大型航空航天鋁合金承力構(gòu)件增材制造技術(shù)

張春杰 齊超琪 趙凱

摘要：金屬增材制造技術(shù)憑借其個(gè)性化定制能力和高質(zhì)量成形潛力，迅速發(fā)展成為影響航空航天設(shè)計(jì)與制造能力的一項(xiàng)關(guān)鍵先進(jìn)技術(shù)。在簡要總結(jié)金屬增材制造技術(shù)分類和原理的基礎(chǔ)上，闡述了高強(qiáng)鋁合金在激光增材、電弧增材、電子束增材、固相增材工藝下的形性調(diào)控與成形機(jī)理研究進(jìn)展，綜合歸納了鋁合金增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用，展望了大型鋁合金承力構(gòu)件在形性調(diào)控、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料體系、工藝數(shù)據(jù)庫、智能化增減材技術(shù)等方向的研究。

關(guān)鍵詞：增材制造;鋁合金;輕質(zhì)承力金屬構(gòu)件;形性調(diào)控;成形機(jī)理

0? ? 前言

隨著我國航空航天高精尖技術(shù)不斷革新，對輕質(zhì)化、高可靠、高性能結(jié)構(gòu)件的需求愈加迫切[1-3]。高強(qiáng)鋁合金憑借其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，逐漸成為運(yùn)載火箭、航空航天飛行器、深空探測等領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈殼段結(jié)構(gòu)、機(jī)翼大梁、火箭助推模塊尾段、月球車輪轂等承力結(jié)構(gòu)[4-6]。此外，隨著航空航天產(chǎn)品升級換代步伐的急劇加快，研制周期不斷縮短，傳統(tǒng)制造難以滿足低成本、高效率的制造要求和復(fù)雜化、輕質(zhì)化、整體化的結(jié)構(gòu)要求。

金屬增材制造作為先進(jìn)制造技術(shù)的代表，與傳統(tǒng)制造工藝相比，在成形原理、原料形態(tài)、制件性能等方面發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變，能夠在無需模具的情況下，通過逐層堆疊離散材料的方法實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜承力結(jié)構(gòu)件的一體化成形，從而減輕構(gòu)件質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，同時(shí)對設(shè)計(jì)創(chuàng)新、個(gè)性制造、控制成本有著強(qiáng)力支撐[7-8]。因此，高強(qiáng)鋁合金與增材制造技術(shù)的結(jié)合既能滿足航空航天輕質(zhì)化和高性能的應(yīng)用需求又能應(yīng)對高效、低成本的制造挑戰(zhàn)，在關(guān)鍵復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制備領(lǐng)域具有極大的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。然而，研究發(fā)現(xiàn)，鋁合金對激光束/電子束吸收率低、熱導(dǎo)率高、極易被氧化，極大限制了激光/電子束增材成形效率與結(jié)構(gòu)件性能[9];傳統(tǒng)電弧增材制造過程不穩(wěn)定，成形件精度較差[10]。受制于鋁合金材料與增材制造技術(shù)特性，高強(qiáng)鋁合金增材制造結(jié)構(gòu)件的制備面臨極大的挑戰(zhàn)。

文中針對高強(qiáng)鋁合金電弧增材、激光增材、電子束增材、固相增材四類典型增材制造技術(shù)，梳理了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與技術(shù)進(jìn)展，系統(tǒng)性總結(jié)了增材制造控形控性案例與方法，及高強(qiáng)鋁合金增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用，探討了高強(qiáng)鋁合金增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 金屬增材制造方法與適用性分析

金屬增材制造技術(shù)成形原理大致可分為熔化增材制造和固相增材制造[11]。熔化增材制造是由熱源作用于粉末或絲材，經(jīng)過微區(qū)快速熔化與凝固，從而獲得性能良好的成形件。根據(jù)熱源類型可以將熔化增材制造分為電弧增材[12]、激光增材[13-14]、電子束增材[15]和激光—電弧復(fù)合增材[16]。固相增材制造則是利用塑性成形和擴(kuò)散連接的原理，獲得完全致密的零件，有效避免了熱裂紋與孔隙問題[17]。目前發(fā)展比較成熟的固相增材制造工藝主要包括超聲增材[18]、攪拌摩擦增材[19]和新型固態(tài)增材（MELD）[20]。

1.1 電弧增材制造

以電弧為熱源的電弧增材制造技術(shù)（WAAM），其成形設(shè)備簡單且成本較低，材料利用率及成形過程的沉積效率較高，適合大尺寸構(gòu)件的快速成形加工[21-22];但堆積零件熱積累嚴(yán)重，邊緣形態(tài)與成形尺寸控制困難，直接影響零件的冶金結(jié)合強(qiáng)度、堆積尺寸精度和表面質(zhì)量[23]。該技術(shù)可以分為兩大類：熔化極電弧增材制造與非熔化極電弧增材制造。其中，熔化極電弧增材主要包括熔滴自由過渡的熔化極氣體保護(hù)（GMA）增材[24]和熔滴短路過渡的冷金屬過渡（CMT）增材[25];非熔化極電弧增材則包括利用鎢極與基體直接起弧的鎢極氣體保護(hù)（GTA）增材[26]和內(nèi)置維持電弧的等離子增材（PA）增材[27-28]，具體原理如圖1所示。

