加工功(gong)能，零(ling)件在(zai)不(bu)同的工(gong)艺节点周转，降低了(le)加工(gong)效率(lv)。单个离散点(dian)多功(gong)能化(hua)，简化(hua)工(gong)艺(yi)流程(cheng)，需(xu)要未来(lai)的高端(duan)激光(guang)制造集(ji)成系(xi)统向多功能(neng)化(hua)发(fa)展(zhan)，将(jiang)激光制(zhi)造精细、直(zhi)接(jie)近(jin)净(jing)成(cheng)形(xing)的(de)优点(dian)与(yu)传(chuan)统制(zhi)造技术结(jie)合(he)起来(lai)，形(xing)成最(zui)佳(jia)的(de)制造(zao)策略(lve)，诸如(ru)增(zeng)材、焊(han)接(jie)、减材、在线(xian)测(ce)量一体化(hua)的自动(dong)设备(bei)。同(tong)时，研(yan)发(fa)面向(xiang)原位(wei)自(zi)适(shi)应(ying)制(zhi)造的(de)专用新设(she)备，诸如在(zai)线(xian)焊(han)接(jie)变(bian)形(xing)测(ce)量和(he)分(fen)析(xi)设备、在线(xian)焊(han)接气孔检测设(she)备(bei)、原(yuan)位(wei)去(qu)应(ying)力(li)设备(bei)，可(ke)有(you)效减(jian)少(shao)后续(xu)加(jia)工(gong)及(ji)检测工序。
3.2加(jia)工过程智(zhi)能化
智(zhi)能化的激光(guang)加工系统(tong)将有效(xiao)提高(gao)加工(gong)效率(lv)，保证加(jia)工(gong)质量，降低对操作人(ren)员的要求。将智能传(chuan)感器、数(shu)字总(zong)线技术(shu)等智能部(bu)件融入(ru)激光加工设备，通(tong)过对生产(chan)全过(guo)程(cheng)实时在(zai)线(xian)检测、闭(bi)环过(guo)程(cheng)控制来确保(bao)激光加工(gong)的(de)加(jia)工质(zhi)量(liang)、一(yi)致(zhi)性和再(zai)现性(xing)。
诸如基于(yu)视觉测量、激光(guang)测量(liang)的智能(neng)末端(duan)，完成部(bu)件(jian)装(zhuang)配(pei)的(de)间(jian)隙(xi)与阶(jie)差(cha)的自(zi)动测量，确保装(zhuang)配(pei)状(zhuang)态(tai)，代替现有(you)人(ren)工测(ce)量(liang)；高精度(du)的(de)远距窄(zhai)焊(han)缝(feng)的(de)焊(han)缝跟踪(zong)末(mo)端，满(man)足航(hang)空(kong)结(jie)构件形(xing)状(zhuang)复(fu)杂(za)、夹(jia)具复(fu)杂(za)、焊(han)接(jie)末端可达性较(jiao)差的特殊焊接(jie)场(chang)景(jing)需(xu)求；具(ju)备高温加(jia)工全(quan)过(guo)程监测并(bing)结合(he) AI 深度(du)学(xue)习(xi)功(gong)能的熔池(chi)监测(ce)设备(bei)，实现过(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)关(guan)键(jian)工(gong)艺(yi)参数(shu)和在线实(shi)时(shi)监测(ce)、反馈(kui)闭环控(kong)制(zhi)；另(ling)外(wai)，构建激(ji)光加工(gong)知(zhi)识(shi)工程，形(xing)成(cheng)激光加工(gong)设(she)备技术管(guan)控平台，也能(neng)有(you)效(xiao)提(ti)升激光加(jia)工(gong)的可靠(kao)性(xing)及(ji)智(zhi)能化程(cheng)度(du)。
3.3配套系统(tong)高效(xiao)化(hua)
