李志強(qiáng)，陳瑋,*

1. 中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024 2. 高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024

激光/電子束可在遠(yuǎn)離平衡態(tài)條件下控制或改變材料的物態(tài)和性質(zhì)，用于材料的連接、生長和改性，從而制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，形成特定的功能，實(shí)現(xiàn)零件的控形控性。在航空制造領(lǐng)域，以激光/電子束為代表的高能束流加工廣泛應(yīng)用于焊接、增材制造、表面改性，既可滿足武器裝備中大型結(jié)構(gòu)的整體化制造需求，還可解決具有復(fù)雜型面或微小尺寸零件的制造難題，推動(dòng)了先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能與效率的大幅提升。

1 高能束流焊接技術(shù)應(yīng)用

高能束流焊接在提高材料利用率，減輕金屬結(jié)構(gòu)重量、降低成本方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這使得以激光/電子束為熱源的先進(jìn)焊接技術(shù)成為航空整體結(jié)構(gòu)連接制造的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)展。

1.1 激光焊接技術(shù)

圖1 激光焊接原理Fig.1 Laser welding mechanism

激光焊接是以聚焦后具有高能量密度的激光束(10～10W/cm)為熱源實(shí)現(xiàn)材料熔化與連接的技術(shù)。激光焊接過程以具有“匙孔效應(yīng)”的深熔焊模式形成焊縫，主要應(yīng)用于1～5 mm厚度材料的焊接(圖1)。激光能量密度高、焊接速度快，焊接過程易于實(shí)現(xiàn)集成化、自動(dòng)化及柔性化。因此，激光焊接成為航空飛行器大尺寸薄壁機(jī)身結(jié)構(gòu)件連接的優(yōu)選方案，主要針對(duì)材料為鋁合金與鈦合金。2000年以后，隨著高功率光纖激光器的快速發(fā)展，光纖激光焊接在高端制造領(lǐng)域逐漸成為主流。為了適應(yīng)新材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體化制造，激光填絲焊、激光擺動(dòng)焊、激光電弧復(fù)合焊、雙光束激光焊等新型技術(shù)快速發(fā)展，相應(yīng)的激光焊接焊縫跟蹤、在線質(zhì)量檢測(cè)、焊接接頭力學(xué)行為和結(jié)構(gòu)完整性等方面也有了顯著進(jìn)步。

高強(qiáng)鋁合金、鋁鋰合金等新材料發(fā)展有力的推動(dòng)了激光焊接的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究?？湛凸疽褜⒓す夂附雍碗p光束激光焊接應(yīng)用于鋁合金及鋁鋰合金的焊接，包括A380與A350系列飛機(jī)的壁板類結(jié)構(gòu)(圖2)。采用激光將機(jī)身蒙皮(6013 T6鋁合金)與筋條(6013 T6511)焊接成為整體壁板，為進(jìn)一步減少飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量奠定了基礎(chǔ)。此外，激光焊接金屬夾層板在導(dǎo)彈艙體、大型飛機(jī)壁板制造中也開始大量應(yīng)用，與傳統(tǒng)實(shí)心結(jié)構(gòu)件相比，可使重量減輕50%以上，所需空間減少2/3。飛機(jī)機(jī)身鈦合金帶筋壁板在由鉚接成形改為激光焊接后，減重達(dá)到15%，制造成本降低20%。在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方面，美國普惠公司完成渦輪葉片所需部件的自動(dòng)激光焊接，如JT9D和FLO的二級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子葉片以及V2500、PW4000等發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)匣、燃燒室等。美國GE公司也已成功實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片組件的激光焊接，解決了鎳基合金零件激光焊接的變形與裂紋等問題。

圖2 鋁合金與鋁鋰合金飛機(jī)壁板的激光焊接[5]Fig.2 Laser welding of aluminum alloy and aluminum-lithium alloy panels[5]

激光焊接過程中，熔池“匙孔”的穩(wěn)定存在是影響焊接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵因素，它受到激光功率、焦點(diǎn)位置、裝配間隙、焊接速度等工藝參數(shù)的影響。鋁合金反射率高、導(dǎo)熱率高、易蒸發(fā)，而鈦合金流動(dòng)性差、表面張力大、氧氮親和力高，其激光焊接過程的復(fù)雜性與不穩(wěn)定性相比于鋼材料大幅增加。在工程應(yīng)用中，激光焊接結(jié)構(gòu)通常具有復(fù)雜形貌，焊縫長度可達(dá)數(shù)米，待焊區(qū)域的拼接狀態(tài)與焊接過程中引起的熱變形等工況必然會(huì)影響焊接過程的穩(wěn)定性。

