发布日期：2024-12-13 08:16 点击次数：52
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增材制造期间在航空航天应用方面具有单件小批量的复杂结构快速制造上风，将来将向着联想、材料和成形一体化标的发展。分析了增材制造在航空航天规模应用发展的3个层面，以航空发动机涡轮叶片增材制造、高性能聚醚醚酮（PEEK）过甚复合材料、一语气纤维增强树脂复合材料及天际3D打印为主题，先容了增材制造期间国表里以及西安交通大学的征询情状。涡轮叶片应用增材制造工艺不错有用提高遵守虚构资本，将来向高性能的高温合金和陶瓷基复合材料增材制造期间发展。高性能轻质团聚物PEEK过甚复合材料增材制造在高力学性能结构件、吸波功能件的成形中得到应用，将篡改现存的联想与材料，推动结构与功能一体化发展。一语气纤维复合材料增材制造将带动无模具纤维复合材料成形的新发展，在天际3D打印将篡改将来航空航天制造模式。增材制造期间将给航空航天制造期间带来变革性发展。增材制造期间是一种联系于传统的冷加工和热加工的特种制造期间，其具有单件小批量的复杂结构快速制造上风，在航空航天规模具未必常的应用远景。这一期间概况不休传统制造期间难以完成的复杂结构制造。跟着增材制造期间在航空航天规模应用的真切，联想、材料和成形一体化将成为新一代的制造模式，引颈航空航天期间的变革发展。
增材制造期间在航空航天规模的应用，主要体当今3个层面。第1个层面传统联想方法和材料体系选定增材制造期间进行构件制造，这是当前的主要征询和应用模式，这个层面重点不休的问题是材料工艺认知性、成形组织的劣势和性能进步、成形精度约束等问题，并通过与现存工艺的勾通来鼓励应用，举例增材、减材、锻造等多工艺复合进步精度和力学性能。第2个层面是面向新的结构联想选定增材制造期间，举例GE公司在航空发动机喷油嘴选定增材制造期间，篡改原有基于机械切削工艺的的结构联想体系，将曩昔的30多个零件安装的复杂结构，改为一个合座结构，选定增材制造一次合座完成具有内腔结构的喷油嘴制造，这一方法从根柢上变革了发动机喷油嘴的联想制造理念，使得结构变小、节能效益加多、性能可靠认知。第3个层面是选定新的功能材料与结构一体化增材制造完了更多新的功能，不错使航空航天期间在轻质、特种性能和额外环境下的结构制造提供新方法，举例一语气纤维复合材料制造、天际环境下的制造等。增材制造期间要继续不休工程应用所濒临的制造质料问题，更应该有用的利用增材制造期间旨趣，从联想、材料、成形一体化启航，真切挖掘期间应用，鼓励增材制造期间在航空航天规模的翻新发展。
在航空航天规模，航空发动机和轻量化功能结构是重点和难点规模。面对的将来发展的更高需求航空发动机叶片是一个最为要害的部件，其具有极点的高温性能和复杂的冷却结构要求，是制约航空发动机发展的难点。航空结构件是航空航天的主体结构，其将来向着轻质高性能发展，高性能团聚物、纤维复合材料、吸波隐身复合材料是需要探索的标的。本文重点围绕以上标的阐发航空航天规模增材制造国表里发展和西安交通大学的征询进展。
1 航空发动机涡轮叶片成形期间
跟着航空发动机对推重比需求日益增长，涡轮入口温度从第三代发动机1 700 K提高到第五代2 000 K以上。为保证涡轮叶片承温智商，高温合金材料由等轴晶发展至单晶，里面冷却结构由单一双流气冷转换为双层壁超气冷，气膜孔结构由浮浅圆柱型转动为复杂异型，由此对现存涡轮叶片制造期间建议严峻挑战。现阶段，国表里主要选定熔模锻造期间制造航空发动机空腹涡轮叶片。该期间通过金属模具压制型芯、型芯安装、压制蜡型、挂浆制壳、精密锻造等10个主要设施，赢得金属涡轮叶片。在无数目分娩涡轮叶旋即，熔模锻造工艺适用性强；但关于含有新式冷却结构涡轮叶片的研制，由于铸型制备过程波及多套工装模具，经由复杂，安装舛错大，工艺约束难度大，导致叶片研制周期长(通常至少6个月以上)，反应慢，制变资本高。
1.1 型芯/型壳一体化锻造期间
