近年来，，，，，，随着增材制造手艺的普及和应用，，，，，，金属增材制造手艺作为增材制造领域的一个主要分支，，，，，，在制造领域大放异彩，，，，，，并迅速生长[1-2]。。。。。。金属增材制造是以高能束（激光、电子束、电弧等）为加热源，，，，，，金属粉末/丝材为质料，，，，，，辅助盘算机三维数据模子，，，，，，直接制造新型金属构件的手艺要领，，，，，，特殊适合小批量、个性化、形状重大零件的制造。。。。。。

随着航空领域使用要求和设计水平的一直提高，，，，，，新型航空航行器一直向性能高、寿命长、本钱低、可靠性好等偏向生长，，，，，，航空零件逐渐趋于结构重大化和整体化。。。。。。金属增材制造由于其加工周期短、质料使用率高、设计更自由等优势，，，，，，能够知足航空零件制造的低本钱、短周期需求，，，，，，在航空制造领域获得了普遍的应用。。。。。。金属增材制造手艺是知足现代航空零件快速低本钱研制的主要手段，，，，，，同时也是知足航空超规格、重大金属结构制造的要害手艺之一[3]。。。。。。

1 、典范金属增材制造手艺及其应用

金属增材制造手艺在多年的生长中形成了多种工艺，，，，，，在航空领域中应用较为普遍的主要有选区激光熔融手艺（Selective Laser Melting，，，，，，SLM）[4]、激光熔化沉积手艺（Laser Melting Deposition，，，，，，LMD）[5]、电子束熔化成形手艺（Electron Beam Melting，，，，，，EBM）[6,9]、电子束自由成形制造手艺（ElectronBeam Freeform Fabrication，，，，，，EBF）[7,9]、电弧增材制造手艺（Wire and Arc Additive Manufacturing，，，，，，WAAM）[8]及其他高能热源或复合热源的快速成形手艺等，，，，，，下文将对这几种增材制造方法举行简要说明。。。。。。

按增材形式，，，，，，主要分为铺放金属粉末和同步送粉/送丝两种增材制造方法。。。。。。表1 和表2 划分举行了成形方法、应用工具和特点等的归纳和比照。。。。。。

1.1 选区激光熔融手艺（SLM）

选区激光熔融手艺是通过专业盘算机软件对零件三维数模举行分层切片，，，，，，形成截面轮廓信息后，，，，，，使用高能激光束逐层选择性烧结金属粉末，，，，，，凝固群集零件实体的制造方法，，，，，，手艺原理如图1 所示。。。。。。