近年來，激光復(fù)合焊接技術(shù)成為大型復(fù)雜鈦合金、鋁合金及高強(qiáng)鋼零/組件制造的方案之一。目前，高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣已普遍采用了化銑結(jié)構(gòu)，焊接接頭厚度進(jìn)一步增加，而激光-MIG復(fù)合焊工藝以其熱源集中的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)大深寬比結(jié)構(gòu)的焊接，體現(xiàn)出其工藝優(yōu)勢(shì)。歐美等國已廣泛采用機(jī)器人激光-復(fù)合熱源焊實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈艙段、火箭燃料儲(chǔ)箱等結(jié)構(gòu)的智能焊接，具有起點(diǎn)檢出、電弧和激光跟蹤、智能離線編程與規(guī)劃等功能。此外，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)也迅速發(fā)展，EADS、德國Precitec公司、加拿大ServoRobot公司已建立激光焊接前、焊接過程中、焊接后的一體化質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，其中EADS開發(fā)的Falldorf焊接質(zhì)量檢測(cè)平臺(tái)，已成功應(yīng)用于空客飛機(jī)機(jī)身整體壁板的焊縫質(zhì)量檢測(cè)。

1.2 電子束焊接技術(shù)

電子束焊接是利用電子槍中陰極產(chǎn)生的電子在加速電場(chǎng)的作用下，經(jīng)過電磁透鏡聚焦形成高速電子束流(可達(dá)到光速的30%～70%)轟擊工件，使被焊金屬熔合的一種焊接方法(圖3(a))。電子束焊接通常在真空中進(jìn)行，因此焊縫的化學(xué)成分純凈，焊縫質(zhì)量好。此外，電子束的能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)到90%以上，遠(yuǎn)高于激光，因而穿透深度大、焊縫深寬比高、零件的焊接變形小(圖3(b))。電子束焊接工藝參數(shù)包括加速電壓、束流強(qiáng)度、焦點(diǎn)位置、焊接速度、工作距離等，對(duì)焊接質(zhì)量的影響至關(guān)重要。焊接束流強(qiáng)度、焊接速度主要控制熱輸入，焦點(diǎn)位置可控制熔深，恰當(dāng)選擇參數(shù)是保證焊縫成形良好的前提。

圖3 電子束焊接Fig.3 Electron beam welding

電子束焊接在大厚度結(jié)構(gòu)(可達(dá)150 mm)焊接方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是飛機(jī)主、次承力結(jié)構(gòu)件與航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體化制造必不可少的技術(shù)之一，主要用于鈦合金、鎳基高溫合金、鋼等結(jié)構(gòu)材料。

在機(jī)身結(jié)構(gòu)制造方面，F(xiàn)-22飛機(jī)鈦合金后機(jī)身大量采用電子束焊接。先由3～4個(gè)片段縱向焊接組成盒狀段，再由盒段焊接成框，最后焊接為整體艙段(圖4(a))，鈦合金焊縫總長度約9 m，焊縫深度2～57.4 mm，重量相比于機(jī)械連接減少182 kg。美洲虎(Jaguar)攻擊機(jī)的攔阻鉤、伊爾76等運(yùn)輸機(jī)起落架套筒、旋轉(zhuǎn)軸、連桿以及大型客機(jī)A340、A500、A600、A380等發(fā)動(dòng)機(jī)吊架不銹鋼及鈦合金結(jié)構(gòu)也采用了電子束焊接技術(shù)。例如，波音采用Ti-1023鈦合金電子束焊接結(jié)構(gòu)替代4340M鋼來制造起落架，實(shí)現(xiàn)減重270 kg。在16Co14Ni10Cr2Mo高強(qiáng)鋼安裝梁以及30CrMnSiNi2A鋼滑軌零件的制造中，通過工藝優(yōu)化成功實(shí)現(xiàn)電子束焊接冷卻過程控制，解決了變形及熔合線裂紋問題，實(shí)現(xiàn)了在中國新一代大型飛機(jī)中的應(yīng)用。

