國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學(xué)盧秉恒院士團(tuán)隊(duì)利用電弧熔絲增減材一體化制造技術(shù)，制造完成了世界上首件10m級(jí)高強(qiáng)鋁合金重型運(yùn)載火箭連接環(huán)樣件，在整體制造的工藝穩(wěn)定性、精度控制及變形與應(yīng)力調(diào)控等方面均實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)突破。

10m級(jí)高強(qiáng)鋁合金重型運(yùn)載火箭連接環(huán)實(shí)現(xiàn)一體化制造

10米級(jí)超大型鋁合金環(huán)件是連接重型運(yùn)載火箭貯箱的筒段、前后底與火箭的箱間段之間的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。該樣件重約1t，創(chuàng)新采用多絲協(xié)同工藝裝備，制造工藝大為簡(jiǎn)化、成本大幅降低，制造周期縮短至1個(gè)月。目前，采用增減材一體化制造技術(shù)成功完成超大型環(huán)件屬國(guó)際首例。

大型鋁合金構(gòu)件的直接制造有著重要需求

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)飛行器的性能提出了越來(lái)越高的要求。采用高性能鋁合金結(jié)構(gòu)件尤其是大型整體鋁合金主承力結(jié)構(gòu)件仍然是減輕飛行器結(jié)構(gòu)重量，提高運(yùn)載能力和飛行速度的重要技術(shù)途徑之一。因此高性能鋁合金的材料制備和零件制造新工藝、新方法始終是研究的熱點(diǎn)。

一些民用干線飛機(jī)用材結(jié)構(gòu)比例（%）

近年來(lái)，美國(guó)、歐洲的航空設(shè)計(jì)部門(mén)發(fā)現(xiàn)，采用大型整體式鋁合金構(gòu)件替代傳統(tǒng)的組合式鋁合金構(gòu)件，可減重15-20%，并且構(gòu)件壽命及可靠性明顯增加。明顯可以感覺(jué)到，大型客機(jī)、戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼主翼梁、翼身對(duì)接肋、機(jī)身承受力框等對(duì)鋁合金的高性能化、構(gòu)件大型化的要求越來(lái)越突出，總的來(lái)說(shuō)，在航空航天領(lǐng)域，鋁合金材料重新受到重視。

隨著我國(guó)航空航天事業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)運(yùn)載火箭、空間站等大型化、整體化制造提出了更高需求。為搶占世界增材制造科技戰(zhàn)略高點(diǎn)，滿足我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展需要，盧秉恒院士團(tuán)隊(duì)潛心研發(fā)，克服了多路打印的運(yùn)動(dòng)控制、大尺寸結(jié)構(gòu)件打印的變形與應(yīng)力調(diào)控等難題，成功實(shí)現(xiàn)了大型航天鋁合金回轉(zhuǎn)體構(gòu)件整體增減材制造成形、組織性能精確調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)突破，為我國(guó)航天型號(hào)工程的快速研制提供了技術(shù)支撐，亦讓我國(guó)深空探測(cè)裝備硬件能力得到大幅提升（延伸閱讀可查看國(guó)家增材院的相關(guān)課程）。

盧院士等人與10m級(jí)高強(qiáng)鋁合金重型運(yùn)載火箭連接環(huán)

據(jù)筆者了解， 2020年第四屆中國(guó)（西安）國(guó)際3D打印博覽會(huì)暨高端論壇期間，一款名為「大型金屬制件增鍛減裝備」被發(fā)布，該設(shè)備是齊重?cái)?shù)控為西安增材制造國(guó)家研究院有限公司開(kāi)發(fā)的大型筒體電弧增材制造裝備（國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目）。3D打印技術(shù)參考猜測(cè)，本次成功一體化制造的10m級(jí)高強(qiáng)鋁合金重型運(yùn)載火箭連接環(huán)很可能就是采用該設(shè)備制造。

采用激光能量沉積直接制造鋁合金構(gòu)件的瓶頸

當(dāng)前以SLM技術(shù)為主的鋁合金3D打印工藝自然無(wú)法滿足大型構(gòu)件的制造需求，而激光能量沉積技術(shù)為什么沒(méi)能用于大型整體高性能鋁合金關(guān)鍵金屬零件的直接制造呢？究其原因，主要有以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)難題未能有效解決：

（1）與鋼和鈦合金相比，鋁合金的導(dǎo)熱率更高，而鋁本身的激光吸收率低、反射激光率高，在鋁合金激光直接沉積過(guò)程中，會(huì)有更多的能量通過(guò)基體的熱傳導(dǎo)損失掉，降低鋁合金零件成形效率；

