航空航天領(lǐng)域用增材制造金屬材料的研究進展
時間：2024-01-12 09:16 來源：材料成型及模擬分析 作者：孫暄,胡斌,熊智慧等 閱讀：次
航空航天領(lǐng)域高新技術(shù)密集，航空航天高端裝備的服役性能很大程度上取決于金屬構(gòu)件的性能。隨著新型航空發(fā)動機、大飛機、新一代運載火箭等航空航天產(chǎn)品的開發(fā)及新材料的應(yīng)用，對制造技術(shù)的要求也越來越高。采用鑄、鍛、焊、機加工等傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)航空航天領(lǐng)域用金屬構(gòu)件，往往需要重型裝備和大型工模具，技術(shù)難度大，材料加工余量大、利用率低，生產(chǎn)周期長、成本高，已難以滿足需求。
近年來開發(fā)的增材制造技術(shù)能解決這些問題。金屬增材制造是以激光、電子束或電弧作熱源，根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)將材料（流體、粉末、絲材、塊體）逐層堆積，進而實現(xiàn)金屬構(gòu)件的直接制造[3]。該制造技術(shù)能快速完成高性能大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的直接近凈成形，是一種“變革性”綠色低碳制造技術(shù)[4-5]。目前，金屬增材制造技術(shù)已發(fā)展成提高航空航天設(shè)計與制造能力的核心技術(shù)，其應(yīng)用范圍已從零部件（飛機、衛(wèi)星、高超飛行器、載人飛船的零部件打印）擴展至整機（發(fā)動機、無人機、微/納衛(wèi)星整機打印）[6]。采用金屬增材制造技術(shù)可實現(xiàn)復(fù)雜金屬構(gòu)件的材料−結(jié)構(gòu)一體化凈成形，為航空航天高性能構(gòu)件的設(shè)計與制造提供了新途徑。
航空航天高端裝備正朝著高性能、長壽命、高可靠性及低成本的方向發(fā)展，采用整體結(jié)構(gòu)和復(fù)雜大型化是其發(fā)展趨勢[1]。基于這種發(fā)展趨勢，要求金屬構(gòu)件具有良好的力學(xué)性能，并兼具防熱、隔熱、減振、抗輻射等特殊功能[6]。材料是制造業(yè)的基礎(chǔ)，“一代材料、一代裝備”，材料直接影響和決定航空航天工業(yè)的發(fā)展水平和質(zhì)量。目前，以馬氏體時效鋼為代表的高強鋼[7]、以鎳基高溫合金為代表的耐熱合金[8]、以鈦、鋁合金為代表的輕質(zhì)高強合金[9-10]，均是重要的航空航天領(lǐng)域用增材制造金屬材料。通過創(chuàng)新和發(fā)展上述 4 種合金，并結(jié)合增材制造控形和控性技術(shù)，可實現(xiàn)材料−結(jié)構(gòu)−性能一體化制造，以滿足航空航天領(lǐng)域?qū)υ霾闹圃旖饘贅?gòu)件的需求。本文從航空航天領(lǐng)域?qū)υ霾闹圃旖饘俨牧系男枨蟪霭l(fā)，綜述了航空航天領(lǐng)域用鐵基合金、鎳基合金、鈦合金、鋁合金的研究現(xiàn)狀，指出了航空航天領(lǐng)域用增材制造金屬材料存在的問題及未來的研究方向。
1 航空航天領(lǐng)域用增材制造金屬材料的應(yīng)用
1.1 增材制造金屬材料體系及其應(yīng)用
航空航天高性能構(gòu)件多用于極端苛刻的環(huán)境，要具有超強承載、極端耐熱、超輕量化和高可靠性等特性[6]。航空航天領(lǐng)域用增材制造金屬材料的種類繁多，其合金體系及主要牌號如圖 1 所示。根據(jù)化學(xué)成分，可將航空航天用增材制造金屬材料分為鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金、鈦合金、鋁合金、銅合金等，其中鐵基合金、鎳基合金、鈦合金、鋁合金的生產(chǎn)和應(yīng)用量大面廣[11]。