圖4 電子束焊接結(jié)構(gòu)[13]Fig.4 EBW structures[13]

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的制造中，電子束焊接技術(shù)也被廣泛應(yīng)用，如Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的輪盤、鼓筒及后軸均采用了IMI834鈦合金的焊接結(jié)構(gòu)。其中，BR725發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)前6級(jí)鈦合金整體葉盤通過電子束焊接形成整體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(圖4(b))，獲得高效穩(wěn)定的壓縮效果，大幅減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。德國PTR公司聯(lián)合SST公司開展了電子束快速掃描系統(tǒng)及設(shè)備研發(fā)，應(yīng)用于Trent XWB、GEnx、Trent 1000等新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的電子束焊接制造中。英國研制的IMI829合金用于RB211-535E4發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)，其中后3級(jí)盤、鼓筒及后軸用電子束焊接為一體，取代了RB211-535C上的鎳基合金材料，使轉(zhuǎn)子重量減輕30%。此外，CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、燃燒室等部件均采用了電子束焊接技術(shù)。電子束也用于渦輪盤、燃燒室機(jī)匣等零件的焊接，例如RB199發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪。

在電子束焊接技術(shù)的前沿領(lǐng)域，英國TWI、德國Probeam公司、德國漢諾威大學(xué)、亞琛工業(yè)大學(xué)在低真空、局部真空電子束焊接技術(shù)方面開展了大量工作。在微束電子束焊接方面，德國SST公司通過改進(jìn)電磁聚焦實(shí)現(xiàn)了高精密尺寸零件的焊接，亞琛工業(yè)大學(xué)通過微型電子束焊機(jī)實(shí)現(xiàn)了幾十至幾百微米級(jí)尺寸絲材及箔材零件的對(duì)接和搭接。在日本，加速電壓600 kV、300 kW功率的超高壓電子束焊接設(shè)備已研制成功，可實(shí)現(xiàn)200 mm不銹鋼的焊接，焊縫深寬比70∶1。脈沖電子束焊接技術(shù)也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，在同等輸出功率下其焊縫深度相比連續(xù)電子束增加50%，可獲得深寬比更大的焊縫。不僅如此，脈沖束流還提高了熔池冷卻速率，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。此外，非真空電子束焊接、電子束焊/釬焊復(fù)合焊接技術(shù)、嵌料式電子束焊接技術(shù)等工藝逐漸成熟，有效解決了高強(qiáng)度鋼、高溫鈦合金和金屬間化合物等難熔低塑性金屬材料及其結(jié)構(gòu)的焊接性問題，同時(shí)達(dá)到改善焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布與尺寸精度，提高焊接接頭力學(xué)性能的目標(biāo)。

2 高能束流增材制造技術(shù)應(yīng)用

增材制造作為近凈成型技術(shù)的一個(gè)新方向，是一種基于離散-堆積原理，采用材料逐層累加由三維數(shù)模直接制造零件的方法(圖5)。增材制造無需模具，在一臺(tái)設(shè)備上可快速制造出復(fù)雜形狀的零件，大幅減少工序并縮短周期，尤其適合鈦合金、高溫合金等難加工材料的成形。增材制造技術(shù)從20世紀(jì)80年代開始起步，直至2002年以后才有較為成熟的金屬增材制造設(shè)備推向市場(chǎng)。2012年3月，在時(shí)任美國總統(tǒng)奧巴馬提出美國振興制造業(yè)計(jì)劃“制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)(NNMI)”后，增材制造產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)迎來了高速發(fā)展的時(shí)代。

航空產(chǎn)品具有多品種、小批量的特點(diǎn)，零件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，增材制造的成本和效率優(yōu)勢(shì)相比傳統(tǒng)制造方法就越顯著，尤其是在飛機(jī)研制與定型階段，各種增材制造方法已發(fā)揮不可替代的作用。電子束熔絲沉積(EBWD)、電子束選區(qū)熔化(EBM)、激光選區(qū)熔化(SLM)、激光直接沉積(LMD)是目前4種主要的金屬增材制造工藝方法(圖6)。這幾種工藝方法各有特點(diǎn)，適合于不同類型結(jié)構(gòu)的成形(表1)。

