航空航天领域用增材制造金属材料的研究进展
时间：2024-01-12 09:16 来源：材料成型及模拟分析 作者：孙暄,胡斌,熊智慧等 阅读：次
航空航天领域高新技术密集，航空航天高端装备的服役性能很大程度上取决于金属构件的性能。随着新型航空发动机、大飞机、新一代运载火箭等航空航天产品的开发及新材料的应用，对制造技术的要求也越来越高。采用铸、锻、焊、机加工等传统制造技术生产航空航天领域用金属构件，往往需要重型装备和大型工模具，技术难度大，材料加工余量大、利用率低，生产周期长、成本高，已难以满足需求。
近年来开发的增材制造技术能解决这些问题。金属增材制造是以激光、电子束或电弧作热源，根据三维模型数据将材料（流体、粉末、丝材、块体）逐层堆积，进而实现金属构件的直接制造[3]。该制造技术能快速完成高性能大型复杂金属构件的直接近净成形，是一种“变革性”绿色低碳制造技术[4-5]。目前，金属增材制造技术已发展成提高航空航天设计与制造能力的核心技术，其应用范围已从零部件（飞机、卫星、高超飞行器、载人飞船的零部件打印）扩展至整机（发动机、无人机、微/纳卫星整机打印）[6]。采用金属增材制造技术可实现复杂金属构件的材料−结构一体化净成形，为航空航天高性能构件的设计与制造提供了新途径。
航空航天高端装备正朝着高性能、长寿命、高可靠性及低成本的方向发展，采用整体结构和复杂大型化是其发展趋势[1]。基于这种发展趋势，要求金属构件具有良好的力学性能，并兼具防热、隔热、减振、抗辐射等特殊功能[6]。材料是制造业的基础，“一代材料、一代装备”，材料直接影响和决定航空航天工业的发展水平和质量。目前，以马氏体时效钢为代表的高强钢[7]、以镍基高温合金为代表的耐热合金[8]、以钛、铝合金为代表的轻质高强合金[9-10]，均是重要的航空航天领域用增材制造金属材料。通过创新和发展上述 4 种合金，并结合增材制造控形和控性技术，可实现材料−结构−性能一体化制造，以满足航空航天领域对增材制造金属构件的需求。本文从航空航天领域对增材制造金属材料的需求出发，综述了航空航天领域用铁基合金、镍基合金、钛合金、铝合金的研究现状，指出了航空航天领域用增材制造金属材料存在的问题及未来的研究方向。
1 航空航天领域用增材制造金属材料的应用
1.1 增材制造金属材料体系及其应用
航空航天高性能构件多用于极端苛刻的环境，要具有超强承载、极端耐热、超轻量化和高可靠性等特性[6]。航空航天领域用增材制造金属材料的种类繁多，其合金体系及主要牌号如图 1 所示。根据化学成分，可将航空航天用增材制造金属材料分为铁基合金、镍基合金、钴基合金、钛合金、铝合金、铜合金等，其中铁基合金、镍基合金、钛合金、铝合金的生产和应用量大面广[11]。
表 1 归纳了航空航天领域用典型增材制造金属材料及其应用。铁基合金的成本低，具有广阔的应用前景。目前，航空航天用增材制造铁基合金主要包括马氏体时效钢、不锈钢等。马氏体时效钢有 AerMet100、18Ni(300)等，在火箭和导弹发动机等领域都有应用[12]；不锈钢（如 SS304L、SS316L 等）具有良好的耐蚀性能，主要用于发动机和排气系统、液压件、热交换器、起落架系统和接头等[13]。
现代航空发动机中，高温合金用量占发动机总质量的 40%~60%，主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘等热端部件，以及机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。高温合金有铁基、镍基、钴基等，镍基高温合金的应用最为广泛，其用量占比高达 80%。常用的镍基高温合金有 IN625、IN718 等，主要用于涡轮发动机燃烧室、涡轮机、外壳、圆盘、叶片等，以及液体火箭发动机的阀门、涡轮机械、喷射器、点火器和歧管等[13]。
钛合金具有比强度高、耐蚀性能好等优点，广泛用于航空航天领域。TC4 合金常用于起落架、轴承架、旋转机械、压缩机盘及叶片、低温推进剂罐等航空航天零件。Ti6242 合金用于压缩机叶片和旋转机械，而 γ-TiAl 合金较多用于涡轮叶片[13]。此外，TC2、TC18、TC21、TA15 等钛合金常用于飞机主承载件，TC11、TC17、Ti60 合金等可用于整体叶盘等航空发动机部件[14]。铝合金比强度高，是一种成熟的航空航天领域用材料。目前，可增材制造飞机零件的铝合金有 AlSi10Mg、A6061、AlSi12、AlSi12Mg 等，常用于要求减轻质量、降低成本的部件，如飞机机身件等[15]。
