航天领域3D打印材料及工艺技术研究现状

航天领域3D打印材料及工艺技术研究现状

刘虎

空军工程大学航空机务士官学校 河南省信阳市 464000

摘要：在3D打印技术的早期阶段，它主要应用于原型制作，但随着技术的演进和可用材料种类的增加，尤其是在金属部件的生产中，3D打印技术的应用范围显著扩展。如今，这项技术不仅限于创建原型，还能用于制造具有实际功能的零部件。此外，3D打印的独特能力在于它可以生成传统制造方法难以甚至无法达成的复杂、优化的几何形态，这些结构往往包含精细的内部空洞。不过，在航空、医疗和汽车行业等对几何精度和表面质量有极高要求的领域，单纯的3D打印往往无法满足这些标准。因此，3D打印的组件通常需要经过详尽的后期处理，以提升其尺寸精确度、表面质量和机械性能。

关键词：航天；3D打印材料；工艺技术；现状；措施

1影响因素分析

1.1航天器服役环境

航天器的工作环境特指其在轨道运行期间遭遇的自然条件，这通常涵盖了地面以上数十公里的辽阔空间，这个区域内充斥着各种物质、粒子和场的多样性。综合来看，航天器的关键工作环境可以归纳为：热真空条件、力学影响环境、辐射条件、温度极端变化环境、地磁环境以及重力场环境等。

1.2应用功能分析

方案设计的精髓在于指标框架的构建，而具体性能指标的设定不仅受制于航天器的操作环境，更紧密关联于材料在实际应用中的功能表现。历经多年的增材制造技术革新，如今在航天运输和卫星系统的广泛应用中，典型的产品组件如引擎喷嘴、减震器、电池壳体、推进剂储存容器、降落伞罩盖以及着陆平台支架等，扮演着独特的角色。这些组件各自在系统中承担的任务各异，对材料在运行中的基本性能需求各有侧重。一般来说，常见的3D打印金属材料主要具备耐高温、高强度、良好的热传导性和优异的化学兼容性等特点。因此，针对3D打印金属材料的性能指标体系研究，必须根据各类组件的实际功能特性进行定制化的性能分类设定。

1.3材料缺陷及失效模式

增材制造技术，作为一种创新的数字化制造工艺，通过逐层叠加的方式，能有效地制造出结构复杂的零部件，且效率高。在金属增材制造的流程中，材料温度波动显著，其行为难以预测，这导致产品常常伴有各种瑕疵。这些缺陷主要包括表面氧化、球状化、内部裂纹、未熔合、杂质以及孔隙。表面氧化是金属在高温环境下与氧气发生化学反应的结果，形成了一种缺陷；球状化则是金属液滴在表面张力影响下自然收缩的现象；裂纹的产生通常归因于制造过程中快速的熔化和固化过程，产生的内应力过大，一旦超过临界点，就会诱发裂纹，导致产品破裂；未熔合问题是指在金属增材制造中，层间或道间的金属没有充分熔化融合，形成的明显且形状不规则的缺陷；杂质缺陷则是因为产品中含有与基底金属成分不同的其他金属，如铌(Nb)、钽(Ta)，这些杂质看起来比基底金属更亮；孔隙缺陷的产生主要由于金属在快速冷却的过程中，熔融金属中的气体无法及时逸出，被困在固态金属内部形成空洞。

2航天零部件3D打印技术国内外研究现状

2.1航天领域常用增材制造技术

ISO/ASTM52900-2015国际标准将增材制造技术划分为七大工艺门类，涵盖了光固化、材料喷射、粘合剂喷射、熔融粉末床、挤出成型、定向能量沉积以及层叠工艺。特别值得关注的是，定向能量沉积（DED）和粉末床熔融（PBF）技术因能生产出高密度金属组件，契合航天工业对高强度材料的需求，已在实践中取得了显著成效。相比之下，其他工艺更多适用于低熔点金属或非金属3D打印。