增材制造引入涡轮叶片铸变成形规模，可大大虚构结构复杂度的戒指，完了型芯/型壳的无模化制备，为空腹涡轮叶片快速制造提供新路子。当前空腹涡轮叶片陶瓷铸型径直成形的AM期间主要有选区激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)和陶瓷光固化成形(Ceramic Stereolithography, CSL)。北京航空材料征询院、华中科技大学等科研院所开展了联系的征询，并在航空规模得到初步考证，一定程度上推动了涡轮叶片制造期间的发展；然则，SLS铸型名义质料和尺寸精度以及高温性能有待提高，以慷慨空腹涡轮叶片近净成形的刻薄期间要求。而CSL期间成形陶瓷素坯精度较高，在涡轮叶片铸型制备方面具有潜在应用价值。好意思国佐治亚理工大学及密西根大学安娜堡分校征询了基于CSL期间的涡轮叶片铸型成形工艺，完了了型芯/型壳一体化陶瓷铸型的制备。征询标明：选定该期间可制备复杂结构陶瓷铸型，但存在精细结构陶瓷浆料计帐艰辛的问题，引起轻微陶瓷型芯的结构完整性容易龙套；况兼，高温烧结后铸型的精度舛错较大，烧结削弱率通常达到10%以上。
为此，西安交通大学建议型芯/型壳一体化涡轮叶片快速制造期间。该期间以光固化树脂原型代替传统熔模锻造蜡型，选定型芯/型壳一体化凝胶注模代替传统型壳的挂浆制备和型芯的压制成形，完了型芯/型壳的一次成形，用于空腹叶片的锻造。期间阶梯如图 1所示，主要包括：树脂原型的光固化成形、凝胶注模、冷冻干燥、烧结和精密锻造等。较之CSL期间，此方法制备的铸型精度更高，性能愈加认知，慷慨定向晶/单晶叶片对铸型高温性能的刻薄需求。
图 1 基于型芯/型壳一体化铸型的涡轮叶片快速成形期间
Fig. 1 Rapid manufacturing technology of turbine blade based on integrated core/shell ceramic mold
西安交通大学在型芯/型壳一体化涡轮叶片快速成形期间在陶瓷铸型制备、铸型中高温力学性能调控、全经由叶片精度约束等方面取得了糟塌，完了了多种型号空腹涡轮叶片的快速研制，取得了以下期间进展。
图 2 型芯/型壳一体化陶瓷铸型
Fig. 2 Integrated core/shell ceramic mold
1) 开发了基于光固化3D打印的空腹涡轮叶片型芯/型壳一体化铸型快速制备期间体系。该期间篡改了传统叶片制造需要型芯模具、型芯/型壳组合的复杂经由，受结构复杂程度的戒指大大虚构，可为新式气冷叶片的内腔复杂冷却流谈提供更大的联想解放度。况兼，铸型壁厚可准确调控，通过调整散热条目来完了叶片柱状晶/单晶组织的约束。该期间还不错用于复杂异型气膜孔等新式冷却结构的合座铸变成形，鼓励涡轮叶片数字化精准控形控性。
2) 空腹涡轮叶片型芯/型壳一体化陶瓷铸型中高温力学性能调控期间。征询建议以有机陶瓷前驱体进行一体化铸型中温强化的方法，有用保证了铸型焙烧后的结构完整性。开发了基于莫来石高温强化的材料体系，可完了1 500 ℃下高温抗弯强度8~34.9 MPa可调控，辞别慷慨不同尺寸等轴晶、定向柱晶、单晶叶片的凝固要求。
3) 型芯/型壳一体化空腹涡轮叶片全经由精度约束期间。征询通过雾化覆膜期间，不休了光固化树脂原型名义台阶效应，进步了光固化原型表里名义质料(名义粗豪度优于3.2 μm)。通过真空冷冻干燥工艺方法，可有用阻拦铸型干燥开裂，不休了厚大陶瓷坯体干燥的难题，完了了铸型湿坯的无劣势快速干燥，并将干燥遵守进步2~3倍。建议了一体化铸型型芯烧结重点面主张，不休了细长悬臂型芯烧结变形的问题，并构建了“近零烧结削弱”材料体系与烧结工艺，将铸型烧结削弱率约束在0.1%内，完了了空腹涡轮叶片精准成形(要害尺寸舛错低于0.1 mm)，完了了叶片的高精度制造。
针对传统熔模锻造期间中涡轮叶片研制周期长、工艺复杂、资本高、反应慢等问题，将高精度光固化成形与精密锻造勾通，发明了型芯/型壳一体化涡轮叶片快速成形期间，可完了复杂结构空腹涡轮叶片中小批量的快速制造，图 3为基于本期间成形的空腹涡轮叶片。较之熔模锻造工艺，该期间在新式号、复杂结构空腹涡轮叶片的研制中具有显耀上风，可镌汰空腹涡轮叶片研发周期60%~80%，检朴研发资本60%以上，并故意于涡轮叶片尺寸精度的调控。此外，该期间也可延迟至双层壁结构叶片、异型气膜孔、机匣的快速制造。
图 3 基于型芯/型壳一体化期间的空腹涡轮叶片
Fig. 3 Hollow turbine blades manufactured by integrated core/shell technology
1.2 难熔高熵合金增材制造期间
