3D打印引发的锻造产业在航空制造领域的发展方向

目前，海内在金属3D打印技术领域已处于国际提高前辈水平。 西北产业大学黄卫东团队试制成功C919大飞机翼肋TC4上、下缘条构件，该类零件尺寸达450mm×350mm×3000mm。假如能对高温合金等废旧贵金属进行再回收、净化处理，使这些材料重新进入原材料的供给体系，便能有效地晋升高端材料的利用率，降低铸造企业的材料本钱，从而有利于晋升锻铸工业在航空制造领域的整体竞争能力。综上所述，金属3D打印技术在航空制造领域广泛应用还有很长的路要走，但对小批量、外形复杂、材料昂贵、常规方法无法加工的零件可以应用该技术进行制造。

金属3D打印技术特点凸起，即无需模具的自由近净成形，且全数字化、高柔性，打印的零件材质全致密、没有宏观偏析和缩松，具有较高的机能等。

3D打印技术属于一种非传统加工工艺，也称为增材制造，是全球提高前辈制造领域兴起的一项集光、机、电、计算机、数控及新材料于一体的提高前辈制造技术，该技术的核心制造思惟最早发源于美国，至今已有120多年。因此，发展提高前辈的模锻技术和环轧技术是铸造技术在航空制造领域发展的方向。面临这些题目，铸造工业在航空制造领域将如何发展是目前急需研究的课题。且我国人力资源丰硕，用工本钱较低，与欧美国家比拟，在价格应更有竞争上风。近期，美国空军和洛克希德·马丁公司已经公布与Sciaky公司成为合作伙伴，并且计划使用该公司出产的3D打印机制作飞机部件装备正在出产的F-35战斗机[11]。北京航空航天大学王华明团队为国产C919、J15、J20、J31提供航空结构件，并于2012年凭借“大型复杂整体钛合金结构件激光成型制造技术及装备”获得国家技术发明奖一等奖。

目前，3D打印技术不具备规模经济上风；没有形成适合金属3D打印的材料粉末体系；对晶粒的大小、形貌、取向难以控制；没有极限测试平台判定在使用环境下金属3D打印的零件机能是否优异；没有形成较为有效的控制内应力及零件变形开裂预防的办法。但是海内特钢产品报价却比国外同类产品高出近1倍，这对航空铸造工业来说本钱巨大。

值得留意的是，美国军方对这项技术的发展给予了相称的关注和支持，在其直接支持下，美国率先将这一提高前辈技术实用化，其中成立于1997年的AeroMet公司出产的3个Ti-6Al-4V激光快速成形零件获准在实际飞机上使用，这3个零件分别是F-22上的一个接头件、F/Al8-E/F的机翼翼根吊环以及F/A-l8E/F上的一个用于降落的连接杆。这些方法固然名称不同，但在原理上都是基于3D打印技术的增材制造理念。

在航空制造领域，固然当前金属3D打印技术不能广泛应用于高端装备的制造，但在小范围内可有所作为：如飞机结构件一体化制造（翼身一体）、重大装备大型锻件制造（核电锻件）、难加工材料及零件的成形、高端零部件的修复（叶片、机匣的修复）等传统铸造技术无法做到的领域。

针对上述题目，如何在进步材料利用率、环件尺寸精度的同时，知足新型发念头对环件组织机能、组织平均性及批次不乱性等要求，并降低出产本钱、缩短研制周期、节约珍贵材料和战略资源是发展环轧技术的方向。

从环件胀形工艺研究、异形环坯料设计与制备工艺研究、辗轧/胀形校正/热处理工艺研究、环件出产批次不乱性研究4方面推动精密环轧技术的发展，重点突破环件辗轧与胀形匹配性技术、异形坯料设计优化技术、环件残余应力测试与控制技术等枢纽技术，终极知足提高前辈航空发念头和其他武器装备对环形零件的高机能、低本钱、精确化、轻量化、长寿命和短周期制造的需要，使我国军用精密环件的出产技术达到国际提高前辈水平。