PBF技术运用热源，如激光或电子束，逐层处理粉末床中的金属微粒，使其熔化或烧结，这涵盖了选择性激光熔化（SLM）、选择性激光烧结（SLS）和电子束熔化（EBM）等细分工艺。而DED则涵盖激光金属沉积（LMD）、电子束自由成形制造（EBFFF，属于DMD）以及线激光AM（WLAM）和线电弧AM（WAAM）等，它们能同时沉积和熔化粉末或线材。PBF和LMD在制造复杂几何形状方面表现出色，超越了传统工艺。然而，对于大规模生产，DED和线材加工在产量和沉积速度上往往优于PBF，成本也相对较低。在航天产业，粉末床熔融成形（PBF）和定向能量沉积成形（DED）作为成熟的制造手段，在工业生产中占据主导地位，特别是在像NASA这样的机构。接下来我们将深入探讨这两种工艺的独特特性，以及它们在宏观和微观层面的组织结构，以及工艺参数如何影响最终产品的质量。

2.2激光粉末床熔融

L-PBF技术，即激光粉末床熔融工艺，被广泛应用于制造高精度组件，如航空航天领域的精密支架和复杂管件，因其制造出的部件机械性能优于传统方法。该技术通过选择性地熔化和固化粉末，依据粉末层厚、惰性气体环境、气流等参数。多种金属及合金，如AISI316L不锈钢、AlSi10Mg和Ti6Al4V铝合金、镍基合金Inconel718等，均适用L-PBF技术。在操作中，每种材料需特定的技术参数，例如铝合金加工需严格控制气氛以防止氧化。L-PBF能制造尺寸范围从0.2~0.4mm到300~400mm的航天部件，涵盖了大部分中小尺寸需求。

采用气体雾化法制备的球形粉末适合于3D打印，具备优良的流动性与松装密度。尽管L-PBF工艺存在成本高昂和生产效率低下的问题，但研究表明，优化激光系统可提升效率并减轻内部残余应力。进一步的发展是整合粉末熔融、清洁和后处理的连续生产工艺，适用于大规模生产。工艺改进甚至允许在真空环境下（如空间制造）作业，降低激光能量消耗的同时保证零件质量。工艺控制的研究不断深入，通过监测设备在制作过程中实时监控，如构建板温度、环境条件、压力和气氛等参数，确保异形管件等航天部件的精确度和一致性。先进的实时监控系统应运而生，依据材料特性和产品需求，调控激光功率、孔隙率、熔池状态、粉末层分布和温度等工艺参数，以制造出符合客户要求的零部件。

2.4电子束粉末床熔融

真空环境下的电子束粉末床熔融（简称EB-PBF）工艺，其原理是借助高能电子束对粉末床进行精确预热并逐层选择性熔化。此技术的独特之处在于能够在无氧环境中操作，有效地控制残留应力并降低部件的杂质水平。EB-PBF展现出与传统铸件相近的机械性能，这得益于其优越的材料兼容性和高效的成型策略，如快速扫描、深入熔化以及较大厚度的粉末层，其成型效率相对于激光粉末床熔融提升了四倍。

近期，中国航天科技集团引领的创新突破中，他们研发的3D打印设备已成功打造出航天器内部关键组件——光学钛合金镜片支架，这标志着其在太空应用领域的技术提升。通过3D打印技术制作出一款新型发动机的点火装置壳体。经过地面试车的严格考验，证实了这项技术在实际应用中的可行性和稳定性，这在中国固体火箭发动机的历史上具有里程碑意义，首次实现了3D打印技术的成功融合。

结论

综上所述，金属增材制造在航天领域的主要优势是低成本、高生产率。通过优化设计或多种合金的应用，减轻质量是一个重要的方向，但也要保证材料的各种机械性能。此外，还可以对零件进行整合再利用，这也是未来的发展方向之一。总之，金属增材制造技术已在航天领域中进行了大规模应用，该技术具有较大的发展潜力，今后仍将作为主要的技术进行更复杂零件的制造。

参考文献：

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