耐高温材料过甚制造工艺是航空发动机发展的要害设施。好意思国多用途先进涡轮发动机谋划(VAATE)、欧洲先进中枢军用发动机谋划(ACME)等接踵实行，其界说了将来第五代推重比15~20的高性能航空发动机，涡轮前入口联想温度将达到2 200 K以上。难熔高熵合金具有耐高温、高强度、高硬度、抗辐照性能佳的本性，在航天航空规模、核工业规模、生物医学规模均有高大应用远景。增材制造期间利用高能能量源将材料逐点熔化，逐层堆积，径直成形。凭借加工周期短，分娩遵守高，复杂构件快速成型的本性，为极点应用环境下难熔高熵合金复杂结构制造提供了可能性。因此由高熔点元素组成的难熔高熵合金过甚增材制造在将来航空航天工业中有高大应用后劲。
激光增材制造以高能率激光束为能量源，熔化制备高熵合金不仅不错完了高强度和高延性的完好意思勾通，不需要传统的真空熔真金不怕火开荒，而且有制造更大、更复杂、可用于工程应用的耐高温高熵合金零件的后劲，也体现出材料基因组征询的作用。当前采用性激光熔化制备高熵合金征询主要聚合在优化工艺、改善材料性能等方面。
2015年，英国谢菲尔德大学的Brif等选定采用性激光熔化制备了FeCoCrNi高熵合金，晶粒在高大的温度梯度和快速凝固共同作用下得到细化，屈服强度达600 MPa，是真空电弧熔真金不怕火样件的3倍以上，在Hall Petch效应和单一固溶体的作用下FeCoCrNi高熵合金同期具有高强度和淡雅的延展性。征询收尾标明SLM不仅能制备高熵合金，而且所得到的力学性能慷慨工程应用的需求。
2017年，德国亚琛工业大学的Haase等使用激光熔覆千里积制备了CoCrFeMnNi高熵合金，千里积的高熵合金密度高，无宏不雅偏析，化学均一性好，平均维氏硬度195HV5，压缩屈服强度260 MPa，优于老例热处理样件，评释注解了激光熔覆千里积期间用于高熵合金无数目样品分娩的可行性。同期，Haase建议将均衡态合金相图和非均衡态Scheil方程相勾通用于预测高熵合金的相组成和元素漫步的合金联想理念。
2018年，新加坡制造期间征询院的Zhu等选定采用性激光熔化制备了近全淡雅的CoCrFeNiMn高熵合金，熔池、柱状晶粒、亚微米胞状结构和位错组成了分层结构，定量分析标明胞状结构通过位错强化提高了屈服强度(510 MPa)，并合计通过优化工艺参数、扫描策略和加工标的，不错进一步有用地提高材料的力学性能。
西安交通大学死力于于增材制造难熔高熵合金的征询。选定激光选区熔化工艺，进行了NbMoTaW成型工艺以及性能的征询。制备了NbMoTaW合金试样，如图 4所示，并进行了的物相分析，收尾标明NbMoTaW合金结构为单一的BCC相无序固溶体。NbMoTaW合金在高能率激光选区熔化过程中形成柱状晶，金属微熔池处于激冷(冷却速度103 K/s)条目下赶紧冷却，得到了平均尺寸为20 μm的极小晶粒，同期W、Nb、Mo、Ta元素在高熵合金中均匀漫步，无显然微不雅偏析，选定激光增材制造NbMoTaW高熵合金力学性能优于电弧熔真金不怕火等其他工艺高熵合金的性能。
图 4 选区激光熔化成型高熵合金样件
Fig. 4 High-entropy alloy samples formed by selective laser melting
通过优化材料因素来调控成型样件的组织结构，以加多塑性相来改善增材成形性。赢得NbMoTaX系高熵合金增材制造样件常温压缩强度达到2.3 GPa(图 5(a))，800 ℃时高温压缩强度达到1.0 GPa。比拟于因素优化前的NbMoTa合金常温压缩性能提高了77.5%，高温压缩性能提高了230%，如图 5(b)所示。征询标明，形成的增材制造专用NbMoTaX高熵合金密度达到9.0 g/cm3以下，其部分高温性能突出传统高温合金(图 5(c))，通过大幅简化气膜孔，在力学性能及燃油遵守上大幅优化，为下一代高温叶片材料和成形工艺提供变革性想路。
图 5 增材制造NbMoTaX系高熵合金性能本性
Fig. 5 Properties of additive manufacturing NbMoTaX high-entropy alloy
