导读：
从增材制造技术的基本概念出发，研究了适用于金属材料的定向能量沉积（ＤＥＤ）技术和粉末熔覆(PBF)技术的基本原理、技术内涵以及技术发展，重点分析了增材制造技术在开发燃油喷嘴和低压涡轮叶片等商业化零部件的应用，以及对涡轮叶片、整体叶轮和齿轮等航空发动机部件的修复．研究表明，金属增材制造技术广泛适用于钛合金、镍基合金、钛铝合金等金属材料的航空发动机部件，在设计、制造和经济可承受性等方面具有优势
增材制造（ＡＭ）技术是基于微积分的思想，通过计算机辅助设计（ＣＡＤ）的设计数据将材料逐层累加来制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除（切削加工）技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法．增材制造技术不同于传统的加工过程，是基于材料的增量制造（ＭＩＭ），将材料（一般指粉体材料）一层一层地任意制造出工件，因此，增材制造技术是一种固体无模成形技术、数字化制造技术以及智能制造技术．自２０世纪８０年代增材制造技术出现并用于模型制造和快速成型以来，目前已经经历了将近３０多年的发展，并成为世界快速发展的先进制造技术近几年，增材制造技术正在快速改变传统的生产方式，而世界各国也相应纷纷制定了发展。
和推动增材制造技术的国家战略和规划．美国在推进增材制造技术发展方面扮演者重要的角色，在提出发展美国振兴制造业计划后，于２０１２年８月成立了国家增材制造创新机构（ＮＡＭＩＩ）（于２０１３年更名为“美国制造”），强调了通过改善增材制造材料、装备及标准，实现创新设计的小批量、低成本数字化制造，以夺回制造业霸主地位。欧盟在基础研究设施、研发组织和政府支持方面也始终处于前列，并成立了英国的增材制造创新中心，而欧盟在第六框架计划下也开展了大型航空航天组件快速生产项目Ｒａｐｏｌａｃ以及航空航天ＳＭＤ（ｓｈａｐｅｄ ｍｅｔａｌ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技术等．另外澳大利亚、日本等也先后成立增材制造领域的研究机构，通过持续加大增材制造技术的研发投入来推动增材制造技术应用和标准方面的发展．
在增材制造技术的标准化方面，美国汽车工程师协会（ＳＡＥ）于２００２年发布了第一个增材制造技术标准———宇航材料规范ＡＭＳ４９９９《退火Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ钛合金激光沉积产品》．同时，美国材料与试验协会（ＡＳＴＭ）和国际标准化组织（ＩＳＯ）还成立了专门的增材制造技术委员会，下设术语、试验方法、设计、材料和工艺、人员等分委员会／工作组，并开展增材制造标准方面的合作，已经并正在制定一些增材制造技术标准方法．增材制造技术标准工作的日趋活跃，标志着增材制造技术已经从实验室发展到实际产品应用，尤其是在航空航天领域的应用．
美国《时代》周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”．
１金属零件增材制造技术的发展
近年来，为了满足航空航天、汽车行业等的苛刻要求，国内外增材制造技术的研究主要集中在形状复杂的功能性金属材料（包括金属、合金和金属基复合材料）的增材制造技术［１１－１５］．Ｗｏｈｌｅｒｓ协会在２０１３年度报告［１６］中指出，２０１２年增材制造设备与服务全球直接产值２２．０４亿美元，其中在航空航天领域的应用已经增长到了１０．２％．在飞行器高性能、高可靠性、长寿命和低成本需求日益增长的背景下，金属增材制造技术将成为复杂金属结构件制造的关键技术之一．
