航空航天是增材制造(AM)發(fā)展的關(guān)鍵市場(chǎng)驅動(dòng)力，因為其高價(jià)值的零件往往需要多品種小批量生產(chǎn)、高度集成的復雜結構和快速高效的制造流程。激光增材制造(LAM)航空發(fā)動(dòng)機材料近年來(lái)取得了快速而顯著(zhù)的進(jìn)展，包括先進(jìn)的高強度鋼、鎳基高溫合金和鈦基合金等。盡管新興材料(如高/中熵合金和異質(zhì)結構材料)具有良好的機械性能，但在實(shí)際應用于發(fā)動(dòng)機零件之前，仍然需要嚴格的表征、測試、鑒定和認證。因此，深入了解這些廣泛使用的航空發(fā)動(dòng)機材料的工藝參數-微觀(guān)結構-機械性能之間的關(guān)系，對于推動(dòng)優(yōu)質(zhì)高性能合金的發(fā)展仍然十分重要。
新加坡制造技術(shù)研究院的研究人員對激光粉末床熔融(LPBF)和激光定向能量沉積(LDED)制備的關(guān)鍵航空發(fā)動(dòng)機材料進(jìn)行了綜述，總結了這些航空發(fā)動(dòng)機材料的材料特性和性能范圍，并概述了當前的研究空白區。此外，對LAM面向航空發(fā)動(dòng)機材料的研究機遇、新材料開(kāi)發(fā)、新興技術(shù)和新型數字化研發(fā)方法進(jìn)行了展望。近期，該綜述以“Progress and perspectives in laser additive manufacturing of key aeroengine materials”為題發(fā)表在機械與制造領(lǐng)域頂刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上。全文約5萬(wàn)字，并且包含51個(gè)圖和19個(gè)表格。
論文開(kāi)放下載鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2021.103804
作為高價(jià)值產(chǎn)品行業(yè)，航空航天行業(yè)一直是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展和應用的強大推動(dòng)力。隨著(zhù)航空工業(yè)對節能減排、輕量化、可靠性和舒適性要求的不斷提高，傳統的制造工藝已經(jīng)越來(lái)越難以滿(mǎn)足需求。增材制造(AM)獨特的逐層沉積方式，為制造幾何形狀、材料、性能和功能較為復雜的零部件提供了無(wú)限可能。因此AM的快速發(fā)展為滿(mǎn)足這些行業(yè)需求提供了可能性。
AM已在航空航天、汽車(chē)、電子、醫療、軍事、建筑等行業(yè)得到了廣泛應用。全球AM市場(chǎng)規模從2013年的約30億美元迅速增長(cháng)到2019年的118.67億美元。如圖1所示，近年來(lái)年增長(cháng)率均超過(guò)20%。隨著(zhù)AM行業(yè)市場(chǎng)規模的擴大，航空航天行業(yè)在2019年將迅速接近20億美元。AM在航空航天行業(yè)的應用占據了整個(gè)AM市場(chǎng)的很大一部分，這是因為AM應用于航空航天領(lǐng)域有諸多顯著(zhù)優(yōu)勢，包括: (1) 幾何設計和優(yōu)化的自由度高; (2) 功能組合和零件整體化，減少裝配，提高性能和可靠性; (3) 提高材料利用率和能源效率; (4) 定制和小批量生產(chǎn)優(yōu)勢; (5)大大縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)和交付周期。