圖5 增材制造過程[21-22]Fig.5 Additive manufacturing process[21-22]

圖6 激光/電子束金屬增材制造方法優(yōu)劣對(duì)比[23-26]Fig.6 Quantitative comparison laser/electron beam additive manufacturing methods for metals[23-26]

2.1 激光增材制造技術(shù)

激光增材制造技術(shù)包括激光直接沉積技術(shù)與激光選區(qū)熔化技術(shù)。1995年，美國約翰霍普金斯大學(xué)、賓州州立大學(xué)和MTS公司共同開發(fā)了利用大功率CO激光器實(shí)現(xiàn)大尺寸鈦合金零件的制造技術(shù)，并合作成立了AeroMet公司，為F-18E/F、F-22等飛機(jī)研制了接頭、支座、吊耳、壁板、隔框等多類試驗(yàn)件，實(shí)現(xiàn)了鈦合金每小時(shí)1～2 kg的沉積速率。同時(shí)，激光直接沉積技術(shù)還廣泛應(yīng)用于零件修復(fù)領(lǐng)域(圖7)。生產(chǎn)激光直接沉積增材制造設(shè)備的公司主要有德國Trumpf公司、美國Optomec公司以及POM公司等。

表1 激光/電子束增材制造工藝比較Table 1 Comparison of laser/electron beam additive manufacturing

圖7 激光直接沉積修復(fù)鈦合金葉片F(xiàn)ig.7 Repair of titanium alloy blades by LMD

在激光選區(qū)熔化領(lǐng)域，空客通過零件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了接頭、安裝座等零件的輕量化制造，減重達(dá)到60%(圖8)，充分發(fā)揮了增材制造的最大優(yōu)勢(shì)。此外，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的空客A380的Ti-6Al-4V座椅鎖扣替代原有不銹鋼鎖扣后減重達(dá)到55%，以25萬美元的制造成本可獲得減少300萬美元的燃油費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)效益。此外，GE已采用激光選區(qū)熔化技術(shù)進(jìn)行LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)零件的批量生產(chǎn)，包括燃油噴嘴、傳感器外殼等，總量已超過100 000個(gè)。

高功率光纖激光器大幅度提高了激光選區(qū)熔化成形件的質(zhì)量，而技術(shù)應(yīng)用的不斷拓展也促進(jìn)了設(shè)備的更新迭代。德國EOS公司的大尺寸成形設(shè)備M400配備了4臺(tái)400 W光纖激光器，最高成形速率可達(dá)到100 cm/h，最大成形零件尺寸為400 mm×400 mm×400 mm。美國GE公司的xline2000R配備了2臺(tái)1 kW光纖激光器，2臺(tái)3D動(dòng)態(tài)聚焦振鏡，最高成形速率可達(dá)120 cm/h。最大成形零件尺寸為800 mm×400 mm×500 mm。2021年，德國SLM Solution公司推出了配備了12臺(tái)激光器的大型激光選區(qū)熔化設(shè)備，其有效工作空間達(dá)到600 mm×600 mm×600 mm。應(yīng)用方面，法國賽峰集團(tuán)宣布將在法國波爾多開設(shè)增材制造園區(qū)，實(shí)現(xiàn)了激光選區(qū)熔化增材噴嘴安裝在賽峰集團(tuán)設(shè)計(jì)的eAPU60微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上，以滿足推重比高和結(jié)構(gòu)緊湊的需求。

圖8 激光選區(qū)熔化零件優(yōu)化及減重效果Fig.8 SLM component re-design and its weight saving

2.2 電子束增材制造技術(shù)

電子束增材制造技術(shù)包括電子束熔絲成形技術(shù)與電子束選區(qū)熔化技術(shù)，近年來在航空、航天等領(lǐng)域獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，具有代表性的研究機(jī)構(gòu)為Sciaky公司、GE-Arcam公司(原瑞典Arcam公司)。同時(shí)，弗吉尼亞大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)、NASA蘭利研究中心、CTC公司、MTC公司、波音公司、洛克希德·馬丁公司、普惠公司、美國海軍研究所、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室等許多機(jī)構(gòu)也廣泛參與了基礎(chǔ)理論及工程應(yīng)用研究工作。針對(duì)材料包括鋁合金、鈦合金、鎳基合金、鋼等，研究內(nèi)容涉及組織調(diào)控及性能可靠性評(píng)價(jià)、束流品質(zhì)在線測(cè)量、應(yīng)力與變形規(guī)律、熔凝過程控制及數(shù)值模擬、無損檢測(cè)方法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等諸多方面，形成了較為完整的技術(shù)體系。