1.2 激光增材制造

以激光作為熱源的激光增材制造技術(shù)的主要優(yōu)勢在于加工柔性好、成形精度高、質(zhì)量好[29-31];但粉末增材效率較低、材料利用率低，且鋁合金具有激光吸收率低、熱導(dǎo)率高、氧化性強(qiáng)等特殊物理性質(zhì)，導(dǎo)致鋁合金激光增材成形質(zhì)量差[32-33]。根據(jù)材料狀態(tài)和送給方式的差異，該技術(shù)可分為基于同步送粉的激光熔化沉積技術(shù)[34]、基于同步送絲的激光送絲增材技術(shù)[35]和基于預(yù)置粉末的激光選區(qū)熔化技術(shù)[36]，如圖2所示。

1.3 激光—電弧復(fù)合增材制造

激光—電弧復(fù)合增材制造技術(shù)將激光與電弧兩種熱源進(jìn)行復(fù)合，共同作用于基體與絲材，實(shí)現(xiàn)金屬材料的堆疊成形[37]，具體原理如圖3所示。其中激光與電弧的復(fù)合不是邏輯上的疊加，兩者之間的交互作用促進(jìn)兩種熱源取長補(bǔ)短，激光作用基體表面產(chǎn)生的等離子體有助于穩(wěn)定電弧弧根，而電弧作用于熔融金屬表面有助于降低基材對激光的反射率[38-39]。基于上述作用機(jī)制，該技術(shù)具有增材過程穩(wěn)定、成形質(zhì)量好、成形效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1.4 電子束增材制造

以高能電子束作為熱源的電子束增材制造技術(shù)具有能量輸入大、成形質(zhì)量好、沉積效率高、真空環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，適合難熔材料的成形以及太空環(huán)境下復(fù)雜構(gòu)件的一體化制造[40-41];但真空環(huán)境維持難度系數(shù)高，因此成本消耗大，大尺寸結(jié)構(gòu)件成形受到限制，且鋁合金反射率高導(dǎo)致成形效率偏低。該技術(shù)可以分為兩類：一類是基于同步送絲的電子束熔絲增材制造[42];另一類是基于預(yù)鋪粉末的電子束選區(qū)熔化技術(shù)[43]，如圖4所示。綜上所述，熔化增材制造過程通常伴隨著材料的熔化和凝固，需要經(jīng)歷復(fù)雜的物理變化與化學(xué)變化，有利于得到性能優(yōu)化的結(jié)構(gòu)件，但也增加了成形件的結(jié)構(gòu)不可控性。由于鋁合金熱膨脹系數(shù)大，因此鋁合金熔化增材成形件變形較大，導(dǎo)致熔化增材在鋁合金上的應(yīng)用受到限制。

1.5 固相增材制造

與熔化增材原理不同，固相增材制造技術(shù)避免了金屬熔化的過程，采用特有的方式使待成形材料在固態(tài)或塑性狀態(tài)下直接連接成形。固相增材工藝不需要高溫環(huán)境，在保留了原材料機(jī)械性能的同時(shí)，幾乎不產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力與熱變形[45];該工藝屬于開放式操作，無需粉床或沉積腔體，便于制造超大型結(jié)構(gòu)件;材料適用范圍更廣，并能實(shí)現(xiàn)功能材料的制造與異種金屬間的連接。該技術(shù)包括以超聲波焊原理為基礎(chǔ)的超聲增材制造[46]和以攪拌摩擦焊接原理為基礎(chǔ)的攪拌摩擦增材（FSAM）[47]與新型固態(tài)增材（MELD）[48]，具體原理如圖5所示。

2 高強(qiáng)鋁合金增材制造工藝研究進(jìn)展

2.1 電弧增材制造

英國克蘭菲爾德大學(xué)Williams Stewart教授團(tuán)隊(duì)自2010年開始研究基于CMT工藝的鋁合金WAAM技術(shù)，涉及的高強(qiáng)鋁合金牌號包括2219和2024，系統(tǒng)地研究了熔滴過渡模式、層間軋制、雙絲增材對高強(qiáng)鋁合金WAAM成形件缺陷與性能的影響。該團(tuán)隊(duì)對比研究了4種典型熔滴過渡模式：CMT、CMT-P、CMT-ADV、CMT-PADV對2219鋁合金WAAM成形質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)CMT-PADV因具有熱輸入低、焊絲陰極清理效果好等優(yōu)點(diǎn)，成形件內(nèi)部氣孔最少，結(jié)果如圖6所示[49]。在此基礎(chǔ)上，成功制備了2219和2024鋁合金WAAM成形件，沉積態(tài)與熱處理態(tài)增材式樣與鍛件對比結(jié)果如表1所示[50]?？梢姡琖AAM試件T6熱處理后，力學(xué)性能均超過了同成分的鍛件T6態(tài)水平。