圖1. Wohlers Report 2014-2020關(guān)于2013-2019年增材制造工業(yè)領(lǐng)域的各行業(yè)市場(chǎng)規模。 圖3.波音 787 飛機的 GE CF6 渦輪發(fā)動(dòng)機中的材料分布。 圖13.激光增材制造C300馬氏體鋼的室溫拉伸性能匯總及與鍛件 標準。 圖14.激光增材制造先進(jìn)高強鋼的抗拉強度vs斷裂延伸率匯總圖。 圖15.激光增材制造先進(jìn)高強鋼的強塑積vs屈服強度匯總圖。 圖18.鎳基高溫合金的可焊性隨Al和Ti含量的變化。 圖22.激光增材制造鎳基高溫合金的典型顯微組織特征。 圖26.激光增材制造鎳基高溫合金的室溫拉伸性能匯總。 圖27.激光增材制造鎳基高溫合金的室溫拉伸屈服強度與維氏硬度的關(guān)系。 圖28.激光增材制制造鎳基高溫合金的拉伸性能。 圖34.激光定向能量沉積Ti-6Al-4V合金的典型顯微組織特征。 圖35.激光增材制造Ti-6Al-4V合金中晶內亞結構特征。 圖41.選區激光熔化Ti-6Al-4V合金的疲勞性能匯總及與鍛件Ti-6Al-4V合金的對比。 圖45.激光增材制造先進(jìn)高強鋼、鎳基高溫合金、鈦合金以及TiAl合金的室溫拉伸性能匯總及對比。 圖47. (a) 原位電磁攪拌輔助LDED 裝置的示意圖 [451], (b) 同步感應加熱輔助LDED 裝備示意圖 [453], (c) 高強度超聲輔助LDED 技術(shù)的工藝原理及其產(chǎn)生的微觀(guān)結構 [454], (d) O-LHAM 實(shí)驗裝置示意圖。 圖50.激光增材制造專(zhuān)用新材料設計路線(xiàn)歸納圖。 圖51.面向航空發(fā)動(dòng)機的增材制造合金研發(fā)新路線(xiàn)的觀(guān)點(diǎn)和展望。
LAM克服了傳統制造方法的缺點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。本文綜述了航空發(fā)動(dòng)機中廣泛使用的先進(jìn)高強度鋼、鎳基高溫合金、鈦合金和鈦鋁合金材料的研究現狀和發(fā)展趨勢，重點(diǎn)分析了LAM加工工藝、微觀(guān)組織(如形態(tài)/織構、析出相、相組成/相變)和力學(xué)性能(靜態(tài)和動(dòng)態(tài))之間的關(guān)系；分析了LAM技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢，提出了基于LAM過(guò)程中獨特的熱輸入研發(fā)專(zhuān)用新材料的方法和思路，設計了航空發(fā)動(dòng)機零部件數字化研發(fā)制備路線(xiàn)。
為了確保飛行安全、經(jīng)濟和環(huán)境效益，先進(jìn)航空工業(yè)對航空航天部件提出了嚴格的要求(如輕量化、高強度、高韌性等)。當最終目標涉及同時(shí)優(yōu)化多種材料性能(例如，高強度、隔熱耐火材料和耐腐蝕性)時(shí)，傳統的材料設計和開(kāi)發(fā)中采用試錯法效率極低。因此，面向高質(zhì)量航空發(fā)動(dòng)機部件的新型研發(fā)方式，有助于處理這一復雜的多目標優(yōu)化過(guò)程。數字化技術(shù)的進(jìn)步，如人工智能(AI)和機器學(xué)習(ML)，開(kāi)啟了航空發(fā)動(dòng)機部件數據驅動(dòng)材料開(kāi)發(fā)的新時(shí)代。
圖51所示是作者展望的新型研發(fā)路線(xiàn)圖。新的數字化技術(shù)可以基于來(lái)自高通量實(shí)驗基因工程的大數據來(lái)模擬最佳合金成分、微觀(guān)結構演變甚至零件性能。因此，航空發(fā)動(dòng)機部件的研發(fā)將涉及多學(xué)科知識和專(zhuān)業(yè)知識，包括基于A(yíng)I/ML的計算、多尺度模擬、在線(xiàn)監測、微觀(guān)結構控制、功能增強、后處理、性能測試和結構拓撲優(yōu)化等。通過(guò)研究人員的集體努力、數據共享、加工和測試方法的標準化，增材制造先進(jìn)高性能航空發(fā)動(dòng)機新材料和功能件將能夠實(shí)現。
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