SLM加工精度较高，，，，，，只需外貌规整处置惩罚，，，，，，特殊适合直接成形小、中型细密重大典范构件[10]。。。。。。

1995 年，，，，，，德国Fraunhofer 研究所首次提出SLM手艺，，，，，，经由一直的手艺研究，，，，，，在2002 年乐成使用SLM手艺制造出了质料致密、成形度高、性能优良的金属零件，，，，，，并举行了商业推广。。。。。。相对其他金属增材制造手艺，，，，，，SLM手艺较为成熟，，，，，，且已研制出商用装备。。。。。。其中德国的EOS、SLM Solution、ConceptLaser 公司、英国的Reinishaw 公司等都研制了种种 差别尺寸的SLM成形装备。。。。。。现在在航空领域，，，，，，英国的BAE、Roll-Royce、Airbus 公司，，，，，，美国的Boeing、Lockheed Martin、GE公司等，，，，，，都投入大宗的人力、财力举行SLM成形手艺的研究事情，，，，，，制造了包括航空发念头燃油喷嘴、发念头低压涡轮、涡轮进气口等多种重大航空零件。。。。。。SLM手艺能使这些原理由多个部件组装的零件整体成形，，，，，，大大节约了质量、加工工时和制造本钱。。。。。。如图2（a）所示，，，，，，GE 公司接纳SLM手艺生产的燃油喷嘴，，，，，，生产周期较原来缩短了2/3，，，，，，生产本钱降低了50%[9]。。。。。。同时，，，，，，新型航空结构对轻量化及特殊功效结构有着迫切的需求，，，，，，SLM手艺都能实现类似结构的生产。。。。。。Airbus 公司对A320 飞机钛合金铰链支架举行拓扑优化设计，，，，，，接纳SLM手艺制造的零件减重60%以上，，，，，，还能知足疲劳测试强度要求[9,11,18]。。。。。？？？？？？？湛偷姆苫衾氩找谰荽闯墒浇７椒ǎ，，，，接纳Scalmalloy 生物结构，，，，，，用SLM 手艺制造重大网格结构，，，，，，最大限度的镌汰了质料的使用[2,12]，，，，，，如图2（b）所示。。。。。。海内的西北工业大学、华中科技大学等的研究水平也已靠近天下前线，，，，，，不但制造了如航空支架、格栅、悬挂等的多种重大异形航空结构零件，，，，，，还实现了质料的成形工艺、几何尺寸和力学性能的周全提高，，，，，，使这些零件的使用性能都能抵达航空设计要求，，，，，，并已实现批量的装机应用[13]。。。。。。

1.2 激光熔化沉积手艺（LMD）

20 世纪90 年月，，，，，，致密金属零件的激光熔化沉积手艺在西方蓬勃国家迅速生长[14]，，，，，，其示意图如图3所示。。。。。。激光熔化沉积手艺接纳激光作为能量源，，，，，，凭证软件天生的加工路径，，，，，，同步送粉并逐层熔化金属粉末，，，，，，快速凝固逐层群集成零件毛坯，，，，，，后续仅需少量机加。。。。。。

美国、德国、瑞士、英国等国的研究机构都开展了高性能航空金属零件的激光熔化沉积研究。。。。。。美国Optomec Design 公司与美国Sandia 国家实验室相助，，，，，，最早推出了基于激光熔化沉积手艺的商业化装备。。。。。。现在，，，，，，美国DM3D、RPM Innovations、德国Trumpf、DMG Mori、法国BeAM、日本MHI、韩国InssTek 等都开发了相关装备[15]。。。。。。激光熔化沉积技 术可无邪加工制造航空零部件，，，，，，好比美国GE 公司和英国TWI 制造了压气机叶片钛合金进气边、大型整体框梁结构件等。。。。。。美国AeroMet 公司为F/A-18E/F 验证机试制了飞机钛合金发念头舱推力梁、机翼翼梁等，，，，，，F-22 战斗机机翼讨论等次承力结构件，，，，，，构件疲劳强度抵达设计要求，，，，，，实现了装机应用[16]。。。。。。美国Sandia 国家实验室，，，，，，开展了钛合金、不锈钢、高温合金等的激光熔化沉积成形手艺研究，，，，，，其成形零件的塑性和强度均高于锻件水平[17]。。。。。。另外，，，，，，该手艺还能应用其熔覆沉积功效举行零件修复，，，，，，美国军方最先将激光修复手艺适用化，，，，，，主要用于修复整体叶盘、钛合金支架、钛合金框梁、航空发念头涡轮以及主要的武器装备等[5]。。。。。。美国的AeroMet 公司接纳激光成形手艺完成了F15 战斗机中钛合金机翼梁的磨练，，，，，，使磨练周期缩短为1 周[18]；；；；；美国Optomec Design公司应用LMD手艺对T700 水师飞机涡轮叶盘和叶片的磨损部位举行修复，，，，，，修复后性能知足使用要求[19]；；；；；瑞士的洛桑理工学院接纳激光熔化沉积手艺修复航空发念头单晶涡轮叶片等[20]。。。。。。我国已经用激光熔化沉积和修复制造了多种钛合金大型重大概害金属零件，，，，，，在多种型号飞机中实现装机应用，，，，，，解决型号研制“瓶颈”问题[21]。。。。。。其中，，，，，，西北工业大学激光熔化沉积的钛合金中央翼缘条，，，，，，为C919 国产大飞机的研制提供了手艺储备，，，，，，助力乐成首飞。。。。。。北京航空航天大学用激光熔化沉积手艺制造的飞机大型钛合金要害结构件如图4 所示，，，，，，获得2012 年度“国家手艺发明奖一等奖”。。。。。。