一般而言，增材過程中Zn元素的蒸發(fā)使得高Zn含量的7系鋁合金不適合熔化增材制造。但瑞典焊接學(xué)會Cavaco Silva教授團(tuán)隊(duì)[51]設(shè)計(jì)并制備了一種Al-Mg-Zn-Cu高強(qiáng)鋁合金WAAM成形件，對其組織和力學(xué)性能進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部無任何可見裂紋或熔合缺陷，機(jī)械性能優(yōu)于商用7xxx合金，并且沒有各向異性。盡管如此，該結(jié)構(gòu)內(nèi)部仍然存在微量氣孔，因此鋁合金成形件內(nèi)部氣孔是目前亟待解決的問題。為了解決上述問題，克蘭菲爾德大學(xué)聯(lián)合曼徹斯特大學(xué)[52]采用層間軋制工藝制備了2024鋁合金WAAM成形件，發(fā)現(xiàn)軋制后試樣具有細(xì)小均勻的晶粒結(jié)構(gòu)，并且裂紋和氣孔得到了極大的抑制，如圖7所示，熱處理后試樣的抗拉強(qiáng)度高達(dá)500 MPa。

近年來，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、大連理工大學(xué)等單位也陸續(xù)開展了高強(qiáng)鋁合金的WAAM技術(shù)研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)馮吉才教授團(tuán)隊(duì)[53-54]研究了基于TIG電弧增材制造的2219鋁合金組織及力學(xué)性能，認(rèn)為層間密集氣孔是導(dǎo)致力學(xué)性能各向異性的原因之一。此外，深入探究了沉積態(tài)2219鋁合金對熱處理工藝的適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)其熱處理優(yōu)化的關(guān)鍵因素在于以下兩點(diǎn)：第一，在接近共晶組織熔點(diǎn)的溫度下長時(shí)間保溫，實(shí)現(xiàn)共晶組織的溶解，并提升α-Al固溶體中的Cu元素濃度，為沉淀相析出提供充足的驅(qū)動力;第二，在時(shí)效溫度下保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，提供充分的擴(kuò)散條件，促進(jìn)沉淀相的形核與長大。最終得到的成形件抗拉強(qiáng)度高達(dá)418 MPa。在此基礎(chǔ)上，大連理工大學(xué)先進(jìn)連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)2219鋁合金TIG增材成形件內(nèi)部缺陷較多，因此試樣性能較差。該團(tuán)隊(duì)[55]采用激光-TIG復(fù)合增材工藝制備了性能優(yōu)異的2219鋁合金增材試樣，復(fù)合增材成形件內(nèi)部無明顯裂紋，晶粒更為細(xì)小，氣孔問題也得到了有效抑制。隨后華中科技大學(xué)史玉升教授團(tuán)隊(duì)[56]通過研究不同工藝參數(shù)下激光調(diào)控電弧的行為，證明激光可以壓縮電弧，使得電弧穩(wěn)定，而激光對電弧有調(diào)控作用。激光作用后，WAAM成形件穩(wěn)定性得到提高，并且構(gòu)件表面粗糙度值降低，如圖8所示。除此之外，北京航空航天大學(xué)齊鉑金教授團(tuán)隊(duì)[57]聯(lián)合克蘭菲爾德大學(xué)成功制備了基于雙絲WAAM增材技術(shù)的2024高強(qiáng)鋁合金成形件。在此基礎(chǔ)上，東北大學(xué)團(tuán)隊(duì)[58]發(fā)現(xiàn)在相同送絲速度下，由于雙絲電弧增材成形件的熱量輸入相對單絲電弧增材而言更便于控制，因此雙絲電弧增材成形件表面更均勻、氣孔更少、強(qiáng)度更高。

2.2 激光增材制造

鋁合金材料由于具有密度小、激光吸收率低、熱導(dǎo)率高、易氧化等特性，導(dǎo)致其難以進(jìn)行激光加工。從原材料角度看，鋁合金密度小導(dǎo)致粉末流動性差，因此LMD過程中粉末輸送困難，且SLM過程中粉層均勻性較差[59-61]，對送粉和鋪粉系統(tǒng)精度要求高[62];從熱源角度看，鋁合金對激光的吸收率很低，激光功率過低難以達(dá)到鋁合金粉體完全熔化的要求[63]，激光功率過高則高熱導(dǎo)率使能量迅速消耗，致使熔池黏度增加，不利于成形精度與質(zhì)量控制[64];從保護(hù)氛圍角度看，熔融鋁合金具有很強(qiáng)的親氧性，即便嚴(yán)格把控氧含量在1×10-5以下，也會與系統(tǒng)內(nèi)殘余的氧元素結(jié)合形成氧化膜，為缺陷形成提供有利條件[65]。

