前言

      激光增材制造是以激光为热源、粉末为材料的增材制造技术，其成形过程与传统的铸造、锻压、焊接等成形工艺不同；

      它是通过激光直接将粉末或多层金属粉末直接从粉末床或者熔融态材料中制造成构件的技术，具有一次成形、无模成型、低成本和高效率等特点，能够实现复杂形状、多层结构件的快速制造，在航空航天领域中具有重要的应用价值。

      随着国家对航空航天高性能金属材料需求的不断增加，激光增材制造技术在航空航天领域得到了快速发展，并取得了一系列重要成果。

      目前，激光增材制造技术在航空航天领域应用广泛，其在金属构件制造中具有以下优势：

      一次成形、无模成型，避免了传统金属构件铸造、锻造、焊接等工艺的繁琐加工，可实现复杂形状、多层结构的快速制造，极大地缩短了产品研发周期；

      能够制造不同组织和性能的合金化构件，如镍基高温合金、钛合金、铝合金、镁合金等金属材料构件；

在成形过程中无需使用模具或模套等复杂的工艺设备，可有效减少产品生产中的成本及工序；

具有较强的再制造能力，能够对现有零件进行修复或改型。

      目前，激光增材制造技术已在航空航天领域中得到广泛应用，在发动机涡轮叶片、飞机起落架等关键金属材料构件上取得了较好的应用效果。

高性能金属材料

       激光增材制造技术是一种以激光作为热源的成形加工技术，利用其自身特点可实现复杂的材料成分与结构的快速制备，在航空航天、生物医学、能源、汽车等领域得到广泛应用。

       激光增材制造过程中，高熔点、低密度和高塑性是其显著优势，因此，可制备高强度、高塑性和耐高温的金属材料，满足航空航天与生物医学等领域对高性能金属材料的需求。

      在航空航天领域，钛合金是最常用的高性能金属材料之一。作为典型的“绿色”金属材料，钛合金具有密度低、比强度和比刚度高、耐高温和耐蚀性好等特点，被广泛应用于航空航天领域。

       在生物医学领域，钛合金是一种重要的生物医用材料，具有良好的生物相容性和组织稳定性，对人体健康无害，可以作为基因治疗载体和药物载体等。

       近年来，激光增材制造技术在医学领域也有了较大的发展。在激光增材制造过程中，通过改变激光束能量密度或扫描速度等参数可实现对熔池组织、凝固行为的控制。

激光增材制造技术在航空航天领域的应用还表现在：一是用于制造形状复杂、尺寸大、结构大尺寸构件；二是用于制造结构复杂、形状复杂的非标准构件；三是用于制造高强高韧和高塑性构件。

       在汽车领域，钛合金凭借其优良的力学性能和耐蚀性能已成为汽车零部件制造领域不可或缺的重要材料。

       随着汽车轻量化进程不断推进，轻量化材料与工艺技术的发展对传统材料与工艺带来了严峻挑战。激光增材制造技术可实现复杂结构零件一体化成形，具有减重和减重不均等优势。

激光增材制造技术

       激光增材制造技术是指利用高能量密度的激光器和大功率的激光发生器，将粉末或材料在计算机的控制下按一定的工艺要求，逐层堆积成件，一次成型的一种技术。

      该技术可以实现复杂形状、大尺寸、薄壁、中空等复杂构件的一体化制造，是当今制造领域最具有竞争力的先进制造技术之一。

       激光增材制造技术作为一种新兴制造技术，可以在复杂形状的金属构件上直接实现零件的加工和修复，使其具有生产周期短、效率高、成本低等特点，已经成为航空航天领域重要的结构件成形方法之一。

      激光增材制造技术利用粉末床激光熔化（PFC）和粉末床激光熔化沉积（PFC& WLP）等原理实现复杂形状零件的成形。

       激光增材制造技术可实现复杂结构零件直接快速成形，无需模具或任何传统加工工艺。

       激光增材制造具有很多传统加工技术无法比拟的优点，如材料利用率高、尺寸精度高、无切削力、可精确成形复杂零件、适合复杂形状零件加工等，因此在航空航天领域得到了广泛应用。

      以航空航天用大型承力构件为例，由于结构复杂、材料性能要求高，传统工艺难以实现复杂承力构件的直接快速成形。

      激光增材制造技术以其高效率、高精度、低成本等特点在航空航天领域应用前景广阔。

      激光增材制造技术已成为航空航天领域的重要工艺方法之一，被广泛应用于大型承力构件、零部件和复杂构件的直接快速成形。

      激光增材制造技术的研究包括两个方面，一方面是针对传统制造工艺的改进，另一方面是对新材料、新技术的探索。为了突破传统制造工艺限制，实现复杂构件的快速成形，近年来国内外学者开展了大量研究工作。