铸造技术在航空制造领域已应用多年，主要用于制造飞机、发念头承受交变载荷和集中载荷的枢纽和重要零件。为防止锻件和模具的氧化，常在真空或惰性气体保护的前提下进行，能够出产出锻后不需机加工的净型锻件或是仅需要少量加工的锻件，材料利用率高，锻件组织机能比普通锻件优异。中航引入金属3D打印技术，在航空领域已有多项金属3D打印产品应用于新型号，节约本钱的同时，进步了铸造工业核心竞争力。根据相关报道[13]，利用LSF（激光立体成形技术，属于金属3D打印技术的一种）制造航空用盘型零件材料利用率高达2/3，远远高于铸造和锻造，而设计修改时间、加工轮回周期、返修率、用度均较低。

目前，我国在研和批产的各种型号航空发念头和其他军工项目中，高温合金、钛合金等难变形材料环件的应用非常广泛。在航空制造领域铸造技术主要用于飞机及发念头零件的制造，根据其结构特点，主要有自由锻技术、模锻技术和环轧技术，而自由锻技术除在新型号飞机试制部门零件选用之外，很少直接应用于零件的制造，往往是作为给模锻制坯的工序。

至今，我国航空铸造技术的发展已经能够知足第三代军用飞机及其发念头的批量出产的需要，质量比较不乱，锻件组织致密、可控，机能优异，并通过工艺的调整可以使锻件不同部位具有不同的组织机能，已经知足各部位机能要求明显不同的场合。高的材料利用率、较短的制造周期且能兼顾复杂的结构和很高的力学机能，又可实现多种材料任意复合知足对构件各部位机能要求明显不同的场合，对急需解决的研制任务又能快速响应，由此可见金属3D打印技术在航空制造领域的长处非常显著。针对这些题目，后续应开发低本钱高温合金模具材料；进行高温模具保护涂层和模具修复技术研究；进行真空或保护气氛下的等温铸造技术研究；进行高温合金模具结构设计、模具精密锻造等研究。

为何会形成如斯高的材料本钱，究其原因是未进行废旧金属的再利用，如国外在出产过程中，废旧金属的再利用率已达70%，而海内特钢出产企业对废旧金属的应用为零。根据多年的出产经验，在出产过程中废旧金属再利用达不到60%，产品的价格就不可能降下来。第一，应知足新一代航空装备制造大型化、整体化的需求；第二，应发展低本钱、高可靠铸造技术；第三，应考虑低碳、环保的制造方式；第四，应针对新型制造技术的特点，结合铸造技术，发展高效率的复合制造技术；第五，应在铸造工业中发展轮回经济制造。据统计[1]，我国航空锻件的材料利用率约为15%~25%，其中大型锻件的材料利用率为10%~15%，环形锻件的材料利用率仅3%~10%，锻件“肥头大耳”，造成零件加工时大量的昂贵金属材料变为废削，锻件近表面的致密层不复存在，纤维组织被分割，影响和降低零件的力学机能和表面完整性；且模具本钱高、加工周期长，受铸造设备吨位的限制，锻件的尺寸受到制约。金属3D打印作为新兴制造技术在航空制造领域能否广泛应用，传统铸造技术能否知足新一代航空装备制造的需求，作者从以下2个方面进行对比分析。飞机上锻件制成的零件重量约占飞机机体结构重量的20%~35%和发念头结构重量的30%~45%，是决定飞机和发念头的机能、可靠性、寿命和经济性的重要因素之一，可见铸造技术的发展对航空制造业有着举足轻重的作用。

在航空企业，像高温合金、钛合金等战略性金属，从材料到终极产品有效利用率仅为10%~15%，对加工过程中的料削及料头，因为缺乏专业回收网络和专业技术、相应治理水平，大部门返回料被降级使用，大量战略性金属被铺张，并造成污染。