1.3 电子束熔化成形手艺（EBM）

电子束熔化成形手艺的成形机理与选区激光熔融手艺相似，，，，，，差别的是前者是在真空条件下，，，，，，以电子束为能量源[23]，，，，，，如图5 所示。。。。。。相比于SLM 和LMD手艺，，，，，，电子束熔化成形具有能量使用率高、加工质料普遍、无反射、加工速率快、真空情形无污染、零件内部质量较高和成形剩余应力小等优点，，，，，，并且在活性和脆性难加工金属重大零部件的制造方面具有无可相比的优势，，，，，，适合成形高性能重大金属结构功效一体化零件[24]。。。。。。

20 世纪90 年月，，，，，，瑞典Arcam 公司最早开展了EBM成形装备的研究，，，，，，并于2001 年申请了基于电子束举行粉床选区熔化逐层制造零件的国际专利[24-25]。。。。。。现在，，，，，，Arcam公司以制造EBM装备为主，，，，，，产品已做生意用并兼顾成形手艺开发。。。。。。电子束熔化成形手艺在航空领域获得了普遍的应用和认可，，，，，，在金属零件成形精度、效率、本钱及零件性能方面有奇异的优势。。。。。。美国Boeing、CalRAM 公司、GE 旗下的意大利Avio 公司等针对航空发念头喷管、承力支座、升降架零件、发念头叶片等开展了大宗研究，，，，，，部分的零件已批量应用[26]。。。。。。新型的航空飞机，，，，，，常应用EBM手艺成形TiAl 基金属间化合物和钛合金质料，，，，，，取代古板的镍基高温合金，，，，，，来抵达减重的目的。。。。。。

Avio 公司应用EBM手艺成形脆性的TiAl 基质料，，，，，，制造了却构重大的发念头空心涡轮叶片，，，，，，如图6 所示，，，，，，已在新一代的航空发念头上应用，，，，，，质量约为古板镍基高温合金叶片的一半，，，，，，每叶片的平均制造时间仅为7 h，，，，，，大宗镌汰燃油消耗[27-29]。。。。。。针对电子束选区熔化手艺的开发应用，，，，，，海内的清华大学和西北有色金属研究院等研制了响应的成形装备，，，，，，开发了用于EBM手艺的多种金属粉末，，，，，，战胜了零件成形历程中的粉末吹粉、球化征象和翘曲变形等问题，，，，，，并制造了航空发念头增压涡轮部件和钛合金叶轮等。。。。。。

1.4 电子束自由成形制造手艺（EBF）

电子束自由成形制造手艺是使用高能量的电子束在真空条件下轰击金属丝材，，，，，，使其熔化并凭证妄想的路径逐层凝固群集，，，，，，形成具有致密冶金团结的金属零件或毛坯[3]，，，，，，如图7 所示。。。。。。电子束自由成形手艺相关于铺粉和送粉增材制造手艺来说，，，，，，具有沉积效率高（最高可达15 kg/h），，，，，，内部质量好，，，，，，成形零件应力小等优点，，，，，，但成形精度相对较低。。。。。？？？？？？？捎τ糜 电子束自由成形的航空线材有钛合金、铝合金、不锈钢和镍基合金等。。。。。。