选定激光增材工艺成形难熔高温高熵合金过程中，由于材料熔点与基板温度梯度较大，勾通面处热蚁集严重时，易产生如图 6所示的翘曲征象，严重影响合金性能。成型疏通因素的样件时，仍需凭证样件的大小以及步地复杂程度选用不同的工艺窗口，因此工艺窗口的通用性不彊。图 7选定疏通材料因素、疏通工艺窗口打印步地疏通而大小不同的两个样件时，小样件莫得裂纹而大样件出现了致命性的裂纹，因此难以完了大尺寸复杂结构高端部件的精密制造。难熔高熵合金选用的元素大齐为高熔点元素，成型后形成单一的体心立方(BCC)相，BCC相对温度明锐，因此成型的样件塑性差，具有很低的延迟率。因此仍需通过材料因素的优化联想以及工艺窗口的优化来使难熔高熵合金实在走向阛阓。
图 6 选区激光熔化过程中高熵合金翘曲征象
Fig. 6 Warpage of high-entropy alloy samples formed by selective laser melting
图 7 选定疏通材料以及工艺激光增材成型疏通步地不同大小的涡轮叶片样件
Fig. 7 Turbine blade samples of same shape and different sizes formed by the same material and process
1.3 陶瓷基复合材料涡轮叶片制造期间
为了提高推重比，将来先进航空发动机涡轮入口温度将高于2 000 ℃，远突出高温合金熔点，即使选定先进的冷却结构，现存的空腹涡轮单晶叶片耐温性也难以慷慨超高温荷戈需求，而纤维增韧陶瓷基复合材料(CMC)具有高比强、耐高温等上风，克服了高温合金耐温差和密度大等舛误，是先进航空发动机热端部件的逸想结构材料。以CMC材料替代高温合金制造航空发动机中枢涡轮叶片，将使发动机的分量显耀减小、责任温度提高，加多推重比，虚构油耗；其次，CMC材料具有淡雅的高温毁伤容限，可显耀提高航空发动机的可靠性。因此，CMC涡轮叶片先进制造期间对将来先进航空发动机快速发展具有要紧政策意旨。
外洋先进航空发动机代表性机构主要包括好意思国航空航天局(NASA)和通用电气航空公司(GE)、英国罗尔斯-罗伊斯公司(R-R)等，得手将碳化硅陶瓷基复合材料(SiC-CMC)应用于航空发动机低压涡轮叶片。其中，好意思国GE公司已在F414军用涡扇发动机上，考证了SiC-CMC低压涡轮动叶的耐高温与握久性能，并在GE-nx民用涡扇发动机高压涡轮叶片上开展了系列查察；GE公司研发的波音777X大型客机的GE-9X发动机，选定SiC-CMC低压涡轮转子叶片等，将发动机分量虚构6%，极大进步了GE-9X发动机推力，燃油遵守提高约10%；2017年，GE公司结伙法国斯奈克玛公司，完了了LEAP发动机SiC/SiC-CMC热端静子部件的工程化应用。同期，好意思国NASA公司将涡轮叶片模子理会，以纤维编织成形骨架，然后通过组合安装、反应烧结等完了航空发动机热端部件的制造(图 8)，但CMC热端部件邻接处耐温性较差，况兼纤维编织精度较低，淡雅CMC热端部件需要巨额后处理。由上可知：好意思国在先进航空发动机CMC涡轮叶片制造等规模已完了紧要期间糟塌，并检朴单结构、低温、静子部件转为复杂结构、高温、转子部件，彰显了SiC-CMC材料在将来军用和民用航空发动机的高大应用后劲。SiC-CMC材料应用到高压涡轮转子叶片，成为将来先进航空发动机发展的势必趋势。近十多年，国防科技大学、西北工业大学以及北京航空材料征询院等少数机构，主要复旧外洋纤维编织期间，开展CMC涡轮叶片制造的征询，或者针对高性能纤维过甚CMC材料制备进行了自主探索，取得长足突出，但国内商用航空发动机当前和将来极端时候内仍然依赖好意思国GE公司和英国R-R公司等先进代表性机构。
图 8 好意思国航空航天局(NASA)CMC涡轮叶片
Fig. 8 NASA CMC turbine blade