在美國國防部支持下，Sciaky公司與洛克希德·馬丁公司合作，為F-35戰(zhàn)機(jī)制造了外翼盒(圖9(a))，其尺寸為5.79 m×1.22 m。針對(duì)Ti-6Al-4V材料，Boeing與Sciaky聯(lián)合進(jìn)行了電子束熔絲增材制造零件性能評(píng)估，證明了力學(xué)性能可滿足要求，目前正加速規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的制定，開發(fā)更多應(yīng)用領(lǐng)域。CTC公司將電子束熔絲技術(shù)作為未來大型結(jié)構(gòu)低成本高效制造的方案，制定了“無人戰(zhàn)機(jī)金屬制造技術(shù)提升計(jì)劃”，目標(biāo)是將無人機(jī)中鈦合金結(jié)構(gòu)的重量和制造成本降低35%。此外，烏克蘭的紅波公司開展了絲束同軸增材制造裝備與工藝研究，該工藝相比側(cè)向送絲方式更靈活，電子槍的壽命更長，并且能夠制備出具有等軸β晶粒的Ti-6Al-4V合金。

圖9 電子束增材制造的應(yīng)用Fig.9 Application of electron beam additive manufacturing

在電子束選區(qū)熔化領(lǐng)域，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室與洛克希德馬丁公司合作研制了F-35的空氣泄漏檢測(cè)支架(圖9(b))，各項(xiàng)性能滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求，并且將零件的制造成本降低了50%。GE-Avio還成形了具有蜂窩結(jié)構(gòu)的鈦合金除油器濾芯，并且已經(jīng)通過飛行測(cè)試。近幾年來，GE-Arcam采用電子束選區(qū)熔化開始GEnx系列發(fā)動(dòng)機(jī)TiAl低壓渦輪葉片的研制與生產(chǎn)，其制造成本與鑄造方法持平，成為TiAl低壓渦輪葉片的主要工藝之一。我國商用發(fā)動(dòng)機(jī)也將電子束選區(qū)熔化TiAl低壓渦輪葉片作為方案之一(圖9(c))，采用其替代原有的高溫合金葉片可實(shí)現(xiàn)50%的減重。此外，作為新一代飛機(jī)機(jī)體主承力結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)β鈦合金也可采用此方法制備。

3 高能束流表面改性技術(shù)應(yīng)用

航空零件對(duì)抗疲勞、耐磨損、抗氧化、防冰減阻、隱身等需求日益迫切，其目的是為了延長飛行器使用壽命，提升其全周期服役性能。激光沖擊強(qiáng)化、超快激光加工、電子束造型等技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，為先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)作戰(zhàn)性能的提升提供了重要的支撐作用。

3.1 激光沖擊強(qiáng)化

圖10 激光沖擊強(qiáng)化原理Fig.10 Laser peening mechanism

激光沖擊強(qiáng)化利用短脈沖激光束作用在材料表面，在等離子體的高壓沖擊下引入殘余壓應(yīng)力的同時(shí)使材料表層產(chǎn)生加工硬化，位錯(cuò)密度增加而形成多種細(xì)微結(jié)構(gòu)，可提高材料的抗疲勞、磨損和應(yīng)力腐蝕性能(圖10)。相比于噴丸強(qiáng)化，其殘余壓應(yīng)力的深度更深，因此強(qiáng)化效果更優(yōu)。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代。隨后，F(xiàn)airand在1972年發(fā)現(xiàn)激光沖擊可提高7075鋁合金的抗疲勞性能和應(yīng)力腐蝕性能。Peyre和Fabbro系統(tǒng)研究了激光沖擊產(chǎn)生沖擊波的機(jī)理和模型、激光沖擊后材料性能，提出了沖擊波峰值和壓力的估算公式。張永康等對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行了一系列理論分析，研究了涂層約束層的影響等。