电子束自由成形制造头脑最初由美国麻省理工V. R. Dave 等提出[30]，，，，，，美国航空航天局兰利研究中心举行开发，，，，，，兰利中心应用EBF 手艺制造典范的航空航天用钛合金零件，，，，，，并且研制了响应的成形装备，，，，，，美国Sciaky 公司将电子束自由成形装备实现商用化。。。。。。Sciaky 公司将质量控制和层间实时成像与传感系统团结，，，，，，能够准确感知和调解金属沉积。。。。。。这种手艺使Sciaky 公司能制造零件性能优良、结构形状一致的增材零件。。。。。。

Sciaky 公司还团结Lockheed Martin 公司等应用EBF 手艺高速打印了大型钛合金航空结构零件，，，，，，如图8 所示。。。。。。Lockheed Martin 公司还选定了F-35 飞机的襟副翼梁，，，，，，准备用电子束熔丝沉积成形取代铸造，，，，，，预期零件本钱降低30%~60%[31]。。。。。。海内虽与外洋保存一定的研究差别，，，，，，但北京航空制造工程研究所等科研机构抖擞直追，，，，，，不但自力研发了海内首台 电子束自由成形装备，，，，，，还应用多种牌号钛合金制备了大宗的航空零件和试验件，，，，，，并在海内实现了装机应用[3]。。。。。。

1.5 电弧增材制造手艺（WAAM）

电弧增材制造是以金属丝材为质料，，，，，，通过电弧提供热源熔化丝材，，，，，，并逐层群集从而形成金属重大结构零件毛坯的近净成形手艺，，，，，，如图9 所示。。。。。。具有沉积效率高（沉积钛和铝合金可达1 kg/h，，，，，，沉积不锈钢和高强钢可达4 kg/h）、力学性能好、能量消耗低、绿色环保等优点，，，，，，因此，，，，，，很是适合沉积制造大型重大金属结构零件[33]。。。。。。

电弧增材制造头脑始于20 世纪，，，，，，美国人Baker使用电弧堆焊成形制造3D 打印花瓶和花篮。。。。。。德国、美国、英国等蓬勃国家随后开展了相关的研究，，，，，，在盘算机控制、自动化焊接和质料工艺等方面都有较高的提高和突破。。。。。？？？？？？？沟缁≡霾闹圃焓忠昭芯康幕拱ㄓ⒐死挤贫麓笱А⑴餐的Norsk Titanium公司等。。。。。。现在，，，，，，克兰菲尔德大学开展了大宗应用于航空领域的铝合金和钛合金WAAM手艺研究，，，，，，接纳WAAM手艺制造的2219 和2024 铝合金经由热处置惩罚后，，，，，，战胜了气孔和热裂纹的影响，，，，，，性能凌驾了同因素的锻件水平[34]。。。。。。同时，，，，，，接纳层间碾压可以抑制TC4 柱状晶生长，，，，，，改变碾压工艺参数，，，，，，可以使晶粒获得细化[35-36]。。。。。。Norsk Titanium公司主要从事开发商业化的WAAM装备，，，，，，并且该手艺已经取得了美国联邦航空治理局（FAA）TRL8 级认证[37]。。。。。。英国著名航空发念头公司罗尔洛伊斯与克兰菲尔德大学焊接工程中心开展相助，，，，，，制造成形了Inconel 718飞机发念头模拟零件、钛合金机翼翼梁和升降架外翼肋等零件，，，，，，图10 为克兰菲尔德大学制造的Ti6Al4V 合金机翼翼梁。。。。。。近年来，，，，，，电弧增材制造手艺逐渐引起了海内科研机构的重视，，，，，，华中科技大学、哈尔滨工业大学、首都航天机械有限公司等单位都响应开展了铝合金和钛合金的电弧增材制造研究，，，，，，开发了超声波辅助电弧增材制造等新工艺，，，，，，并沉积制造了航空航天用支座、框梁等典范重大结构零件[37]。。。。。。

