激光增材制造技术在航空航天领域的应用与发展

摘要：本文通过对激光增材制造技术的理论与优势的概述，并增材制造材料体系在航空航天领域的具体应用，并探讨了激光增材制技术的研究现状和发展方向。

关键词：激光增材制造技术；航空航天；应用

随着航空航天技术的不断进步，制造工艺的创新成为推动行业发展的重要驱动力。在众多先进制造技术中，激光增材制造技术（LAM）以其独特的优势，正逐步在航空航天领域展现出巨大的应用潜力。这种技术通过逐层堆积材料的方式，能够高效制造出复杂几何结构的高性能零部件，满足航空航天领域对轻量化、高强度和定制化设计的需求。近年来，激光增材制造技术已在航空发动机、飞机结构件及航天器组件等领域实现了成功应用，显著提升了产品的性能和可靠性，同时也为缩短研发周期、降低生产成本提供了新途径。

一、激光增材制造技术概述

激光增材制造技术，又称激光立体成形或激光3D打印，是一种基于离散-堆积原理的先进制造技术。其核心在于使用高能激光束将金属粉末或丝材逐层熔化并凝固，从而构建出所需的三维实体零件，通过切片软件将模型分解为一系列薄层，然后激光按照这些层面的轮廓逐层扫描，使得金属粉末在激光的作用下迅速熔化并冷却凝固，层层叠加最终形成完整的零件。

激光增材制造技术的优势主要体现在可以自由地构建各种复杂的几何形状，甚至是一体化的内部结构，从而简化零件设计并减少组装难度。同时激光增材制造技术具有材料利用率高、减少废料的优点。传统制造过程中，尤其是对于金属材料，往往需要通过切削、钻孔等方式去除大量材料，导致材料浪费严重。而激光增材制造技术是通过逐层添加材料的方式进行制造，仅使用所需量的材料，大大提高了材料的利用率，降低了成本，同时也更为环保。

二、激光增材制造材料体系及应用

（一）可用于激光增材制造技术的航空航天材料

1.铝合金

在航空航天领域，铝合金是一种重要的结构材料，尤其是在飞机制造中。但其增材制造过程中面临的技术难题：高热导率、粉体质量过轻，易流动，反射率高。2013年，德国的 Fraunhofer研究所就已经攻克了这一技术难关，并得到了国际上知名的3D打印企业的大力支持。目前，AlSi10Mg、A6061、AlSi12、AlSi12Mg、AlSi7Mg、AlSi9Cu3，、AlMg4.5Mn4、6061等铝合金材料也已被研究和应用[1]。

2.钛合金

航空航天用钛合金构件因其外形尺寸大、成形与加工性能差、制造工艺复杂，以及多品种、小批量、快响应的需求，使得传统加工方法难以实现，而激光增材制造恰好能满足上述需求。TC4钛合金广泛应用于航空航天领域，主要应用于车架、横梁、连接件和叶片等零部件。由于其优异的热塑性能和焊接性能，使其成为一种理想的激光增材制造材料。在此基础上，利用高精度的激光快速成型技术，制备出了具有自主知识产权的新型高强度、高可靠性的新型高性能飞机重要结构件（如TA15，TC21，TC18，TC2等），并将其应用于航空发动机的核心部件如TC11，TC17，Ti60等。

3.高温合金

Inconel 718是一种含 Nb、 Mo的高强度、高韧性及抗腐蚀性能的合金，广泛应用于航空航天等领域。该材料同时具备优良的焊接性能，且不会产生焊接后裂纹，因此非常适合于激光增材制造。此外， Inconel 625及 Inconel 738也是本系列的主要研究与使用对象。另外， Inconel 600， Inconel 690， Inconel 713等也被应用于增材制造的成型研究。

（二）具体应用

激光增材制造技术在航空航天领域的应用不仅改变了传统制造方式，还推动了材料科学的发展。

1.钛合金的应用

钛合金因其优异的比强度、良好的耐腐蚀性和高温性能，成为航空航天领域中应用最广泛的材料之一。激光增材制造技术能够精确控制钛合金的微观结构和性能，使其在复杂零件制造中展现出独特优势。例如，波音公司在其787梦想客机的生产中，利用激光增材制造技术制造了多个钛合金零件，如发动机吊架、翼肋和其他结构件。又如，Ti-6Al-4V合金因其良好的成形性和焊接性，被广泛用于飞机结构件和发动机部件的制造。激光增材制造技术可以精确控制这些合金的沉积过程，确保零件的尺寸精度和力学性能。

