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选区激光熔化技术发展现状及在民用飞机上的应用

    在国内，开展SLM设备研制的单位主要有华南理工大学、华中科技大学，武汉光电国家实验室等[1-5]。其中，华南理工大学在2006年就联合几家单位开发了一套SLM快速成形设备，2014年又在前期的基础上加以改进，生产出Di-Metal100型设备，主要参数为：SPI连续式200W光纤激光器（波长1075nm），光斑直径50~70μm，最大成形尺寸100mm×100mm×100mm，铺粉层厚20~50μm，扫描速度5~7000mm/s，成型腔室以Ar或N2保护，含氧量控制在0.1%以下[1-2]。华中科技大学研发的HRPM-Ⅱ型设备主要参数为：100W连续模式光纤激光器，采用二维振镜聚焦，激光定位精度0.02mm，最大扫描速度5m/s，成形速度≥7000mm3/h，铺粉层厚50~100μm，采用双缸上送粉方式，最大成形尺寸为250mm×250mm×400mm。该设备在超轻结构复杂件的制备方面有较强的优势[3]。此外，武汉光电国家实验室也自主研发了SLM设备，并对该设备的铺粉装置、运动控制系统、总体集成技术等进行了深入研究[4-5]，其设备能实现与德国EOS公司设备相对应的功能，且在价格方面具有优势，已经在航天企业中获得了应用。

    SLM专用金属粉末研发情况

    SLM技术与粉末冶金技术（PowderMetallurgy，PM）是互相联系而又有所区别的两种技术，共同点在於二者都是从粉末原材料通过加热致密化制造出相应结构件，区别主要有两点：（1）粉末冶金过程中，加热的同时还要加压，粉末未完全熔化，而SLM主要通过激光完全熔化粉末进行制造；（2）采用粉末冶金的方法，粉末是一次性放入的，而SLM中的粉末是分多批次逐步加入的。这些区别导致二者对所用的粉末原材料要求有很大不同。

    粉末冶金技术发展的历史较为悠久，国内相关行业标准较为完善，配套粉末生产企业也比较齐全[6-7]。然而，目前生产SLM专用金属粉末的主要是国外企业。其中，德国EOS公司规定成形所用的粉末材料也必须使用公司的配套产品，否则零件的成形效果就达不到质量要求。而EOS公司的粉末定价高，从国外进口采购周期长且面临限购、运输安全等风险。因此，立足国内研究情况，自主生产SLM专用粉末是必要的。在SLM专用粉末的生产方面，国内比较知名的有无锡飞而康快速制造有限公司、西安铂力特激光成形技术有限公司、西安赛隆金属材料有限公司、沈阳金属所等。主要是利用感应熔炼气体雾化技术生产粉末，并通过筛分获得不同粒径大小的产品。整个生产过程需在惰性气体保护下进行，避免外来杂质污染。

    SLM技术在民用飞机上的应用前景

    随着技术进步及人民生活水平的提高，公众对民用飞机的经济性、环保的要求越来越高，这对民用飞机的制造技术提出了更高的要求。减轻飞机结构件的重量能有效降低材料成本和燃油消耗，提升飞机的市场竞争能力。增材制造技术由於能有效改进结构设计，减少材料用量，缩短加工流程而倍受关注。包括波音、空客等大型民用飞机制造商都投入了大量的资金、人力、物力对这一技术进行研究，并已取得了显着成果，在飞机发动机、吊挂、襟翼、舱门等部位已有成功的应用。例如：空客公司在A300/A310机上厨房、盥洗室和走廊等连接铰链上应用了增材制造结构件，并在其最新的A350XWB型飞机上应用了Ti-6Al-4V增材制造结构件（如图2所示），且已通过EASA及FAA的适航认证。GE公司采用增材制造技术制造了Leap喷气发动机的金属燃料喷嘴，通过这一技术，将喷嘴原本20个不同的零部件变成了1个。这样造出的燃油喷嘴重量更轻，而且能够承受极端温度，为该公司节约了大量成本。近期GE拟采用增材制造技术制造GE9X喷气发动机的低压涡轮，GE9X据称是“有史以来建造的最先进、最省油的商用飞机发动机”，这款发动机将成为波音777客机的下一代――777X客机的驱动引擎，该款机型将於2017年开始生产，并有望在2020年交付首架给客户。