在工程應(yīng)用方面，Jeff Dulaney在1997年建成第一套用于商業(yè)應(yīng)用的激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備。隨后，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)相繼應(yīng)用于F101、F110、F414和F119等發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上，疲勞壽命提高了10～20倍(圖11)，每月節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)保養(yǎng)與零件更換費(fèi)用達(dá)到幾百萬美元。到2009年，75%的F119發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)整體葉盤都進(jìn)行過激光沖擊強(qiáng)化。

圖11 激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤及其疲勞壽命提升效果Fig.11 Laser peening of engine blisk and its effect on fatigue life

近年來，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)逐漸推廣應(yīng)用至F-22、F-35等飛機(jī)大型鋁合金和鈦合金框梁結(jié)構(gòu)，用以提升框梁交點(diǎn)關(guān)鍵區(qū)的疲勞性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)延壽。2019年，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用從F-35B拓展到F-35C，而且均采用基于裝配現(xiàn)場(chǎng)的方式來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。激光沖擊強(qiáng)化還應(yīng)用于747-8飛機(jī)壁板的成形，以及航天結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊焊接接頭應(yīng)力的消除。此外，日本將該技術(shù)用于處理焊接接頭以提高其抗腐蝕性能。

3.2 超快激光加工

“超快激光”是指輸出激光的脈沖寬度在10s以下，即小于皮秒級(jí)的脈沖激光。超快激光產(chǎn)生的超短脈沖與材料相互作用時(shí)間極短，不會(huì)給周圍材料帶來熱影響，因此超快激光加工也被稱為冷加工。

超快激光加工最具潛力的發(fā)展方向之一是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔制備，尤其是在帶熱障涂層葉片上加工異型孔(圖12)。加拿大Laser Depth Dynamics公司采用在線相干成像技術(shù)開發(fā)了小孔加工在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，分辨率達(dá)到10 μm，主要特點(diǎn)在于可以實(shí)時(shí)檢測(cè)激光加工結(jié)果并反饋控制加工參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)加工。超快激光精密加工的另一個(gè)重要應(yīng)用對(duì)象是樹脂基復(fù)合材料(CFRP)，目前主要集中在切割、制孔等去除加工研究。與納秒、毫秒脈沖激光加工CFRP相比，皮秒激光加工質(zhì)量最高，加工深6 mm、直徑6 mm的孔幾乎無熱影響區(qū)。德國亞琛大學(xué)利用430 W的皮秒(1.5～7.5 ps)脈沖激光，采用高速掃描方式加工切割加工2 mm厚度的CFRP試樣，實(shí)際切割速度達(dá)到0.3 m/min，展示了很好的工業(yè)應(yīng)用前景。

圖12 超快激光加工葉片氣膜孔[65-69]Fig.12 Ultra-fast laser drilling[65-69]

超快激光也可用于制備表面微納結(jié)構(gòu)，采用多束相干激光空間疊加獲得強(qiáng)度周期性調(diào)制的電磁場(chǎng)，可在材料表面直接制備出亞微米至納米尺寸的周期性結(jié)構(gòu)。這種周期性微納結(jié)構(gòu)可以顯著改變材料表面的性能，在機(jī)翼表面防冰減阻、機(jī)械零件表面降阻減磨等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景(圖13)。

圖13 超快激光表面加工Fig.13 Ultra-fast laser surface processing

超快激光制備表面微納結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要應(yīng)用是減小飛行阻力。例如，德國漢諾威激光研究中心模擬海豚皮膚表面微結(jié)構(gòu)，采用超快激光在鈦合金葉片表面加工深寬與間距25 μm左右的密集流向微槽用來抑制表面湍流，使得氣動(dòng)阻力降低了8%。英國赫瑞瓦特大學(xué)的研究表明，利用超快激光可將石英、硼硅酸鹽玻璃、藍(lán)寶石等各種光學(xué)材料與鋁、鈦、不銹鋼等金屬材料焊接起來。該技術(shù)在航空航天等國防領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，例如導(dǎo)彈藍(lán)寶石頭罩與金屬彈體的連接。