当前国表里航空发动机CMC涡轮叶片的制造，主要以纤维编织工艺成形增韧结构，再通过化学气相渗入期间完了碳化硅陶瓷基体的淡雅化，诚然具有纤维含量高、一语气性好、力学性能佳等优点，但难以完了复杂结构数字化成形和组织性能调控(控形和控性)。跟着增材制造期间的发展，显耀减小了涡轮叶片结构联想的敛迹，从而为复杂SiC-CMC涡轮叶片的高性能制造提供了新想路。由此，西安交通大学建议航空发动机CMC涡轮叶片制造新方法，与现存国表里期间比拟，可完了复杂结构涡轮叶片CMC材料制备/精密成形一体化制造。发明了基于光固化3D打印的高体积含量纯纤维预制体凝胶注模成型期间，克服了复杂结构CMC涡轮叶片合座成形难的期间瓶颈，以化学气相渗入制备纤维界面层，以原位合成赢得SiC陶瓷基体的淡雅化，通过材料联想和工艺完了CMC组织性能调控，可赢得复杂结构CMC涡轮叶片快速制造，将CMC材料断裂韧性提高到8 MPa·m1/2以上。开发了凝胶注模/原位合成碳化硅陶瓷基体强度调控方法。征询标明游离硅含量过高是导致CMC材料高温强度较低的主要原因。通过添加碳源提高纤维预制体中碳含量，以原位合成高温相(如碳化硅或硅化钼)虚构CMC材料中游离硅，若选定单质石墨，游离硅含量依然较高(约31.83vol%)。为进一步约束游离硅量，选定酚醛树脂浸渍裂解，征询标明酚醛树脂看成碳前驱体可显耀提高预制体中碳含量，以原位合成高温相可有用约束CMC材料中游离硅，游离硅含量最低值小于10vol%，完了CMC涡轮叶片1 400 ℃高温强度达到400 MPa以上。建议定向微不雅层片结构CMC复杂零部件的制造方法。将定向冷冻与凝胶注模勾通，草创性探索了定向冷冻凝胶注模期间。征询发现层状陶瓷具有较高周折强度同期推崇出较大的应变智商，不错完了CMC涡轮叶片结组成形和组织性能一体化快速制造。建议CMC涡轮叶片预制体的纤维核壳结构制备方法。以直写打印期间成形具有纤维(核)和陶瓷(壳)结构特征的CMC预制体，然后通过化学气相渗入赢得纤维界面层，选定前驱体浸渍裂解等(如：聚碳硅烷)进行预制体淡雅化，初次将碳化硅陶瓷基复合材料的制备从材料联想向增韧核壳结构联想转换。征询标明，同轴直写打印期间可有用约束三相流中纤维(核)与陶瓷(壳)的体积比，定向成列纤维可显耀提高CMC材料的抗断裂性能。较之现存3D打印多孔碳纤维增韧碳化硅复合材料，该方法将CMC强韧性进步3倍以上，图 9为制备的SiC-CMCs涡轮叶片。
图 9 SiC-CMCs涡轮叶片
Fig. 9 SiC-CMCs turbine blade
因此，联系于当前CMC涡轮叶片纤维编织工艺，增材制造期间在陶瓷基复合材料制造中的哄骗，显耀减小CMC涡轮叶片复杂结构联想的敛迹，完了CMC纤维组织和外形结构的约束，相宜复杂结构CMC涡轮叶片的高性能快速制造，有望推动将来先进航空发动机快速研制，镌汰中国与西洋先进制造水平的差距。
2 高分子材料过甚复合材料增材制造
聚醚醚酮(Poly-Ether-Ether-Ketone，PEEK)是半结晶、热塑性高分子团聚物材料，具有优异的耐热性与认知性，而且，碳纤维、陶瓷材料、金属化合物等增强相改性形成的PEEK基复合材料具有更为优异的归天性能或形成了具有某种特定作用(耐放射、智能变形、导电、电磁屏蔽等)的功能性材料。因此，PEEK过甚复合材料仍是看成典型的轻质高性能材料或功能性材料应用于航空航天规模，连年来，跟着增材制造(3D打印)期间的发展，其与PEEK过甚复合材料的勾通，不错快速成形结构更为复杂、功能要求更为各样的制件，大大进步了其在航空航天规模的应用后劲。PEEK过甚复合材料具有凸起的阻燃性、力学性能、耐蠕变性和耐疲困性，可制造燃油过滤网、螺栓、螺母、绕线管、舱内座椅及饭桌、舱内蒙皮、整机电缆桥架及电器元件、舱内把手、压缩机及泵体等零部件，仍是应用于航空航天器的内装件，仅外洋威格斯企业的PEEK材料仍是在突出15 000架飞机上完了了应用，比金属减重最高达70%，国内商飞公司也选定PEEK材料的高压电缆导管替代金属管谈，减重高达45%，况兼提高了燃油遵守。此外，由于PEEK过甚复合材料优异的耐候性、耐水解性、耐腐蚀性等，迪士尼彩乐园相似不错被应用于航空航天器的外装件，外洋空客公司仍是选定PEEK材料看成燃油箱盖板应用到空客A380飞机上，并选定高模量碳纤维增强的PEEK材料看成飞机舱门配件应用到空客A350-900飞机上，而波音公司则选定PEEK材料看成轮毂罩应用到新式波音777飞机上，况兼，PEEK过甚复合材料照旧雷达天线罩制造的逸想材料，仍是在各式型号航空航天器上得到了较为宽广的应用。
2.1 PEEK材料增材制造