由于Al-Si系合金具有良好的鑄造性能與熱成形性能，因此在激光增材制造領(lǐng)域的研究較為集中[66]。但Al-Si系鋁合金激光增材制造結(jié)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度很難突破400 MPa極限，因此在高性能承力構(gòu)件的應(yīng)用上受到限制。為了獲得高強(qiáng)輕質(zhì)的航空航天結(jié)構(gòu)件，近年來2系與7系高強(qiáng)鋁合金激光增材制造受到廣泛關(guān)注，但Li和Zn元素沸點(diǎn)低，極易在高能激光束的作用下蒸發(fā)形成氣孔，直接影響結(jié)構(gòu)件的成分穩(wěn)定與力學(xué)性能。因此，目前關(guān)于高強(qiáng)鋁合金的激光增材技術(shù)主要聚焦于2024和2219這類可熱處理強(qiáng)化的Al-Cu合金，其中2024鋁合金強(qiáng)度更高而2219鋁合金塑性較好。2014年，Konrad[67]等發(fā)現(xiàn)了一種具有巨大潛力的Al-Cu/Al-Zn合金粉末，研究表明該粉末顆粒尺寸均值較為穩(wěn)定，并且在激光熔覆層內(nèi)未發(fā)現(xiàn)氧化層，解決了鋁基合金易被氧化的困擾。雖然該項(xiàng)研究只涉及單道熔覆層，并未打印出成形件，但在高強(qiáng)鋁合金激光增材制造領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)程中，起到了至關(guān)重要的作用。在此基礎(chǔ)上，華中科技大學(xué)曾曉雁教授團(tuán)隊(duì)[68-69]采用SLM技術(shù)制備了2024鋁合金成形件。在細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制和固溶強(qiáng)化機(jī)制的協(xié)同作用下，試件抗拉強(qiáng)度可達(dá)401 MPa。并且在T4熱處理后，試樣抗拉強(qiáng)度提升至532 MPa，甚至超過2024-T4鍛件水平（470 MPa）。研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控SLM工藝參數(shù)能夠大幅度削弱成形件性能的各向異性，減少裂紋與缺陷，提高結(jié)構(gòu)的致密度。除此之外，德國漢堡工業(yè)大學(xué)的Kaufmann[70]等發(fā)現(xiàn)采用預(yù)熱和重熔的方式也能達(dá)到減少成形缺陷，并增大高強(qiáng)鋁合金SLM成形件致密度的效果。

采用上述方法雖然能優(yōu)化成形件質(zhì)量，但并不能徹底消除缺陷，這在很大程度上取決于該類高強(qiáng)鋁合金的物性參數(shù)與激光增材制造的適配性，因此需要對其成分與相變進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)控。2016年，馬克斯-普朗克研究所的Eric A[71]等人制備了摻Sc鋁合金SLM成形件，發(fā)現(xiàn)Al3Sc金屬間化合物具有明顯的細(xì)晶強(qiáng)化作用，對成形結(jié)構(gòu)的微觀組織有較好的調(diào)控效果。隨后，荷蘭增材制造中心的Spierings等人發(fā)現(xiàn)在Al-Sc系鋁合金內(nèi)部加入Zr元素，有望使鋁合金激光增材成形件的力學(xué)性能取得突破性的進(jìn)展，并在后續(xù)Al-Mg-Sc-Zr合金SLM工藝的相關(guān)探索中被證實(shí)[72-73]。華中科技大學(xué)[74-75]就該方向進(jìn)行了深入研究，對比分析了添加/無添加Zr元素的2024合金SLM成形件組織與性能。研究表明，Zr元素的添加擴(kuò)大了工藝參數(shù)窗口，并且促進(jìn)了晶粒類型從柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變。Al3Zr和ZrO顆粒引起的晶粒細(xì)化效果可控制并消除SLM工藝過程中的熱裂紋現(xiàn)象，如圖9所示，獲得性能良好的成形件：超細(xì)晶粒的Zr改性高強(qiáng)鋁合金成形件具有更高的屈服強(qiáng)度（446 MPa）和極限拉伸強(qiáng)度（493.3 MPa），這一發(fā)現(xiàn)為SLM的創(chuàng)新合金設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，中南大學(xué)[76]設(shè)計(jì)了一系列Al-Mg（-Si）-Sc-Zr合金。研究發(fā)現(xiàn)在沒有Si元素的情況下，該合金在成形過程中極易產(chǎn)生熱裂紋，且平均裂紋密度隨Mg含量的增加而增大，而Si元素能夠有效地抑制SLM過程中的熱裂紋，同時(shí)細(xì)化成形件的微觀組織，如圖10所示。最終設(shè)計(jì)了一種低熱裂敏感性和高強(qiáng)度的新型合金Al-Mg-Si-Mn-Sc-Zr合金，結(jié)果表明該合金成形件內(nèi)部晶粒細(xì)化明顯，由共晶Al3（Sc，Zr）納米粒子形成的高密度層錯(cuò)可顯著提升成形件的綜合力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到497 MPa和11%。經(jīng)過時(shí)效處理后，試樣的拉伸強(qiáng)度達(dá)到550 MPa，塑性在8%～17%之間）。