      中国科学院过程工程研究所先后成功研发出基于激光增材制造技术的钛合金锻件、不锈钢锻件、镍基高温合金锻件等，并在航空航天领域实现了规模化应用。

激光增材制造技术在航空航天领域的应用

       随着增材制造技术在航空航天领域的应用，其所涉及的一些关键技术问题也逐步得到了解决，如高性能金属材料的制备、零部件成形制造、变形控制等。在航空航天领域，激光增材制造技术可以实现复杂形状结构件的快速制造，满足大型构件的制造需求。

      在航空航天领域，大型部件或承力结构件的制造通常需要设计复杂结构和复杂材料，包括大型锻件、大尺寸锻模和大型冲压件。

      在航空航天领域，随着对可靠性和轻量化要求的提高，金属零部件的使用量越来越大。然而，传统金属零部件的制造过程需要采用复杂的模具和昂贵的设备，限制了其在航空航天领域中的应用。

      激光增材制造技术可以通过计算机控制成型过程、缩短成形时间、减少加工成本等优势，满足航空航天领域对零件尺寸和质量控制需求。

      在航空航天领域，航空发动机叶片是非常复杂和精密的零件，其形状和尺寸精度直接影响发动机性能。

      采用传统方法制造叶片时，通常需要大量的工艺试验来确定最佳工艺参数。由于叶片是复杂的三维几何结构体，其材料分布不均匀且在旋转过程中会发生变形，同时还要考虑叶片上不同区域对热应力、蠕变、疲劳等各种载荷的影响。

      采用激光增材制造技术进行叶片制造时，可以根据需要对设计好的三维零件进行任意位置摆放或自由扫描以获得最佳工艺参数。

       在增材制造过程中，激光束照射到零件表面后会产生热效应和机械效应等复杂物理过程。由于激光束在金属材料中传输时会产生热膨胀和热变形等现象。

      同时，由于激光束在金属材料中传输时产生的热应力会使金属材料的组织发生变化，从而影响激光增材制造零部件的力学性能。因此，增材制造过程中对热应力、组织和性能的控制是提高激光增材制造零部件力学性能的关键技术。

应用前景及发展趋势

      激光增材制造技术在航空航天领域的应用主要体现在以下几个方面：

      3D打印结构件：在航空航天领域，利用激光增材制造技术可以实现复杂三维零件的高效快速制造，实现大型结构件的快速设计和快速制造。

      利用激光增材制造技术可以直接打印出复杂的三维零件，实现对复杂零部件的直接加工。例如，目前国外研发出一种新型的高功率激光增材制造技术，可以直接打印出飞机机翼、发动机叶片、大型增材构件等复杂结构。

      复杂零件整体成形：由于航空航天领域对飞机大型结构件的要求越来越高，传统的铸造和锻压等成形工艺已经很难满足制造需求。因此，利用激光增材制造技术可以实现复杂零件的整体成形，利用激光增材制造技术可以实现复杂整体结构件的制造。

       高精度构件制备：对于一些高性能金属材料和合金而言，传统工艺难以实现复杂构件的制备，利用激光增材制造技术可以实现高精度构件制备。目前国内外开展了多种激光增材制造技术在航空航天领域应用研究工作。

       由于对零部件尺寸和精度要求非常高，因此可以利用激光增材制造技术直接打印出构件，通过调整工艺参数实现构件尺寸的精确控制，从而实现高精度零件的制备。

       目前，国外已经开展了利用激光增材制造技术制备大尺寸金属零件的研究工作，例如，美国 Aerofoam公司开发出一种新型激光增材制造技术，可以直接打印出飞机机翼、发动机叶片等大型零件。

       在利用激光增材制造技术进行零件打印过程中，由于激光束在金属材料中传输时会产生热效应和机械效应等复杂物理过程，因此需要对激光增材制造过程进行变形控制。

笔者观点

      激光增材制造技术在航空航天领域的应用，其价值体现在：

一是以金属材料为例，激光增材制造技术的应用，极大地提升了金属材料构件的综合性能。如航天用钛合金构件，采用激光增材制造技术后，其力学性能明显提升，满足了航天级航空装备对高性能结构零件的需求。

二是以增材制造技术为基础，可发展出更多新型加工制造技术，如3D打印技术、粉末床烧结、自蔓延高温合成、微合金化等。

三是激光增材制造技术为解决大型复杂结构零件的快速成形提供了一条有效途径，这是激光增材制造技术最大的优势，也是激光增材制造技术在航空航天领域应用的最重要优势。

四是以激光增材制造技术为基础，可发展出更多先进的加工制造技术，如粉末床烧结、自蔓延高温合成等，并将这些先进的加工制造技术应用到航空航天领域的新材料、新结构和新工艺设计中去，为航空航天领域的发展做出更大贡献。

来源：胖仔研究社，编辑：张维官，审核：游小秀