PEEK材料与增材制造(3D打印)期间的勾通，以制造出结构、性能、功能更为复杂的零部件，不错慷慨航空航天规模关于超音速、顽固性、深空探索、在制度造等更深脉络的需求。当前主要用于PEEK过甚复合材料的增材制造工艺主要有粉末床烧结和熔融挤出两种表情，自2015年以来，外洋的英国埃克塞特大学、德国EOS公司、莫斯科理工大学，国内的西安交通大学、吉林大学等征询单元开发了可用于PEEK过甚复合材料的粉末床烧结装备或熔融挤出装备，并在此基础上进行了工艺查察征询，不错赢得性能优异、结构复杂的功能构件，透泄露其在航空航天规模中的应用后劲。其中最新的应用举例，外洋的欧洲航天局推出了增材制造的PEEK材料CubeSat立体小卫星名堂，并插足第一次测试运行，好意思国航空航天局则支握了一项SpiderFab机器东谈主谋划，旨在选定CF/PEEK材料在轨增材制造大型太阳能电板阵列的撑握结构，已在大地开展了测试查察，而国内的中电38所和西安交通大学配合选定PEEK材料进行了复杂结构雷达天线的增材制造，探索了其在航空航天复杂环境下的应用价值。
分子结晶与力学性能调控增材制造期间与应用。PEEK材料是一种半结晶高分子材料，本征询团队发明了一种分子结晶与力学性能调控增材制造期间，不错通过调控增材制造过程中的热工艺参数(环境温度、打印温度、热处理表情等)，得到不同位置不同结晶度的PEEK材料制件，而制件结晶度越高，其硬度、模量、强度越高，但塑性、韧性越低，因此不错在团结制件上体现出不同的力学性能，以慷慨航空航天环境下复杂应力应变变化的需求。当前，该期间不错宽广应用于航空航天器内装件与外装件零部件的制造，凭阐明质应用环境进行PEEK材料制件强韧性的调控，典型应用如把手、仪器面罩、天线过甚撑握柱等，如图 10所示。
图 10 舱内把手与雷达天线
Fig. 10 Cabin handle and radar antenna
高精度大尺寸PEEK材料增材制造期间与应用。航空航天规模的大部分零件具有尺寸大(单标的尺寸大于1 m)、精度要求高档本性，因此，本征询团队开展高精度大尺寸PEEK材料增材制造期间征询，通过变形和精度约束、大幅面制造、控性冷千里积和精度赔偿等期间，研发了面向PEEK过甚复合材料的高精度大尺寸增材制造装备，可完了大尺寸PEEK材料构件的高认知制造，同期完了里面精密结构(如蜂窝结构、多孔结构等)的高精度成形。当前，该期间不错应用于航空航天器中较大尺寸(0.5~1 m)实体零件的快速成形，和大尺寸(大于1 m)薄壁零件的可约束造，典型应用如雷达天线罩、大尺寸卫星影相遮光罩等，如图 11所示。
图 11 高精度大尺寸增材制造装备(上)和1.3 m的蜂窝结构雷达天线罩(下)
Fig. 11 High-precision and large-size additive manufacturing equipment for PEEK (Upper) and 1.3 m honeycomb structure radome (Lower)
纤维增强PEEK基复合材料增材制造期间与应用。为了慷慨航空航天规模更高的性能和功能要求，不错选定碳纤维、玻璃纤维等增强相对PEEK材料进行改性，并选定增材制造期间进行复合材料零件的制造。征询团队所开展的纤维增强PEEK基复合材料增材制造期间征询，不错完了所赢得复合材料制件的综协力学性能相较于纯PEEK材料制件提高50%以上，并提高了制件的耐磨性、耐热性和尺寸认知性，可更好适合空天的复杂气流与温度环境。当前，该期间不错应用于航空航天器中承载结构件或耐热等功能结构件的制造，在慷慨需求的同期达到减重的办法，典型应用如飞机黑匣子外罩、气流管谈和流体阀体等(图 12)。
图 12 增材制造的纤维增强PEEK基复合材料零件
Fig. 12 Additively manufactured fiber-reinforced PEEK- based composite parts
2.2 宽频大角度吸波结构增材制造
航空隐身期间概况有用提高当代战机的突防智商以及斗殴糊口智商，是当代先进航空航行器的要紧期间沟通。当代战机的隐身期间是通过弱化航行器的办法的雷达散射截面积(RCS)完了的，当前主要通过外形联想、阻抗加载和材料吸波本性完了，而材料隐身期间在不影响航行器合座结构的条目下，通过主动结构联想，勾通特定吸波材料的物理本性，有望完了质料轻、频带宽、大角度的电磁吸波本性，是将来航空隐身期间的主要发展标的和趋势。先进航空航行器受到结构联想、材料体系、制造工艺等诸多方面的戒指，材料隐身期间是依据电磁波表面，通过主动联想单元结构从而完了合座结构吸波隐身成果，这类结构往往具有小巧的单元结构，因此关于加工方法具有极大的挑战。因此，隐身期间的完了势必依靠材料/结构功能一体化完了航行器的玄虚隐身，利用增材制造期间其在复杂结构制造上的上风，概况完了“材料-联想-制造”一体化的标的，拓宽了材料自己吸波性能的物理戒指，因此，成为隐身期间要紧的制造方法之一，亦然学术规模和工程应用的征询热门。