從原材料角度出發(fā)，通過設(shè)計(jì)合金元素能夠降低成形件的熱裂紋敏感性并強(qiáng)化其力學(xué)性能;從成形角度出發(fā)，通過優(yōu)化工藝也能達(dá)到改善結(jié)構(gòu)性能的目的。大連理工大學(xué)吳東江等[55]采用激光-TIG復(fù)合增材制造工藝制備了2219成形件，試樣屈服強(qiáng)度為155.5±7.9 MPa，抗拉強(qiáng)度為301.5±16.7 MPa，延伸率為12.8±2.8%，高于TIG、CMT和SLM成形件，具體對比如表2所示。雖然激光-TIG復(fù)合增材制造成形件的性能與成形效率得到了較大提升，但是依然與目標(biāo)性能差距較大，這主要受制于成形件內(nèi)部缺陷。由于激光—電弧熱輸入較大，合金內(nèi)部存在的輕質(zhì)元素Mg極易蒸發(fā)形成孔洞，影響試樣力學(xué)性能，因此高強(qiáng)鋁合金增材制造結(jié)構(gòu)件的缺陷控制，尤其是消除氣孔缺陷依舊是提升構(gòu)件性能的主要手段。此外，如何解決成形件內(nèi)部的各向異性一直是增材制造結(jié)構(gòu)件性能優(yōu)化的一大難題。

2.3 電子束增材制造

美國航天局蘭利研究中心最早開展鋁合金電子束增材制造技術(shù)的相關(guān)研究[80]。2002年，該機(jī)構(gòu)的Taminger等人[81-84]定性研究了工藝參數(shù)（電子束流、送絲速度、移動速度、加速電壓）對2219電子束增材成形件組織與性能的影響規(guī)律。初步得到了熔池尺寸、熱影響區(qū)深度、層間條帶、晶粒度的調(diào)控方法，并試制了鋁合金電子束熔絲增材成形件，熱處理后試件強(qiáng)度約為420 MPa，延伸率約為11%。在此研究基礎(chǔ)上，為了探索空間金屬增材制造領(lǐng)域，NASA對微重力狀態(tài)下的鋁合金電子束熔絲沉積技術(shù)進(jìn)行了初步研究。在微重力狀態(tài)下，受表面張力影響的熔滴附著在焊絲的端部，當(dāng)熔滴與熔池接觸時(shí)，受潤濕力與表面張力的協(xié)同作用順利過渡到熔池內(nèi)部。在此過程中，隨著沉積層數(shù)的不斷增多，熱量傳輸逐漸被限制，因此熔池高溫持續(xù)時(shí)間長，冷卻速度慢[85]。

NASA研究中心[86]采用電子束熔絲增材制造工藝制備了2139鋁合金成形件，并對其內(nèi)部Al2Cu沉淀相進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，Mg元素是Al2Cu相生成的必要元素，但高能電子束極易造成Mg元素蒸發(fā)，嚴(yán)重降低了增材結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能。為了解決該問題，該團(tuán)隊(duì)在鋁合金焊絲中添加了適量的Mg，以彌補(bǔ)2139電子束增材制造過程中的Mg元素?fù)p失，如表3所示，獲得了與基體相近數(shù)量的沉淀相，最終得到沉淀強(qiáng)化型2139鋁合金。結(jié)果表明，固溶時(shí)效處理后的增材結(jié)構(gòu)件峰值硬度基本達(dá)到了T8態(tài)2139鋁合金鍛件的水平。

此外，Brice根據(jù)二次枝晶臂間距數(shù)據(jù)計(jì)算出電子束熔絲增材制造2219鋁合金熔池的冷卻速度，以此推演冷卻速度的影響因素及其對增材制造過程的影響，發(fā)現(xiàn)基板初始溫度/前層溫度對二次枝晶臂間距有明顯影響。中國科學(xué)院于菁[87-88]等采用電子束熔絲增材制造技術(shù)制備了無宏觀缺陷的2219鋁合金成形件，重點(diǎn)關(guān)注物相形成機(jī)理以及熱處理前后成形件性能差異原理。研究發(fā)現(xiàn)，成形件內(nèi)部有成分偏析形成的粗大未熔相和冷卻速度過快形成的層間孔洞，直接影響構(gòu)件性能;T6處理后未熔相發(fā)生熔化，峰值抗拉強(qiáng)度達(dá)到495 MPa，塑性也得到了提高。盡管如此，如何消滅層間孔洞與元素氣化形成的氣孔依然是目前高強(qiáng)鋁合金電子束增材制造亟待解決的難題。

2.4 固相增材制造

固相增材制造技術(shù)不涉及材料的熔化和凝固，直接在固態(tài)或塑性狀態(tài)下連接成型，避免了熔化增材成形件易形成缺陷的弊端，在鋁合金等輕合金增材制造領(lǐng)域受到高度重視。相較而言，攪拌摩擦增材制造的相關(guān)研究更為深入[89]。1991年，英國焊接研究所[90]申請了使用攪拌摩擦技術(shù)進(jìn)行固相焊接的專利;2002年，美國學(xué)者White申請了基于攪拌摩擦技術(shù)的增材制造相關(guān)專利;2006年，空客制備了攪拌摩擦增材成形件，真正意義上實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦增材制造;隨后波音和空客公司先后宣布引進(jìn)攪拌摩擦技術(shù)達(dá)到高效省材的目的，在此基礎(chǔ)上，攪拌摩擦增材制造得到了飛速發(fā)展。在研究層面上，美國北德克薩斯州大學(xué)的Mishra教授團(tuán)隊(duì)[91-93]在美國國家科學(xué)基金、美國海軍研究辦公室和國防高級研究計(jì)劃局的支持下，對攪拌摩擦處理和攪拌摩擦增材進(jìn)行了長達(dá)十余年的研究，發(fā)現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶過程使輕合金材料具有更好的強(qiáng)度與延展性等機(jī)械性能，深入探討了輕合金摩擦增材制造成形件的機(jī)械性能強(qiáng)化機(jī)理。