2.镍基高温合金的应用

镍基高温合金以其出色的高温性能和耐腐蚀性，在航空发动机部件的制造中表现出色。激光增材制造技术能够制造出具有复杂内部冷却通道的发动机叶片和涡轮盘，这些部件在高温下仍能保持良好的强度和稳定性，显著提高了发动机的性能和寿命。例如，通用电气航空（GE Aerospace）利用激光增材制造技术成功生产了LEAP发动机的燃油喷嘴，相比传统制造方法，该喷嘴的耐用性提高了5倍，重量减轻了25%。激光增材制造技术通过精确控制激光能量和材料沉积过程，可以实现这些合金的复杂结构制造，如空心叶片、多孔结构和冷却通道等。这些复杂结构的制造传统方法难以实现，而激光增材制造技术能够大大提高制造效率和零件性能。

3.铝合金的应用

铝合金因其轻质和良好的机械性能，在航空航天结构件中也得到了广泛应用。激光增材制造技术能够实现铝合金零件的复杂设计，如飞机座椅支架、舱门部件等。常见的航空铝合金如AlSi10Mg、AlSc等，具有良好的成形性和焊接性，适用于激光增材制造。例如，空中客车公司（Airbus）利用激光增材制造技术生产了A350 XWB飞机的多个铝合金零件，如舱门框架和内部结构件。

三、激光增材制造技术在航空航天领域的发展和展望

随着增材制造技术的不断发展，其在航空航天制造中的地位日益突出，但距离大规模的工业化应用仍有较大差距。航空航天领域具有特殊的加工过程，迫切需要发展高效的激光增材制造技术。

（一）快速原型制作和小批量生产

激光增材制造技术在快速原型制作和小批量生产方面表现出色。传统的制造方法往往需要较长的模具开发时间和较高的成本，而激光增材制造技术可以在短时间内将设计转化为实际零件，大大缩短了研发周期。这对于市场竞争激烈的航空航天行业尤为重要，因为它可以帮助企业更快地响应市场变化，降低研发成本。未来，随着技术的进一步成熟，激光增材制造将更加普及，成为航空航天零部件生产的重要手段[2]。

（二）个性化和定制化生产

激光增材制造技术的灵活性使其能够实现个性化和定制化生产。在航空航天领域，许多部件需要根据特定任务和环境要求进行定制。例如，不同型号的飞机和卫星可能需要不同的结构件和功能部件。激光增材制造技术可以根据具体需求调整零件的设计参数，生产出满足特定要求的零件。未来，个性化和定制化生产将成为激光增材制造技术在航空航天领域的常规应用。

（三）行业标准化与规范化

尽管激光增材制造技术在航空航天领域的应用前景广阔，但在材料性能稳定性、制造精度控制和行业标准化等方面仍然面临一些挑战。为了推动技术的发展和应用，行业标准化和规范化显得尤为重要。国际标准化组织（ISO）和美国材料与试验协会（ASTM）等机构已经制定了一系列相关标准，以确保激光增材制造技术的可靠性和一致性。未来，随着更多标准的制定和推广，激光增材制造技术将在航空航天领域得到更广泛的应用。

（四）智能制造与数字化生产

随着工业4.0和智能制造的推进，激光增材制造技术将更加集成和智能化。通过引入大数据、人工智能和云技术，可以实现对制造过程的实时监控和优化，提高生产效率和质量控制水平。例如，通过智能算法可以优化激光路径和材料沉积过程，减少缺陷和废品率。未来，航空航天制造将更加数字化和智能化，激光增材制造将成为其中的重要组成部分。

结语

激光增材制造技术凭借其在复杂结构制造、材料性能优化、快速原型制作和个性化生产等方面的独特优势，正在深刻改变航空航天制造业的传统生产模式。通展望未来，随着技术的不断成熟与标准化，激光增材制造将在航空航天领域迎来更加广阔的应用前景，推动航空航天制造业迈向绿色、智能、可持续的新时代。

参考文献

[1] 何建斌，许燕，周建平，等 . 金属增材制造技术的研究进展 [J]. 机床与液压 ，2020， 48（2）： 171–175

[2] 卢秉恒 . 增材制造技术——现状与未来 [J]. 中国机械工程 ， 2020， 31（1）： 19–23.