作為高附加值產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)潘鲫，航空航天工業(yè)一直對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)開發(fā)和采用具有強(qiáng)大推動(dòng)力萍启。隨著航空業(yè)對(duì)節(jié)能減排总珠、輕量化、可靠性和舒適性的要求越來(lái)越高勘纯，飛機(jī)制造需要越來(lái)越多的高性能材料和新設(shè)計(jì)局服。傳統(tǒng)的制造工藝已經(jīng)達(dá)到了滿足要求的極限。

增材制造在航空航天工業(yè)中的市場(chǎng)趨勢(shì)

增材制造的快速發(fā)展為滿足這些行業(yè)需求提供了可能性驳遵，因?yàn)樵霾闹圃焯峁┝霜?dú)特的優(yōu)勢(shì)和可行性淫奔，可以克服幾何形狀、材料堤结、性能和功能方面的限制斜擎。它為制造具有高精度復(fù)雜、復(fù)合和混合結(jié)構(gòu)提供了前所未有的設(shè)計(jì)自由肢阿，這是傳統(tǒng)制造路線無(wú)法實(shí)現(xiàn)的宿闯。增材制造的上述優(yōu)勢(shì)在航空乳嘁、汽車、電子危厕、醫(yī)療寻适、軍事、建筑等領(lǐng)域的廣泛工業(yè)領(lǐng)域正在得到應(yīng)用稻扔。全球增材制造市場(chǎng)規(guī)模從2013年的約30億美元迅速增長(zhǎng)奉念，至2021年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到152.44億美元。3D打印技術(shù)參考根據(jù)歷年來(lái)的Wohlers報(bào)告熊骆，隨著增材制造行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大鹿竭，增材制造技術(shù)在航空航天工業(yè)中的市場(chǎng)規(guī)模也迅速增長(zhǎng)，在該領(lǐng)域所產(chǎn)生的市場(chǎng)價(jià)值所占整個(gè)增材制造市場(chǎng)規(guī)模的比例在2019-2021年分別為14.7%纳倚、15.9%和16.8%胜溢，到2021年，達(dá)到25.6億美元章母。

增材制造在航空航天工業(yè)中的制造優(yōu)勢(shì)

由于以下優(yōu)勢(shì)對(duì)該行業(yè)的適用性母蛛，增材制造在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用是整個(gè)增材制造市場(chǎng)很關(guān)鍵的組成部分。

(1)幾何設(shè)計(jì)和優(yōu)化自由乳怎。增材制造能夠?qū)⒉牧限D(zhuǎn)換為自由形式的3D組件彩郊，例如復(fù)雜的外部形狀和內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)，還允許拓?fù)鋬?yōu)化制造輕質(zhì)組件蚪缀，通過(guò)使用晶格結(jié)構(gòu)秫逝，可實(shí)現(xiàn)同等甚至更高的機(jī)械性能。

(2)功能整合和零件整合询枚。增材制造能夠生產(chǎn)具有定制材料組成的集成多功能部件违帆，如功能梯度材料。由增材制造工藝生產(chǎn)的功能性多材料燃燒室金蜀，通過(guò)將鎳基高溫合金沉積在銅合金表面刷后，可以簡(jiǎn)化傳統(tǒng)制造工藝，同時(shí)增強(qiáng)部件功能渊抄。此外尝胆，增材制造也可實(shí)現(xiàn)零件整合，在功能集成的同時(shí)提高了可靠性和性能禁妓。復(fù)雜的航空航天部件傳統(tǒng)上由多個(gè)簡(jiǎn)單部件組裝在一起环壳，與激光增材制造整合部件相比，這可能會(huì)降低可靠性和幾何精度虾脆，同時(shí)增加維護(hù)成本享秒。3D打印技術(shù)參考曾經(jīng)介紹脂桂，Launcher采用SLM技術(shù)制造了世界上※大的單體燃燒室压伸，為小型衛(wèi)星發(fā)射提供※低的推進(jìn)劑消耗和發(fā)射成本蛆古，將多個(gè)部件合并為一個(gè)部件可以降低成本并實(shí)現(xiàn)高性能的再生冷卻設(shè)計(jì)。此外鳞乏，伯明翰大學(xué)的AMP實(shí)驗(yàn)室還研究了使用SLM技術(shù)將數(shù)千個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)部件整合成幾個(gè)部分的可行性舔伴。

(a) 銅-鎳多材料燃燒室(b) SLM打印的Launcher E-2大型單體燃燒室，高 86 cm绝绊，噴嘴直徑41 cm (c) 伯明翰大學(xué)AMP實(shí)驗(yàn)室SLM制造的引擎溃柑；(d) GE 3D打印的噴嘴和(e)燃燒器；(f)SLM技術(shù)生產(chǎn)的In718 噴嘴環(huán)