2016年，Michael等人[94]采用攪拌摩擦增材技術(shù)制備了7055高強(qiáng)鋁合金成形件，并通過機(jī)械性能測試驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)對改善成形件性能有重要影響。在國內(nèi)，上海航天設(shè)備制造總廠有限公司已經(jīng)成功將攪拌摩擦技術(shù)應(yīng)用于2A14和2219等航空鋁合金材料，為攪拌摩擦技術(shù)在高強(qiáng)鋁合金上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。2016年，西北工業(yè)大學(xué)的Mao Yuqing[95]引入了靜軸肩攪拌摩擦增材的概念，成功制備了7075-O態(tài)高強(qiáng)鋁合金增材成形件，探究了成形過程中的金屬流動機(jī)理（見圖11），并發(fā)現(xiàn)其組織和力學(xué)性能在豎直方向上存在明顯差異。與FSAM相比，靜軸肩FSAM技術(shù)避免了軸肩影響區(qū)的存在，能夠?qū)崿F(xiàn)近凈成形。除了上述厚度方向上的成形組織與力學(xué)性能研究之外，水平方向上多道搭接性能也受到廣泛關(guān)注。北京理工大學(xué)馬樹元教授團(tuán)隊(duì)[96]對2024-O態(tài)鋁合金攪拌摩擦增材成形機(jī)理進(jìn)行了分析，重點(diǎn)研究了試件不同方向上的力學(xué)性能差異以及該差異的形成原因，實(shí)現(xiàn)了多層多道無缺陷攪拌摩擦成形。

在此基礎(chǔ)上，南昌航空大學(xué)邢麗教授團(tuán)隊(duì)[97]采用靜軸肩攪拌摩擦增材技術(shù)制備了2024高強(qiáng)鋁合金成形件，通過對組織與物相進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)增材組織為再結(jié)晶的細(xì)小等軸晶，晶粒尺寸由底部向頂部逐漸減小，增材中的第二相發(fā)生重溶，含量較基材明顯減少，且第二相含量由底部向頂部逐漸增多，組織演變示意如圖12所示，進(jìn)一步對比分析了熱處理前后性能差異。雖然攪拌摩擦增材避免了熔化與凝固過程，極大地控制了成形件內(nèi)部缺陷，但是增材工藝不當(dāng)導(dǎo)致的界面缺陷仍然是目前亟待研究的問題。天津大學(xué)楊新岐教授團(tuán)隊(duì)[98]發(fā)現(xiàn)增材前進(jìn)側(cè)界面形成致密無缺陷的冶金連接，而后退側(cè)界面材料混合不充分，鉤狀缺陷易伸入焊核區(qū)，導(dǎo)致弱連接缺陷萌生。而相鄰兩層焊接方向相反的增材工藝可以使兩側(cè)鉤狀缺陷向焊核區(qū)外側(cè)彎曲，弱連接缺陷得到改善。此外，攪拌工具的形狀對增材缺陷與性能也有重要影響。

超聲增材是由超聲焊接技術(shù)發(fā)展而來的一類固相增材制造技術(shù)，利用超聲波的振動能量使金屬層間產(chǎn)生摩擦，形成分子間的融合。美國研發(fā)出了世界上第一臺利用超聲波能量成形的增材制造裝備，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)更新至第3代超聲波增材制造設(shè)備[99]。在此期間，Dehoff R R[100]等發(fā)現(xiàn)在超聲波增材過程中使鋁合金產(chǎn)生動態(tài)再結(jié)晶過程的變形，通過使用納米顆粒材料作為夾層材料，觀察到納米顆粒在界面處分散發(fā)生熔化，形成增強(qiáng)相。Shimizu S[101]等研究了鋁合金超聲波增材制造接觸表面的微觀組織和物相分布，發(fā)現(xiàn)鋁合金表面氧化層是由超聲波產(chǎn)生的振動從界面中擠出，新生的接觸表面未發(fā)現(xiàn)被氧化。在此基礎(chǔ)上，Gussev M N[102]等研究了超聲波增材制造鋁合金退火后性能，發(fā)現(xiàn)退火使超聲振動的結(jié)合面處晶粒重新生長，得到的組織性能更加均勻。而國內(nèi)由于受到超聲波換能器功率的限制，對超聲增材制造的研究受限比較嚴(yán)重，主要還集中于使用超聲震動作為一種輔助技術(shù)，輔助其他增材制造技術(shù)起到細(xì)化晶粒、提高性能的作用。