近年来等温精密铸造技术在海内航空制造领域发展较快，但还远远未达到大量推广应用的产业化技术水平，这主要是由于模具由特殊材料制造，用度比普通模具高得多；且需要温度平均可控的模具加热系统；润滑剂要求高，能在高温下充分使用；为防止工件和模具氧化，需要额外的真空或惰性气体保护装置。但海内现出产的航空航天难变形材料环件多为矩形或简朴异形截面，材料利用率低，约5%~10%，且尺寸精度差、组织不平均、加工变形严峻等题目较凸起。 GE公司收购了Morris技术公司以及3D打印服务快速质量制造公司，计划利用3D打印技术出产发念头喷嘴[12]。

目前，在航空制造领域应用的铸造技术仍旧是以普通铸造技术为主，而精密铸造技术仅在发念头叶片类锻件中应用。华中科技大学史玉升团队运用该技术出产六缸发念头缸盖，7天内整体成形四气门六缸发念头缸盖砂芯。随着提高前辈铸造技术对优质、精密、高效、环保、低本钱目标的不断追求，铸造工业在航空制造领域的发展应从5个方面进行考虑。

从20世纪90年代中期开始，利用“3D打印”技术思惟进行金属零件的直接出产成为该技术领域内发展最为迅速的方向，短短几年间诞生了多种技术方法，如美国Sandia国家实验室的Laser Engineered Net Shaping、瑞士洛桑理工学院的Laser Metal Forming、美国Los-Alamos国家实验室的Directed Light Fabrication、美国密西根大学和英国利物浦大学的Direct Metal Deposition、加拿大国家研究委员会集成制造技术Laser Consolidation、美国宾州大学的Laser Free-Form Fabrication、美国Aeromet的Laser Forming以及英国伯明翰大学的Direct Laser Fabrication等[2-10]。而新型制造技术的应用和传统制造技术的变革是航空制造技术发展的重要推动力。

由此可见，对航空铸造工业，可适当引进金属3D打印技术，通过互补协同式发展，解决军工多品种、少批量产品铸造本钱过高题目，并快速响应解决型号研制的急迫技术挫折、解决客户个性设计的需求等。因为2012年3月9日美国总统奥巴马公布的美国“制造立异国家网络”计划中，将“增材制造”作为第一个中央的研究方向，从而引起了3D打印技术风靡全球，经济学人将其称为“第三次产业革命”，《南方周末》将其叙述为“野蛮神奇”要革制造业的命。采用LSF技术制造的Ti6Al4V、316L不锈钢、Inconel625合金拉伸机能均优于锻件。跟着新一代战机对航空装备极端轻质化与可靠性的不断追求，飞机和发念头正朝着高机能、高减重、长寿命、高可靠、低本钱的方向不断发展，即要求飞机和发念头结构进一步整体化、零件大型化，这就对航空铸造技术及铸造设备有了更高的要求。因为金属3D打印技术发展时间较短，工业链及贸易化应用体系不健全，未形成合用于航空制造的质量控制规范，如金属3D打印的工艺规范、验收尺度、检测尺度等，无法确保质量的一致性及不乱性。

随着航空工业不断的发展，对航空装备极端轻质化与可靠化的追求越来越急迫，铸造技术的瓶颈已逐渐显现，尤其在大型复杂整体结构件和精密复杂构件的制造方面。可以说，在大型复杂整体结构件和精密复杂构件的制造方面，传统铸造技术的瓶颈已逐渐显现。由此可见，发展轮回经济制造是航空铸造工业降低制造低本钱的有效途径之一。

我国经由多年的技术工艺立异和进级，以及国际提高前辈出产设备的引进和改造，具备了出产飞机发念头所需特殊钢材等高端产品的能力。同时，被称为“第三次产业革命”、“野蛮神器”的新型技术——3D打印技术又给铸造技术带来了冲击，其制造理念的颠覆、加工周期的大幅缩短、材料利用率的大幅进步、低碳环保的制造方式等都直接威胁铸造工业的发展，甚至有人以为3D打印技术可以替换铸造技术用于航空制造领域。