依据美国试验材料学会（ＡＳＴＭ）定义，金属增材制造技术分为定向能量沉积（ＤＥＤ）和粉末熔覆(PBF)两类，其原理如图１和图２所示．其中，定向能量沉积（ＤＥＤ）技术方面，Ｄａｖｅ 和Ｔａｍｉｎｇｅｒ等以及王华明等国内外学者对电子束自由成形制造技术（ＥＢＦＦＦ）和激光近净成形技术（ＬＥＮＳ）开展了大量的研究，并重点集中于制造工艺、力学性能及工程应用关键技术等方面．粉末熔覆(PBF)技术方面，电子束熔化技术（ＥＢＭ）、直接金属激光烧结（ＤＭＬＳ）、激光选区烧结（ＳＬＳ）、激光熔化（ＬＭ）及激光选区熔化（ＳＬＭ）等获得了国内外学者的广泛关注，并用于钛合金、钴基合金、镍基合金和钛铝金属间化合物等材料，同时，形成了原材料研制、工艺和设备关键技术研发等较完整的技术体系，并研制出了一些典型的航空金属构件．
图1 定向能量沉积原理图
图2 粉末熔覆原理图
随着光纤激光器的出现和激光增材制造设备的发展，增材制造在航空发动机领域的研究迅速在全球发展起来．德国慕尼黑工业大学评估了增材制造技术在未来航空发动机压气机设计中的潜在应用，并通过增材制造技术开发了双壁压气机机匣设计新方法，讨论了设计所面临的挑战．当今世界领先的激光烧结系统制造商德国ＥＯＳ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）公司采用选区熔化机制成形了航空发动机的燃烧室和涡轮叶片，如图３所示为增材制造的涡轮叶片．瑞典Ａｒｃａｍ公司研发了ＥＢＭ 设备用于航空发动机多联叶片、整体叶盘、机匣、增压涡轮等结构的制造，俄罗斯应用该设备研制出了ＴＣ４发动机机匣，意大利也研制出了γ－ＴｉＡｌ合金叶片．同时，对于在航空发动机高温部件上广泛使用的镍基高温合金，也大量开展了激光增材制造方面的研究和应用，主要集中在镍基高温合金增材制造的工艺特性、成形件组织性能以及热处理对组织和性能的影响方面，并探索了增材制造技术在单晶叶片的修复技术．
图3 增材制造的涡轮叶片
２增材制造技术在航空发动机领域的发展
高性能航空发动机对零件结构的复杂程度要求越来越高，给传统的制造工艺带来了很大难度．随着金属零件的增材制造技术的日益成熟，获得了航空领域的广泛关注［６６－６７］，航空发动机制造商和零部件供应商已经将增材制造技术用于开发了商业化的零部件，不断扩大在航空发动机上的应用．然而，我国在航空发动机增材制造方面至今仍处于理论研究阶段，技术成熟度水平仍较低，距实际应用还有很长的距离．
ＧＥ公司采用金属增材制造技术研发燃气涡轮发动机的飞行关键、高的循环热应力的高温部件．自２００４年开始与斯奈克玛公司合作，研发激光烧结增材制造的燃油喷射部件，并制造了首台Ｌｅａｐ发动机的生产型燃油喷嘴，如图４所示．该部件的传统制造方法是多片部件经过铸造、机加工和组装制成，成本较高，ＧＥ公司采用增材制造技术将传统工艺的２０片部件组装或焊接的结构制造为一个部件，而且由于材料熔化迅速、局部加热和冷却等工艺步骤，使得在恰当热处理情况下，这种方法得到的制件具有接近锻造的材料性能．增材制造避免产生变形和形成微裂纹，实现了燃油喷射系统寿命提高４倍，质量降低２５％，研制成本进一步降低，到２０２０年能够通过５０～１００个增材机械实现每年生产４００００个喷嘴，这一生产率将能够确保每月１７５台发动机的交付量．另外，ＧＥ公司预计，随着技术的进步以及下一代发动机采用增材制造技术设计，能够在１０～２０年内实现发动机质量的大幅降低．
图4 Leap发动机的燃油喷嘴