3 航空航天鋁合金增材應(yīng)用研究

增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件的材料—結(jié)構(gòu)一體化凈成形，為航空航天結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造提供了新的工藝技術(shù)途徑。全球權(quán)威增材制造發(fā)展報(bào)告“ Wohlers Report ”指出[103]，增材制造已發(fā)展成為提升航空航天設(shè)計(jì)與制造能力的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，其應(yīng)用范圍已從零部件級（飛機(jī)、衛(wèi)星、高超飛行器、載人飛船的零部件打印）發(fā)展至整機(jī)級（發(fā)動機(jī)、無人機(jī)、微/納衛(wèi)星、運(yùn)載火箭整機(jī)打印）。其中以鋁為代表的輕質(zhì)高強(qiáng)合金是國際新材料研發(fā)計(jì)劃中重點(diǎn)發(fā)展材料之一，也是增材制造中重要的應(yīng)用材料[104]。開展航空航天典型鋁合金構(gòu)件增材制造應(yīng)用研究，既體現(xiàn)了選材上輕量化、高性能的發(fā)展方向，又凸顯了增材制造技術(shù)本身復(fù)雜化、凈成形的發(fā)展趨勢，可以實(shí)現(xiàn)材料—結(jié)構(gòu)—性能一體化增材制造在航空航天上的重大工程應(yīng)用。

英國克蘭菲爾德（Cranfield）大學(xué)自2007年開展WAAM技術(shù)研究至今，并于2016年采用電弧增材制造技術(shù)制造了一個(gè)長6 m，重300 kg的航空級鋁合金雙面翼梁，是當(dāng)時(shí)使用增材制造技術(shù)制作的幾何尺寸最大的金屬制品[105]。該團(tuán)隊(duì)研究表明電弧增材制造技術(shù)比傳統(tǒng)機(jī)加工方法節(jié)省費(fèi)用達(dá)70%，將交貨時(shí)間從一年以上縮短到幾個(gè)星期，并且WAAM結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能比相同成分鍛造合金更優(yōu)。在此基礎(chǔ)上，克蘭菲爾德大學(xué)開展了大量的鋁合金WAAM技術(shù)應(yīng)用研究，試制了諸多鋁合金零件（見圖13），處于國際領(lǐng)先水平[106]。

2018年，空客旗下Stelia航宇公司采用WAAM技術(shù)創(chuàng)造了世界首個(gè)自加強(qiáng)壁板，如圖14所示。摒棄了以往手動緊固或焊接加筋結(jié)構(gòu)的方法，通過拓?fù)鋬?yōu)化，直接將加筋鋁絲沉積到壁板的內(nèi)表面，不僅避免了銜接薄弱缺陷，同時(shí)減少了零部件數(shù)量，從而創(chuàng)造出更穩(wěn)定的機(jī)身結(jié)構(gòu)，為飛機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用驗(yàn)證提供了重要的技術(shù)支撐。

2020年4月，MELD Manufacturing Corporation公司采用其專有的MELD技術(shù)制備了直徑達(dá)1.4 m的鋁合金部件，如圖15所示。并于2020年8月完成了直徑為3.05 m的圓環(huán)狀鋁制結(jié)構(gòu)的制備。MELD工藝屬于固相增材制造技術(shù)，其生產(chǎn)出的結(jié)構(gòu)件具有低殘余應(yīng)力、高密度、高性能、低缺陷的優(yōu)點(diǎn)，適用于大型結(jié)構(gòu)增材制造、表面涂層制備、結(jié)構(gòu)件修復(fù)等，但是MELD增材成形件普遍壁厚過大，不利于成形薄壁結(jié)構(gòu)。

與此同時(shí)，國內(nèi)增材制造相關(guān)研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)也一直致力于鋁合金典型結(jié)構(gòu)件的制備。近年來，針對航天領(lǐng)域的鋁合金支座、艙段、框梁、網(wǎng)格等典型結(jié)構(gòu)，首都航天機(jī)械有限公司、北京航星機(jī)器制造公司、華中科技大學(xué)等單位分別開展了應(yīng)用試制（見圖16），目前均處在探索研究階段[107]。

4 展望

增材制造技術(shù)是成形大型高強(qiáng)鋁合金構(gòu)件的有效途徑。文中在簡要闡述鋁合金增材制造技術(shù)原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)性地梳理了高強(qiáng)鋁合金增材制造工藝的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與技術(shù)進(jìn)展，并對鋁合金增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用進(jìn)行了綜合歸納。大型高強(qiáng)鋁合金增材制造技術(shù)未來的研究與發(fā)展，仍需重點(diǎn)開展以下幾個(gè)方面研究：

（1）以形性可控為驅(qū)動的高強(qiáng)鋁合金增材制造基礎(chǔ)研究。

高強(qiáng)鋁合金中存在的Zn、Li、Mg等元素屬于低沸點(diǎn)元素，極易在熔化增材過程中蒸發(fā)形成氣孔缺陷與元素?zé)龘p，影響結(jié)構(gòu)件性能。雖然添加易燒損元素能夠解決元素蒸發(fā)造成的性能下降問題，但元素蒸發(fā)形成的氣孔缺陷依然存在。目前采用軋制的方法能大幅度減少構(gòu)件內(nèi)部氣孔量，但該方法處于試驗(yàn)階段，過程繁瑣，不適用于成形復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件，且尺寸精度難以把控。從基礎(chǔ)理論研究的角度看，需要對氣孔形成與逃逸機(jī)理進(jìn)行深入研究，進(jìn)而通過開發(fā)新型或優(yōu)化現(xiàn)有熱源—工藝—成分的方法抑制結(jié)構(gòu)件內(nèi)部氣孔形成或促進(jìn)氣孔逃逸。另外，鋁合金對激光的吸收率低，過低的功率會導(dǎo)致未熔合缺陷，過高的功率則會降低成形精度與質(zhì)量。因此需要對激光與鋁合金的作用機(jī)理進(jìn)行研究，通過引入輔助手段、優(yōu)化激光熱源、改善原材料的方法，降低鋁合金對激光的反射率，提高構(gòu)件性能。固相增材技術(shù)雖然能夠有效解決熔化增材制造件內(nèi)部的缺陷問題，得到性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)件，但攪拌摩擦增材和超聲增材難以實(shí)現(xiàn)凈成形，而MELD成形過程由于壓緊力較大，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)與薄壁結(jié)構(gòu)的直接成形，有待于進(jìn)一步的技術(shù)突破達(dá)到控制成形精度的目的。