此外，實(shí)現(xiàn)電磁功能的耦合也是超快激光表面結(jié)構(gòu)功能一體化的前沿領(lǐng)域。日本TDK在鐵氧體吸波貼片上加工微納結(jié)構(gòu)，大幅提高了吸波性能，已應(yīng)用于電磁兼容領(lǐng)域。利用該技術(shù)也可在飛行器蒙皮及天線罩上進(jìn)行周期性微納結(jié)構(gòu)的制造，不但可提高其雷達(dá)隱身效果，而且可實(shí)現(xiàn)電磁波的選頻(圖14)。

圖14 飛機(jī)表面微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)隱身及電磁波選頻Fig.14 Micro- and nano-structure for stealth and frequency selection on aircraft skin

3.3 電子束造型

電子束造型是利用偏轉(zhuǎn)線圈控制電子束流的高速掃描運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)金屬表面局部區(qū)域金屬的“挖掘”和“轉(zhuǎn)移”。通過控制電子束的束流參數(shù)(包括電子束的加速電壓、電流和聚焦)，加上特殊的掃描波形，可實(shí)現(xiàn)各種表面造型，包括高寬比大的尖峰突起、無毛刺的孔穴、刀刃、蜂窩、旋渦和網(wǎng)紋等(圖15), 尺寸從10 μm～20 mm, 加工效率可達(dá)2.5 s/cm。電子束表面造型技術(shù)在制備密集排列的微造型方面具有速度快、精度高、陣列自由控制等優(yōu)點(diǎn)。

圖15 電子束實(shí)現(xiàn)不同表面造型[72-73]Fig.15 Different surface morphology made by electron beam[72-73]

電子束造型可用于金屬與復(fù)合材料的連接(圖16)。TWI在金屬表面上制備造型，預(yù)處理后將復(fù)合材料置于金屬上，最后通過加溫加壓共同固化，即可得到這種金屬和復(fù)合材料連接的接頭。根據(jù)TWI的研究，這種接頭比傳統(tǒng)的同尺寸接頭能承受更高的載荷，斷裂前吸收的能量也遠(yuǎn)高于后者，而且可以通過優(yōu)化表面造型的結(jié)構(gòu)及分布形式提高這種接頭的韌性。

圖16 電子束表面造型技術(shù)用于金屬-復(fù)合材料連接Fig.16 Electron beam surface processing technology to assist metal-composite joining

4 結(jié) 語

隨著學(xué)科的交叉與融合，以激光/電子束為代表的高能束流加工已發(fā)展成為材料科學(xué)與物理冶金學(xué)、機(jī)械工程與結(jié)構(gòu)力學(xué)、自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)軟件等多學(xué)科集成的制造技術(shù)。相應(yīng)的，其在航空領(lǐng)域的發(fā)展也包含這3個(gè)方向：

1) 新材料

未來航空飛行器與發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)輕質(zhì)耐高溫材料的需求越來越迫切，高能束流加工技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)研究超高強(qiáng)鈦合金、金屬間化合物、金屬基/陶瓷基/樹脂基復(fù)合材料等與束流的交互作用，獲得材料的組織演變機(jī)理與性能控制方法。

2) 新結(jié)構(gòu)

整體化與結(jié)構(gòu)功能一體化是航空飛行器的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)三維框梁整體結(jié)構(gòu)及復(fù)雜曲面的高能束流焊接、增材制造是主要實(shí)現(xiàn)途徑，重點(diǎn)需要解決尺寸精度與殘余應(yīng)力的問題；此外，復(fù)合功能表面微結(jié)構(gòu)的高效率制造也是高能束流加工的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。

3) 加工過程質(zhì)量監(jiān)控

在新材料與新結(jié)構(gòu)的高能束流加工過程中，針對(duì)束流品質(zhì)的在線監(jiān)測(cè)與反饋控制是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量與高效率制造的重要保證，相應(yīng)的機(jī)器視覺、無損探傷、光-機(jī)-電協(xié)同控制技術(shù)需要為此提供技術(shù)支撐。

高能束流加工技術(shù)已成為航空裝備不可替代的加工方法，顯現(xiàn)出極高的技術(shù)附加值。未來該技術(shù)將向著高效率、高精度、經(jīng)濟(jì)性、智能化方向發(fā)展，以滿足未來航空飛行器輕量化、整體化、高可靠及低成本制造的要求。