西安交通大学团队使用立体光固化增材制造工艺(SL)制造了一种梯度折射率雷达摄取结队构，该结构展示了淡雅的电磁摄取智商，较早的考证了选定增材制造期间完了复杂吸波结构的期间上风；西北工业大学团队使用立体光固化期间(SL)和化学气相渗入期间制造了具有不同角度的蜂窝状Al2O3/SiCw复合材料吸波结构，通过约束蜂窝角度，完了了吸波性能的调整，当角度为30°，厚度为3.5 mm时，吸波性能最优，最小反射损耗达到-63.65 dB，有用摄取带宽达到4.2 dB(8.2~12.4 GHz)。牛津大学团队选定双喷头熔融千里积增材制造工艺制造不同材料的各向异性介质复合物，一个喷头制造低介电常数的多聚物，另一个添加高介电常数的无机微粒填充物，其制造的吸波结构最大吸波性能接近15.75 GHz。中南大学团队选定采用性激光烧结增材制造工艺(SLS)制作了一种三层不同单元的均质材料吸波结构，查察标明其在4~18 GHz均低于频率-10 dB。南京航空航天大学团队使用多材料数字光投影期间(DLP)对石墨烯/羰基铁/烯等复合材料进行打印，制造了一种具有双层结构的摄取体，通过约束双层结构的厚度，不错完了吸波性能的调整，通过优化得到最小反射损耗为-46.1 dB, 有用摄取带宽为3.5 GHz。
增材制造期间凭借其在复杂结构方面的制造上风，在隐身结构的制造方面赢得了要紧的糟塌，关联词从上述征询内容不难发现，当前增材制造隐身结构的吸波带宽不宽、吸波标的固定，这也与当前均质的增材制造结构吸波本性所吻合，结构与材料的复合吸波上风俗未通过增材制造工艺充分体现。
高性能团聚物复合材料吸波结构增材制造工艺选定以聚醚醚酮(PEEK)为代表的高性能团聚物为基体材料，羟基铁等材料看成吸波增强相材料，建议了一种具有一语气变化的材料/结构联想与增材制造方法，通过春联想一语气变化的胞元结构以及复合材料摄取剂含量的调控，完了了与解放空间的梯度阻抗匹配及样件制造。
联想的多层级吸波结构如图 13(a)和图 13(b)所示，该结构共有10个层级，每个层级厚度为2 mm，通过联想每层吸波结构中单胞结构几何参数和复合材料漫步共得到四组不同梯度单元结构。其中，单胞结构几何参数如图 13(b)所示为正六边形和平行四边形复合而成，其中胞元高度D和棱边宽度W为常数，辞别为2 mm和0.2 mm，而平行四边形对边垂直高度H为变量，其取值规模为1.2~3.0 mm。
图 13 吸波结构联想
Fig. 13 Design of absorption structure
吸波复合材料则辞别选定聚醚醚酮(PEEK)粉末以及球形羰基铁粉(粒径1~3 μm)制备了3种含量的3D打印专用吸波复合材料丝材(50wt%、60wt%、70wt%)，测试了3种含量(50wt%、60wt%、70wt%)复合材料的电磁性能参数，在12~18 GHz波段内，跟着羰基铁粉浓度的加多，有用粒径增大，吸波复合材料介电常数实部、磁导率实部、磁导率虚部加多显然。
图 14为打印完成的多层吸波结构试样及在不同角度入射电磁波下的反射损耗弧线测试收尾。测试收尾透露，跟着电磁波入射角度从20°加多到50°，多层吸波结构反射损耗弧线慢慢进取挪动，吸波性能慢慢着落。图 14(c)和图 14(d)透露，当入射角辞别为20°和30°时，实测反射损耗值弧线较仿真收尾合座进取偏移；当入射角辞别为40°和50°时，实测反射损耗值弧线较仿真收尾合座向下偏移；这主如果由于3D打印精度舛错导致了在不同入射角度下特征阻抗发生变化，从而引起吸波成果与仿真收尾的相反。最终不错得出论断，当电磁波入射角度辞别为20°、30°、40°、50°时，多层级梯度吸波结构的有用吸波(＜-10 dB)频宽辞别为9.8 GHz(8.2~18 GHz)、9.65 GHz(8.35~18 GHz)、9.25 GHz(8.75~18 GHz)、8.6 GHz(9.4~18 GHz)。