激光沉積用于修復(fù)

（2）鋼的熱膨脹系數(shù)是鋁合金的一半，鋁合金激光直接沉積過(guò)程中的變形和應(yīng)力都較大，需要采取零件變形開(kāi)裂預(yù)防措施；

（3）鋁合金在激光直接沉積過(guò)程中極易與氧發(fā)生反應(yīng)生成熔點(diǎn)高（2050℃）、相組織穩(wěn)定、密度相對(duì)較高、難以去除的Al2O3。Al2O3氧化層會(huì)在后續(xù)沉積過(guò)程中形成夾渣、未熔合等缺陷；

（4）鋁合金密度低，激光沉積過(guò)程中易受到激光轟擊產(chǎn)生粉塵飛濺，一方面使制品產(chǎn)生缺陷，另一方面造成成形腔室粉塵飛揚(yáng)，影響打印環(huán)境；

激光沉積用于修復(fù)

（5）鋁合金在熔融的狀態(tài)下，氫在鋁合金中的溶解量會(huì)大幅度增加，同時(shí)由于良好的導(dǎo)熱性，在熔池快速凝固的情況下，氫難以逸出，滯留在熔池中形成氣孔；

（6）鋁合金在激光直接沉積過(guò)程中可能造成低沸點(diǎn)合金元素（如Zn、Si等元素）燒損，造成合金成分的變化，影響零件的組織和性能。

無(wú)須高能熱源、不需氣體保護(hù)，一種高速成型的鋁合金3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)參考曾介紹過(guò)一種被稱為攪拌摩擦增材制造的新技術(shù)，它完全不基于高能熱源，也不需要保護(hù)氣氛，還能以10倍于熔融成型3D打印的速度制造大型整體構(gòu)件。美國(guó)公司Meld Manufacturing公司采用該技術(shù)打印出了直徑3.05米的鋁合金零件。

3D打印的直徑3.05米的零件

攪拌摩擦增材制造的基礎(chǔ)是攪拌摩擦焊技術(shù)，它利用攪拌針與連接件的攪拌摩擦產(chǎn)生熱量軟化連接處的材料，再通過(guò)軸向的壓力使得材料連接在一起。這樣的焊接方式?jīng)]有經(jīng)過(guò)金屬的熔化與凝固，只是經(jīng)過(guò)塑性軟化和軸向的擠壓，連接處在材料性能上存在一定的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于大型鋁合金增材制造具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

Meld Manufacturing攪拌摩擦增材制造過(guò)程

鋁合金棒材在進(jìn)料過(guò)程中通過(guò)與攪拌針摩擦生熱，發(fā)生塑性軟化，然后再通過(guò)兩者的擠壓，實(shí)現(xiàn)增材過(guò)程。在這樣的過(guò)程中，材料并未經(jīng)歷熔化與凝固而一直保持固態(tài)，且過(guò)程中的擠壓又起到“鍛造”作用，最終得到的是性能良好的細(xì)晶組織。細(xì)晶組織具有良好的機(jī)械性能和疲勞性能，且能改善材料的延展性，這也是材料提高強(qiáng)度等性能的原因。

Meld Manufacturing采用攪拌摩擦增材制造的部件

此外，由于成形過(guò)程中不存在金屬的熔化/凝固過(guò)程，材料在成形過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生與熔化相關(guān)的熱裂紋、氣孔等冶金缺陷。而正是由于成形溫度低且成形發(fā)生在材料內(nèi)部也不會(huì)受外界影響造成材料氧化等問(wèn)題，生產(chǎn)過(guò)程可以在露天環(huán)境中進(jìn)行，所制造的部件的尺寸顯著增加。

END

通過(guò)本文我們可以知道，大型鋁合金構(gòu)件雖采用主流的激光沉積制造存在問(wèn)題，但新型的攪拌摩擦增材制造以及電弧增材制造卻均取得了極大成功。

而國(guó)家增材制造中心自2016年開(kāi)始建設(shè)，2020年元月份經(jīng)過(guò)了能力的驗(yàn)收，可以提供面向各行業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的解決方案。目前已開(kāi)展了重大裝備的開(kāi)發(fā)，有八款新的增材制造裝備研發(fā)成功，其中包括“五軸激光增減材復(fù)合制造裝備”，有望成為國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)別的商用機(jī)。