表 1 歸納了航空航天領(lǐng)域用典型增材制造金屬材料及其應(yīng)用。鐵基合金的成本低，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，航空航天用增材制造鐵基合金主要包括馬氏體時效鋼、不銹鋼等。馬氏體時效鋼有 AerMet100、18Ni(300)等，在火箭和導(dǎo)彈發(fā)動機等領(lǐng)域都有應(yīng)用[12]；不銹鋼（如 SS304L、SS316L 等）具有良好的耐蝕性能，主要用于發(fā)動機和排氣系統(tǒng)、液壓件、熱交換器、起落架系統(tǒng)和接頭等[13]。
現(xiàn)代航空發(fā)動機中，高溫合金用量占發(fā)動機總質(zhì)量的 40%~60%，主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤等熱端部件，以及機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。高溫合金有鐵基、鎳基、鈷基等，鎳基高溫合金的應(yīng)用最為廣泛，其用量占比高達 80%。常用的鎳基高溫合金有 IN625、IN718 等，主要用于渦輪發(fā)動機燃燒室、渦輪機、外殼、圓盤、葉片等，以及液體火箭發(fā)動機的閥門、渦輪機械、噴射器、點火器和歧管等[13]。
鈦合金具有比強度高、耐蝕性能好等優(yōu)點，廣泛用于航空航天領(lǐng)域。TC4 合金常用于起落架、軸承架、旋轉(zhuǎn)機械、壓縮機盤及葉片、低溫推進劑罐等航空航天零件。Ti6242 合金用于壓縮機葉片和旋轉(zhuǎn)機械，而 γ-TiAl 合金較多用于渦輪葉片[13]。此外，TC2、TC18、TC21、TA15 等鈦合金常用于飛機主承載件，TC11、TC17、Ti60 合金等可用于整體葉盤等航空發(fā)動機部件[14]。鋁合金比強度高，是一種成熟的航空航天領(lǐng)域用材料。目前，可增材制造飛機零件的鋁合金有 AlSi10Mg、A6061、AlSi12、AlSi12Mg 等，常用于要求減輕質(zhì)量、降低成本的部件，如飛機機身件等[15]。
總體上看，增材制造金屬材料在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。航空航天領(lǐng)域用增材制造金屬材料的應(yīng)用主要有四方面：（1）衛(wèi)星制造，如衛(wèi)星推進系統(tǒng)的鈦合金活塞和肼推進系統(tǒng)，衛(wèi)星的鈦合金與鋁合金支架；（2）火箭制造，如火箭發(fā)動機的熱端部件等；（3）飛機制造，如飛機機身、大型結(jié)構(gòu)件、承力結(jié)構(gòu)件，飛機發(fā)動機的熱端部件；（4）武器裝備制造，如無人機發(fā)動機及巡飛彈的關(guān)鍵部件等。
1.2 增材制造金屬材料的市場規(guī)模
采用增材制造技術(shù)可實現(xiàn)復(fù)雜金屬構(gòu)件的材料−結(jié)構(gòu)一體化凈成形，為航空航天高性能構(gòu)件的設(shè)計制造提供了新的技術(shù)途徑。增材制造全球權(quán)威發(fā)展報告“Wohlers Report”指出[17]，增材制造技術(shù)已發(fā)展成能提高航空航天領(lǐng)域設(shè)計與制造能力的核心技術(shù)，其在工業(yè)應(yīng)用中的比例達 14.7%。增材制造技術(shù)能在航空航天領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，主要是因其在輕量化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成形等方面的顯著優(yōu)勢。