钛合(he)金在(zai)高温下(xia)非常活跃，在 300 ℃以上(shang)极易(yi)与(yu)氢(qing)反应，600 ℃以上极(ji)易与(yu)氧(yang)反应，700 ℃以(yi)上极(ji)易(yi)与(yu)氮(dan)反(fan)应(ying)，须(xu)施加(jia)氩(ya)气(qi)保(bao)护(hu)，高质量的(de)气体(ti)保护(hu)措施能(neng)有(you)效(xiao)保障钛(tai)合(he)金加(jia)工质量，提(ti)升零(ling)部(bu)件(jian)制(zhi)造(zao)合(he)格(ge)率并降低加(jia)工成本。对于(yu)传统(tong)保(bao)护夹(jia)具吹(chui)气(qi)的方式，需(xu)注(zhu)重其保护的可(ke)靠性，同(tong)时需(xu)降低(di)对光(guang)束(shu)可达(da)性(xing)的影响(xiang)；对于整体密(mi)封保护的方式(shi)，需进一步提(ti)高(gao)箱(xiang)体(ti)密(mi)封性(xing)，优化(hua)惰性(xing)气(qi)体置(zhi)换和(he)净化(hua)过(guo)程气(qi)流(liu)组织(zhi)，降(jiang)低惰(duo)性气氛(fen)建(jian)立时(shi)间，提高(gao)加(jia)工(gong)效(xiao)率。
3.4核心部件(jian)自(zi)主(zhu)化(hua)
经过(guo)多年的(de)不(bu)懈(xie)努(nu)力，我(wo)国激(ji)光制(zhi)造设(she)备(bei)已(yi)实(shi)现“从无到有(you)”，目(mu)前(qian)正处(chu)于(yu)“从有到(dao)好(hao)”的阶(jie)段(duan)。但部(bu)分高(gao)端核心部件(jian)目(mu)前(qian)仍(reng)然(ran)处(chu)于(yu)受制(zhi)于(yu)人的(de)局面，急(ji)需(xu)研发高功(gong)率(lv)、高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)的国(guo)产(chan)激光(guang)器(qi)，并针对(dui)性地(di)改(gai)善(shan)功率衰(shuai)减过快的缺(que)点(dian)。研发高功(gong)率、高精(jing)度(du)、高可(ke)靠性国(guo)产激光(guang)焊接头(tou)/打(da)印(yin)头(tou)，在(zai)线熔(rong)池监测装置(zhi)等(deng)核(he)心部(bu)件，提(ti)升高(gao)端(duan)激(ji)光(guang)成套(tao)制造(zao)设备(bei)的(de)自主化(hua)程(cheng)度。
4、结(jie)论
以航(hang)空结构件制(zhi)造(zao)为(wei)背(bei)景(jing)，介(jie)绍了航(hang)空(kong)结(jie)构件制(zhi)造(zao)面临(lin)的(de)挑(tiao)战(zhan)与(yu)发展趋势(shi)，综(zong)述了(le)激光加工(gong)技(ji)术(shu)在钛(tai)合金(jin)航空结构件制造(zao)中的(de)应用(yong)现状，并对(dui)钛(tai)合金激(ji)光(guang)加(jia)工(gong)成(cheng)套(tao)设(she)备的未来(lai)发(fa)展(zhan)方(fang)向(xiang)提(ti)出了相关(guan)建(jian)议(yi)。
（1）分析了军机结(jie)构(gou)件(jian)制(zhi)造(zao)面(mian)临(lin)的挑战和发展(zhan)方(fang)向。
（2）介绍(shao)了激(ji)光(guang)焊接(jie)技(ji)术(shu)、激(ji)光(guang)增(zeng)材制(zhi)造技(ji)术在飞(fei)机(ji)结(jie)构件(jian)制(zhi)造(zao)中(zhong)的应用现状(zhuang)及(ji)前景，对(dui)激光技术在(zai)军(jun)机(ji)结构件(jian)制造的应(ying)用具有(you)指导价(jia)值(zhi)。
（3）基(ji)于未(wei)来(lai)军机(ji)快速(su)、高效(xiao)、低(di)成(cheng)本制造(zao)的(de)考(kao)虑，对未来钛合(he)金(jin)激光加工成(cheng)套(tao)设备(bei)技(ji)术的(de)发展(zhan)，提(ti)供了方向和(he)发展(zhan)建议。
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相(xiang)关(guan)链(lian)接(jie)