普惠公司采用增材制造技术生产了超过１０万件部件和原型件，包括铸模、设备工具以及试验台架硬件等，其中有超过２０００件增材制造的发动机金属原型件．普惠公司采用增材制造技术用于发动机的镍基合金和钛合金部件的研制，结果显示，可以获得与当前材料一致的性能，并能够节省大量的时间，提升复杂几何结构的制造精度．同时，相比传统的锻造或铸造工艺，增材制造技术能够降低原材料消耗达５０％，将发动机的ＢＴＦ比（生产部件的原材料质量与部件最终质量之比）从传统工艺的２０∶１降低到２∶１以下，这对降低部件质量和制造成本是大有裨益的．普惠公司在ＰＷ１１００Ｇ和ＰＷ１５００Ｇ发动机的部件设计中，采用增材制造技术极大地减少了部件的研制时间以及原材料和成本的浪费，发动机单个零件的制造速度提高４～８倍，相比锻造，部分零部件减少最多９０％ 的浪费，研制的特定部件的成本降低３０％．另外，普惠公司还在２０１３年与康涅狄格大学共建了普惠增材制造创新中心，以实现设计、制造和经济可承受性上的创新，为下一代发动机的研制做技术储备．
ＭＴＵ公司采用ＳＬＭ 技术生产了PW1000GJM发动机的内窥镜轮毂，形成了涡轮机匣的一部分，允许叶片在磨损和损伤的指定间隙使用内窥镜进行检查．目前，ＭＴＵ公司正在“净洁天空”计划下使用ＳＬＭ 技术制造密封托架，其整体蜂窝结构的内环将安装在高压压气机内．未来，ＭＴＵ公司始终致力于削减零部件的研制时间和成本，还将采用ＳＬＭ 技术生产部件来取代现有部件，如车间使用的喷射喷嘴和磨砂轮，并将重新设计、生产系列轻型部件．图５所示为ＭＴＵ 公司网站上给出的增材制造的发动机部件．
图5 ＭＴＵ公司采用增材制造的部件
另外，增材制造技术的一个最好的应用领域是对部件损伤的修复，包括涡轮叶片、外壳、轴承和齿轮等，能够用于重建各种部件所损失的材料，并保持结构的完整性，如图６ 所示．Ｋｅｌｂａｓｓａ等回顾了增材制造技术用于高压压气机叶盘结构、高压涡轮导向器和叶片、高压涡轮衬套以及燃烧室旋流器等部件维修技术的研究．例如，采用增材制造技术，对ＢＲ７１５发动机的Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ和Ｔｉ－６２４６钛合金高压压气机前轮的阻尼线槽的槽壁局部翻新（图７），以及对镍基合金制成的高压涡轮机匣通过一层一层的镍基金属粉末沉积进行维修（图８），几乎完全避免了部件的变形；Ｏｐｔｏｍｅｃ Ｄｅｓｉｇｎ公司采用增材制造技术开展Ｔ７００发动机零件的磨损修复，如图９所示．普惠公司预测，未来车间的维护、修理和大修（ＭＲＯ）将通过增材制造技术来“打印”部件，将加速维修任务并降低库存量．
图6 采用增材制造技术修复的钛合金整体叶轮
图7 ＢＲ７１５发动机高压压气机前轮及阻尼线槽壁横截面
图8 BR715发动机高压涡轮机匣及其肋片维修部分
图9 维修的涡轮导向器叶片
３结 论
增材制造技术将材料科学、机械加工和智能技术集合为一体，是现代制造业的一个重要变革，真正意义上实现了数字化、智能化加工．由于增材制造技术具有加工柔性高、无需模具、工序少、加工周期短、可加工任意形状、尺寸适应性好、加工成本低且成形件物理化学性能优异等优点，而且钛合金、铬合金、镍基合金等航空发动机领域广泛使用的材料均适用于增材制造技术，因此，增材制造已经并将继续扩大在航空发动机领域的应用．
虽然金属增材制造仍然面临着表面质量、固定和支撑、国际标准、部件的适航取证等方面的挑战，但是随着金属增材制造技术的发展，未来通过增材制造可以直接制造力学性能优异的复杂结构金属零件，并通过组织和结构的一体化制造进一步提高精度和性能，同时向陶瓷零件的增材制造技术和复合材料的增材制造技术发展．
来源：航空动力学报
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