Wohlers Associates 統(tǒng)計數(shù)據(jù)（圖 2）[17]表明，2021 年增材制造產(chǎn)業(yè)銷售額中，增材制造服務(wù)（零部件制造）占比為 41.0%，增材制造材料占比為 23.4%，成形裝備占比為 22.4%，其他占比為 13.2%。從材料方面看，全球增材制造材料銷售額從 2017 年的 11.33 億美元升至2021 年的 25.98 億美元，年復(fù)合增長率達 23.06%。其中 2021 年金屬材料銷售額達 4.73 億美元，在全球增材制造材料總銷售額中占比約 18.20%，同比增長 23.50%，年復(fù)合增長率為26.80%。可見，增材制造材料市場快速擴大，其中金屬材料市場增速領(lǐng)先，增材制造金屬材料發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>
2.1 增材制造鐵基合金及其應(yīng)用
馬氏體高強鋼是航空航天領(lǐng)域用增材制造鐵基合金，主要包括馬氏體不銹鋼和馬氏體時效鋼[18]，具有良好的強度和韌性。從節(jié)能和降低生產(chǎn)成本的角度考慮，高強鋼仍是未來航空航天領(lǐng)域用增材制造金屬材料的重要研究方向[19]。沉淀硬化不銹鋼的典型牌號有 15-5PH、17-4PH 等[18,20]。以 17-4PH 鋼為例，由于第二相析出強化，其具有高強度和高耐蝕性，常用于航空發(fā)動機精密零件[21-22]。馬氏體時效鋼的典型牌號有 AerMet100、18Ni(300)等[23-24]，以18Ni(300)為例，其優(yōu)異的強度、韌性、硬度、耐蝕性和耐磨性主要源于固溶強化、相變強化和時效強化，在火箭和導(dǎo)彈發(fā)動機等領(lǐng)域都有應(yīng)用[23]。
2.1.1 微觀組織與力學(xué)性能
馬氏體不銹鋼的室溫組織為細小的板條馬氏體、適量的殘留奧氏體及彌散分布的沉淀強化相[18]。板條馬氏體由于位錯密度高，具有很高的強度。亞穩(wěn)殘留奧氏體能緩解裂紋尖端的應(yīng)力集中，從而提高材料韌性。時效處理析出的納米級強化相能進一步提高鋼的強度[25]。表 2 列出了 4 種典型增材制造馬氏體不銹鋼和馬氏體時效鋼的力學(xué)性能。表 2 表明，15-5PH和 17-4PH 不銹鋼的強度較低，主要強化相為富 Cu 相，如 ε-Cu 相等[21,26]。此外，鋼中 MC相具有釘扎晶界、細化晶粒的作用。
馬氏體時效鋼的微觀組織與馬氏體不銹鋼類似，主要通過超低碳鐵鎳馬氏體基體中析出金屬間化合物強化，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能[27]。以 AerMet100、18Ni(300)鋼為例，其沉積態(tài)組織為具有近亞微米級胞結(jié)構(gòu)的馬氏體[28-29]。時效處理后，會析出高密度的納米級Ni3X(X=Ti, Al, Mo)金屬間化合物，使抗拉強度提高至~2 000 MPa[24,30]。目前有關(guān)增材制造馬氏體時效鋼的研究主要是 18Ni(300)鋼，研究內(nèi)容集中在成形工藝參數(shù)優(yōu)化、熱處理工藝與組織性能之間的關(guān)系、時效強化機制等[7,29,31-36]。
為改善成形件的質(zhì)量和力學(xué)性能，通常采取設(shè)計增材制造專用合金粉末、優(yōu)化激光增材制造工藝參數(shù)和調(diào)控微觀組織等措施[23]。現(xiàn)有的廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的增材制造馬氏體高強鋼粉末主要為傳統(tǒng)塊體材料，適用于增材制造技術(shù)的馬氏體高強鋼專用粉末較少。為提高成形件的質(zhì)量和力學(xué)性能，需基于增材制造技術(shù)獨特的高冷卻速度、溫度梯度及非平衡熱循環(huán)等特點，設(shè)計適用于增材制造工藝的新型馬氏體高強鋼粉末。開發(fā)增材制造用新型馬氏體高強鋼粉末是航空航天領(lǐng)域用增材制造金屬材料的重要研究方向。
(責(zé)任編輯：admin)
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