现在，，，，，，天下各大著名航空公司等都鼎力大举生长和应用金属增材制造手艺。。。。。。好比Boeing 公司已经在无人机，，，，，，F-18、F-22 战斗机上应用了增材制造手艺；；；；；Lockheed Martin 公司也将要在F-35 上应用多达900多种的增材制造零件；；；；；Airbus 公司开展了集成机翼妄想，，，，，，并且致力于结构设计引领增材制造手艺生长；；；；；美国GE公司收购了Morris 公司和Avio 公司，，，，，，拥 有数百台金属增材制造装备，，，，，，开展了大宗关于增材制造手艺的研究实验[9]。。。。。。凭证上文，，，，，，总结了各国研究机构在航空领域应用金属增材制造的情形，，，，，，如表3 所示。。。。。。

2、金属增材制造手艺对航空制造业生长的主要性

金属增材制造支持、助推航空制造业快速生长，，，，，，主要体现在支持立异设计、重大异形结构制造、快速研制和缺陷修复等4 个方面，，，，，，并具有重大的应用远景。。。。。。

（1）支持立异设计：多年以来，，，，，，在航空制造领域内制造能力决议设计结构已经成为制造业不可逾越的“潜规则”，，，，，，优异的设计计划由于制造能力不知足而不可实现的情形时有爆发。。。。。。理想化的最优结构，，，，，，最轻质量，，，，，，最小本钱的结构设计通常只能保存于三维建模当中，，，，，，导致最优化结构设计多年来鲜有重大突破。。。。。。因此寻找一种真正意义上的柔性制造要领，，，，，，为航空构件的设计制造理念插上自由遨游的同党具有重大的划时代意义。。。。。。金属增材制造手艺突破古板制造的瓶颈，，，，，，不受零件庞洪水平限制，，，，，，设计出即可制造出，，，，，，零件设计可依据“功效最优化”原则开展，，，，，，可实现航空零件的轻量化制造、点阵结构制造和多部件整体制造等[38-40]。。。。。。图11 为接纳金属增材制造的具有空心网格结构的航空发念头叶片和经由拓扑优化后的航空结构件。。。。。。金属增材制造使这些优化的设计计划得以实现，，，，，，抵达镌汰航空质料使用量，，，，，，降低制造时间和本钱的作用。。。。。。

（2）重大异形结构制造：重大构件通常形状重大，，，，，，整体工艺刚性较差，，，，，，同时对力学性能也要求很高，，，，，，导致接纳古板加工制造手艺制备成形很是难题。。。。。。接纳铸造手艺，，，，，，只管可以知足成形需求，，，，，，可是性能通常都不太理想，，，，，，难以知足先进飞神秘害承力件的设计要求。。。。。。接纳铸造手艺，，，，，，整体制造航空零件则成形难度大，，，，，，后续需要大宗的机械加工，，，，，，总体生产制造周期很是长。。。。。。而增材制造不受零件形状轮廓和庞洪水平约束，，，，，，成形零件的强度也能够基本知足航空零件的设计要求[41-42]。。。。。。另外，，，，，，一些需多个部件配合的航空零件，，，，，，增材制造可以整体一体成形，，，，，，因此减小了机械配合带来的零件磨损和应力集中征象。。。。。。图12 为英国制造手艺中心MTC接纳电子束熔化成形手艺整体成形的航空航天重大异形液压歧管，，，，，，接纳增材制造手艺显著镌汰了零件的整体质量，，，，，，提高了液体流动效率，，，，，，镌汰了泄露危害。。。。。。