（2）以服役需求為靶向的鋁合金增材制造創(chuàng)新結(jié)構(gòu)—原/增強(qiáng)材料—適配工藝設(shè)計(jì)。

隨著服役條件日趨嚴(yán)苛，航空航天鋁合金構(gòu)件面臨著快批產(chǎn)、高效率、低成本的制造挑戰(zhàn)，增材制造成為提升航空航天設(shè)計(jì)與制造能力的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。增材制造技術(shù)利用逐層堆積的原理，能夠?qū)崿F(xiàn)任意復(fù)雜構(gòu)件成形與多材料一體化制造，突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)對結(jié)構(gòu)尺寸、復(fù)雜程度、成形材料的限制，為功能化構(gòu)件的制造提供了變革性的技術(shù)途徑。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面來看，借助增材制造復(fù)雜構(gòu)件與一體化成形能力，設(shè)計(jì)復(fù)雜拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、超大型整體結(jié)構(gòu)、仿生化功能結(jié)構(gòu)等面向服役需求的高效能結(jié)構(gòu)件，可為輕量化—功能化—一體化結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支撐。從材料體系方面來看，目前需要建立完善的增材制造專用鋁合金材料體系，基于服役性能與加工性能對增材專用鋁合金材料與表面增強(qiáng)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立材料成分與構(gòu)件性能之間的關(guān)系，旨在于根據(jù)結(jié)構(gòu)件目標(biāo)性能，設(shè)計(jì)或選出滿足要求的材料成分。從工藝調(diào)控方面來看，成形工藝與前后處理工藝都會對成形件性能產(chǎn)生影響，因此需要建立鋁合金增材工藝/前后處理工藝與結(jié)構(gòu)性能/缺陷之間的數(shù)據(jù)庫，為工藝規(guī)劃和產(chǎn)品研發(fā)提供數(shù)據(jù)支持，這對于主動實(shí)現(xiàn)航空航天結(jié)構(gòu)件的多功能化具有重要意義?；谇笆鼋Y(jié)構(gòu)—材料—工藝的研究，最終建立基于靶向服役需求的“ 結(jié)構(gòu)—材料—工藝 ”參數(shù)反推模型，主動實(shí)現(xiàn)由功能需求驅(qū)動的鋁合金增材制造材料—結(jié)構(gòu)—工藝一體化設(shè)計(jì)。

（3）面向快批產(chǎn)-高質(zhì)量航空航天結(jié)構(gòu)件的智能化鋁合金增減材復(fù)合制造技術(shù)。

增材制造技術(shù)雖然能加工任意形狀—尺寸的結(jié)構(gòu)件，但是其加工精度無法滿足應(yīng)用需求，而增減材復(fù)合制造技術(shù)將增材過程與減材過程進(jìn)行有機(jī)集成，避免了構(gòu)件在多加工平臺上夾持與取放帶來的誤差積累與時(shí)間消耗，能大幅度提高制造精度與生產(chǎn)效率。由于現(xiàn)有的軟件系統(tǒng)一般是基于快速成型制造改進(jìn)或集成的，無法發(fā)揮復(fù)合制造的優(yōu)勢，需要致力于開發(fā)針對復(fù)合制造的軟件系統(tǒng)，將模型設(shè)計(jì)—離散分層—路徑規(guī)劃與精細(xì)加工的過程進(jìn)行系統(tǒng)性的融合。此外，需進(jìn)一步開發(fā)復(fù)合制造設(shè)備的集成化檢測技術(shù)與智能化控制系統(tǒng)。為了保證制造過程中的成形質(zhì)量與穩(wěn)定性，需要開發(fā)集光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)于一體的制造過程監(jiān)控體系，將被采集的信號實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng);將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)—模擬數(shù)據(jù)—測試數(shù)據(jù)提煉成數(shù)據(jù)集，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等智能機(jī)器算法等預(yù)測最佳參數(shù)，為成形質(zhì)量、成形效率與成形風(fēng)險(xiǎn)提供判斷依據(jù);建立加工參數(shù)、過程監(jiān)控、成形指標(biāo)的評判標(biāo)準(zhǔn)，為鋁合金增減材制造工藝優(yōu)化、質(zhì)量保障、制造過程調(diào)控提供預(yù)判方法與現(xiàn)場技術(shù)支撐。

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