总体上看，增材制造金属材料在航空航天领域具有广阔的应用前景。航空航天领域用增材制造金属材料的应用主要有四方面：（1）卫星制造，如卫星推进系统的钛合金活塞和肼推进系统，卫星的钛合金与铝合金支架；（2）火箭制造，如火箭发动机的热端部件等；（3）飞机制造，如飞机机身、大型结构件、承力结构件，飞机发动机的热端部件；（4）武器装备制造，如无人机发动机及巡飞弹的关键部件等。
1.2 增材制造金属材料的市场规模
采用增材制造技术可实现复杂金属构件的材料−结构一体化净成形，为航空航天高性能构件的设计制造提供了新的技术途径。增材制造全球权威发展报告“Wohlers Report”指出[17]，增材制造技术已发展成能提高航空航天领域设计与制造能力的核心技术，其在工业应用中的比例达 14.7%。增材制造技术能在航空航天领域被广泛应用，主要是因其在轻量化、复杂结构一体化成形等方面的显著优势。
Wohlers Associates 统计数据（图 2）[17]表明，2021 年增材制造产业销售额中，增材制造服务（零部件制造）占比为 41.0%，增材制造材料占比为 23.4%，成形装备占比为 22.4%，其他占比为 13.2%。从材料方面看，全球增材制造材料销售额从 2017 年的 11.33 亿美元升至2021 年的 25.98 亿美元，年复合增长率达 23.06%。其中 2021 年金属材料销售额达 4.73 亿美元，在全球增材制造材料总销售额中占比约 18.20%，同比增长 23.50%，年复合增长率为26.80%。可见，增材制造材料市场快速扩大，其中金属材料市场增速领先，增材制造金属材料发展潜力巨大。
2.1 增材制造铁基合金及其应用
马氏体高强钢是航空航天领域用增材制造铁基合金，主要包括马氏体不锈钢和马氏体时效钢[18]，具有良好的强度和韧性。从节能和降低生产成本的角度考虑，高强钢仍是未来航空航天领域用增材制造金属材料的重要研究方向[19]。沉淀硬化不锈钢的典型牌号有 15-5PH、17-4PH 等[18,20]。以 17-4PH 钢为例，由于第二相析出强化，其具有高强度和高耐蚀性，常用于航空发动机精密零件[21-22]。马氏体时效钢的典型牌号有 AerMet100、18Ni(300)等[23-24]，以18Ni(300)为例，其优异的强度、韧性、硬度、耐蚀性和耐磨性主要源于固溶强化、相变强化和时效强化，在火箭和导弹发动机等领域都有应用[23]。
2.1.1 微观组织与力学性能
马氏体不锈钢的室温组织为细小的板条马氏体、适量的残留奥氏体及弥散分布的沉淀强化相[18]。板条马氏体由于位错密度高，具有很高的强度。亚稳残留奥氏体能缓解裂纹尖端的应力集中，从而提高材料韧性。时效处理析出的纳米级强化相能进一步提高钢的强度[25]。表 2 列出了 4 种典型增材制造马氏体不锈钢和马氏体时效钢的力学性能。表 2 表明，15-5PH和 17-4PH 不锈钢的强度较低，主要强化相为富 Cu 相，如 ε-Cu 相等[21,26]。此外，钢中 MC相具有钉扎晶界、细化晶粒的作用。
马氏体时效钢的微观组织与马氏体不锈钢类似，主要通过超低碳铁镍马氏体基体中析出金属间化合物强化，具有优异的综合力学性能[27]。以 AerMet100、18Ni(300)钢为例，其沉积态组织为具有近亚微米级胞结构的马氏体[28-29]。时效处理后，会析出高密度的纳米级Ni3X(X=Ti, Al, Mo)金属间化合物，使抗拉强度提高至~2 000 MPa[24,30]。目前有关增材制造马氏体时效钢的研究主要是 18Ni(300)钢，研究内容集中在成形工艺参数优化、热处理工艺与组织性能之间的关系、时效强化机制等[7,29,31-36]。
为改善成形件的质量和力学性能，通常采取设计增材制造专用合金粉末、优化激光增材制造工艺参数和调控微观组织等措施[23]。现有的广泛应用于航空航天领域的增材制造马氏体高强钢粉末主要为传统块体材料，适用于增材制造技术的马氏体高强钢专用粉末较少。为提高成形件的质量和力学性能，需基于增材制造技术独特的高冷却速度、温度梯度及非平衡热循环等特点，设计适用于增材制造工艺的新型马氏体高强钢粉末。开发增材制造用新型马氏体高强钢粉末是航空航天领域用增材制造金属材料的重要研究方向。
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