（3）实现产品快速研制：增材制造手艺是一项制造周期短、成形效率高、无需模具、近净成形、可实现数字化快速制造的先进手艺，，，，，，能够直接凭证数？？？？？？？焖俪尚我惶寤圃於嘀柿稀⒏咝阅艿暮娇蘸教炷鸭庸ぶ卮蠊辜，，，，，，具有快速响应的优势。。。。。。现代新型飞机为减轻机体质量和提高机体寿命，，，，，，常接纳大型整体金属结构。。。。。。古板的铸造辅助机械加工制造方法，，，，，，纵然破费高昂的模具费和较长的制造周期也难以知足新研机型的研制需求[44]。。。。。。金属增材制造在研制历程中无需模具，，，，，，大大降低研制本钱，，，，，，解决了航空航天构件快速研制的迫切手艺问题。。。。。。图13 为C919 大型客机及其Ti-6Al-4V 钛合金主风挡窗框，，，，，，原始制造周期2 年（欧洲公司），，，，，，需要200 万美元模具费。。。。。。北航使用激光增材制造手艺仅55 天就制造完成该部件，，，，，，并已经实现装机验证应用[5,45]。。。。。。由此可见，，，，，，为包管研制速率，，，，，，同时顺应研制阶段设计一直更改、试验计划需要验证的情形，，，，，，新型飞机研制急需增材制造这种无模具制造手艺。。。。。。

（4）零件修复：航空航天结构件一直大型化、整体化，，，，，，零件价值高，，，，，，如飞机整体钛合金框仅毛坯就数百万，，，，，，在加工历程中，，，，，，经常由于铣刀掉刀爆发失误造成报废，，，，，，造成重大的经济损失。。。。。。；；；Ｉ杏械姆苫慵在使用和服役历程中因遭受较大载荷而爆发磨损和侵蚀等缺陷，，，，，，应用LMD 手艺都可以获得快速修复。。。。。。接纳激光修复损伤加工缺陷，，，，，，关于航空航天企业来说是提高经济效益的主要手段。。。。。。随着激光修复手艺的生长，，，，，，现在已经乐成应用于形状越发重大、事情情形和可靠性要求更高的航空零件上，，，，，，如大型钛合金框梁、讨论结构件，，，，，，发念头叶片、叶盘，，，，，，镍基合金高压涡轮，，，，，，不锈钢升降架等的修复[47]。。。。。。其中，，，，，，北京航空质料研究院接纳激光修复手艺，，，，，，针对第三代战机、伊尔76 飞机的超高强度钢升降架、不锈钢轴颈、钛合金襟翼滑轨等承力构件开展修复研究事情，，，，，，修复的部分零件已经通过装机评审和应用[48]。。。。。。

如图14 所示，，，，，，经由修复的伊尔76 飞机超高强度钢升降架，，，，，，修复后状态优异，，，，，，已经获得批量应用。。。。。。

3 、结论与展望

金属增材制造手艺改变了古板的制造方法，，，，，，能够直接、快速制造金属结构功效零件，，，，，，尤其对难加工重大异形结构的制造具有重大优势，，，，，，在海内外航空制造加工领域获得了迅速生长，，，，，，对我国航空工业的生长具有主要的价值和意义。。。。。。

为了推进增材制造手艺在航空领域的深入应用，，，，，，增进协作交流，，，，，，我国航空领域更应该对金属增材制造手艺投入大宗手艺立异和资金支持，，，，，，并在以下方面举行准备：

（1）推进“产学研团结”，，，，，，从原质料、设计、制造、检测等全方面入手，，，，，，形成航空领域面向增材制造的全流程手艺系统。。。。。。拓展金属增材制造手艺在航空制造领域的应用规模，，，，，，延伸工业链，，，，，，提高工业化水平；；；；；

（2）增强金属增材制造装备和质料、工艺等基础机理和科学问题研究，，，，，，制订与完善相关标准规范。。。。。。进而降低本钱、提高成形精度和性能、增添质料种类和使用规模，，，，，，最终提升航空产品的性能和服役时间；；；；；

（3）从航空制造领域设计的源头出发，，，，，，在知足航空零件性能和服役条件的情形下，，，，，，实现功效性优先的设计，，，，，，使金属零件向轻量化和整体化偏向生长，，，，，，设计引领并推动增材制造手艺一直突破和生长。。。。。。

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