(3)材料和能源效率收斑。在材料使用方面稀境， SLM技術(shù)的材料浪費(fèi)約為 5%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)減材制造据德，后者可產(chǎn)生高達(dá)95%的材料浪費(fèi)鳄乏。GE基于SLM技術(shù)設(shè)計(jì)和制造了燃料噴嘴，重量減輕了25%棘利，并降低燃料消耗橱野，成本效率提高了30%。GE采用激光增材制造的燃燒器和噴嘴環(huán)是典型的近凈成形的節(jié)材案例善玫，與傳統(tǒng)的鍛造鋼錠加工相比水援，后者將浪費(fèi)大部分材料。此外茅郎，使用激光增材制造實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件的輕量化是降低油耗的非常有效的措施蜗元。據(jù)報(bào)道，商用飛機(jī)每減輕一公斤重量系冗，每年大約可節(jié)省價(jià)值約3000美元的燃料许帐，并大量減少碳排放。

(4)定制和小批量生產(chǎn)毕谴。與傳統(tǒng)制造工藝相比成畦，激光增材制造的大批量生產(chǎn)成本往往更高。然而霉尊，考慮到模具制造堆浴、加工工具和庫(kù)存的高投資成本，該工藝對(duì)于航空航天工業(yè)中常見的小批量定制零件更具成本效益督赡。

(5)縮短制造周期哭逻。近凈成形激光增材制造組件所需的加工時(shí)間較短，可以減少產(chǎn)品制造提前期磷可。羅羅報(bào)告稱躬筐，使用激光增材制造可以節(jié)省 30% 的生產(chǎn)時(shí)間，而波音公司聲稱零件數(shù)量的減少將使總安裝時(shí)間減少50%荸刁。利勃海爾航空航天用增材制造部件取代了傳統(tǒng)的主飛行高壓液壓閥塊部件帅忌，重量減輕了35%弦银，部件數(shù)量減少了10個(gè)，所需的制造時(shí)間減少了75%以上此幕。

增材制造在航空航天工業(yè)的應(yīng)用范圍和研究現(xiàn)狀

在上述優(yōu)勢(shì)的推動(dòng)下宦衡，航空航天業(yè)一直在探索使用增材制造生產(chǎn)飛機(jī)零件，包括各種鉸鏈签缸、支架尼荆、內(nèi)部組件、輕量化機(jī)身等唧垦，甚至發(fā)動(dòng)機(jī)部件捅儒，如帶有內(nèi)部冷卻通道的渦輪葉片、燃料噴嘴和壓縮機(jī)以及集成管道系統(tǒng)振亮。值得注意的是野芒，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，也是現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠双炕。

波音787飛機(jī)的GE CF6渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的材料分布

航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用※廣泛的高價(jià)值材料主要包括鋼狞悲、鎳基高溫合金和鈦合金，對(duì)后兩種材料妇斤，3D打印技術(shù)參考也曾進(jìn)行過(guò)詳細(xì)介紹摇锋，盡管增材制造學(xué)術(shù)界對(duì)這三種材料進(jìn)行了廣泛研究，但沒(méi)有對(duì)增材制造高強(qiáng)度鋼進(jìn)行多方面審查站超，也沒(méi)有對(duì)鈦合金和鎳基高溫合金的新進(jìn)展進(jìn)行審查荸恕。例如，※近對(duì)鎳基高溫合金的評(píng)論僅集中在In718死相，新開發(fā)的鎳基高溫合金洪洪，如WSU 150和單晶高溫合金還有重要的研究機(jī)會(huì)。盡管已有大量關(guān)于Ti6Al4V增材制造研究丘三，但對(duì)于這種材料和其他鈦合金的典型微觀結(jié)構(gòu)极谚、靜態(tài)力學(xué)性能和疲勞性能仍然缺乏更廣泛和多方面的總結(jié)。此外许辖，激光增材制造鈦合金中的一些※關(guān)鍵的問(wèn)題疲些，包括如何在打印態(tài)下實(shí)現(xiàn)高延展性以及等軸β和α結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制通常未被考慮。

飛機(jī)機(jī)身的主要材料：鋁合金贮猛、鈦合金眷抠、復(fù)合材料、高溫合金

激光增材制造過(guò)程中復(fù)雜的激光-材料相互作用使得難以概括不同航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的工藝參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)-機(jī)械性能之間的關(guān)系闺蜈。深入了解不同航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的這種關(guān)系漏踊，可以推動(dòng)優(yōu)質(zhì)高價(jià)值航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料和先進(jìn)先進(jìn)設(shè)備的開發(fā)。然而，現(xiàn)有的評(píng)論往往集中在這三種廣泛使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料中的一小部分娱畔。

因此览讳，需要對(duì)這些特定高性能合金的激光增材制造進(jìn)行嚴(yán)格和專門的審查，總結(jié)其進(jìn)展旨袒，并確定研究機(jī)會(huì)和差距。對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料术辐，包括先進(jìn)高強(qiáng)度鋼砚尽、鎳基高溫合金、鈦合金進(jìn)行詳細(xì)綜述辉词，繪制這三類航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料在加工窗口必孤、強(qiáng)度-延性組合、疲勞性能瑞躺、室溫/高溫性能等方面的材料性能屬性圖敷搪，將為研究人員提供關(guān)鍵航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料激光增材制造的完整新信息，并鼓勵(lì)在新型先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料激光增材制造方面進(jìn)行更具啟發(fā)性的科學(xué)研究幢哨，促進(jìn)該技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的應(yīng)用赡勘。

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