图 14 3D打印样件及测试收尾
Fig. 14 3D printing sample and measured results
吸波复合材料增材制造期间通过微结构单元的联想，勾通多种摄取剂的吸波本性，不错进一步拓宽摄取频带，合座结构吸波标的性也得到了改善。跟着航空隐身期间的快速的发展，宽频、全向、承载/功能一体化仍是成为将来航空隐身期间的主要发展趋势，基于电磁损耗旨趣的可控微结构一体化联想、跨法子(微/纳)复合材料以及高精度制造等要害期间征询及应用，有望成为完了航空隐身糟塌的要紧期间妙技，并在隐身舰船表层建筑等规模赢得紧要应用。
3 一语气纤维增强复合材料3D打印及天际制造
纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强等优异本性，现存复合材料成形工艺如热压罐、自动铺放、纤维缠绕等永恒以来因无法解脱模具的存在濒临着加工资本高、分娩过程冗杂、零件构型浮浅等共性问题，为此发展新的复合材料低资本一体化快速制造期间将是下一代复合材料主要发展标的与期间挑战。连年来，一语气纤维增强复合材料3D打印期间看成一种新兴的复合材料制造期间，其给与3D打印无模解放成形的期间上风，解脱上流的模具戒指，大大虚构复合材料的加工资本，完了复杂构件的一体化成形。因此，一语气纤维增强复合材料3D打印为现阶段先进复合材料濒临的发展逆境提供了一种玄虚性的不休有谋划，具有十分要紧的科学意旨与工程应用价值。
3.1 一语气纤维增强复合材料3D打印
该期间在传统材料挤出成形工艺(ME)基础上翻新发展起来的，凭证原材料与打印表情的不同主要包括一语气纤维预浸丝3D打印与一语气纤维干丝原位浸渍3D打印两种不同的步地。
一语气纤维预浸丝3D打印领先需要制备纤维预浸丝，再利用预浸丝进行3D打印，典型代表为好意思国Markforged公司，Markforged自2014年运行不绝推出Mark系列打印机，主要选定两个寂寞喷头，一个喷头挤出热塑性树脂，另外一个一语气纤维预浸丝束，两个喷头配合责任辞别铺放熔融树脂与纤维预浸束进行构件轮廓与里面填充结构的制造，打印碳纤维增强尼龙复合材料拉伸强度与模量辞别达到700 MPa与54 GPa。一语气纤维预浸丝3D打印工艺的要害是纤维预浸丝材的制备，Hu等开发了利用螺杆挤出熔融浸渍的表情制备碳纤维增强PLA预浸丝，熔融树脂在螺杆旋转剪切作用卑鄙动性改善同期在螺杆压缩作用下产生较大的压力，更容易渗入到纤维束里面形成具有淡雅界面的预浸丝。
一语气纤维干丝原位浸渍3D打印，与预浸丝打印最大的区别在于一语气纤维径直选定纤维干丝，打印过程中纤维与树脂同期送入到团结个3D打印头内，在加热作用下树脂溶化与纤维复合，之后复合材料挤出层层堆积成形三维零件。西安交通大学征询团队于2014年率先建议了以纤维干丝与热塑性树脂丝材为原材料进行一语气纤维复合材料原位浸渍3D打印的期间旨趣，得手完了了一语气碳纤维增强ABS复合材料的打印，当纤维含量为10%驾御时，拉伸强度与模量辞别达到了147 MPa与4.185 GPa，是纯ABS试样的5倍与2倍驾御。2015年，东京理科大学Matsuzaki等开发出原位浸渍ME工艺完了了一语气碳纤维增强聚乳酸复合材料的打印，当纤维含量为6.6%时，拉伸强度与模量辞别达到了200 MPa与20 GPa，如图 15所示。
图 15 一语气纤维干丝原位浸渍3D打印工艺
Fig. 15 In-situ impregnation 3D printing process of continuous dry fiber bundle
对一语气纤维增强热塑性复合材料3D打印开展了系统的成形工艺推行，征询了3D打印工艺参数的变化对复合材料力学性能的影响法规，复合材料周折性能与打印头温度呈负联系关系，与分层厚度、扫描间距成负联系关系，分析标明工艺参数的变化会引起成形过程中温度与压力的变化，二者会篡改复合材料的微不雅结构，同期工艺参数也会篡改复合材料的纤维含量，微不雅结构的是非以及纤维含量的高下是决定复合材料宏不雅力学性能的要紧因素，因此，在一语气纤维3D打印工艺中不错通过工艺参数的调控完了复合材料的性能可约束造。
由于一语气纤维3D打印期间专有的工艺上风，概况带来对复合材料结构联想与制造理念的改良，关于糟塌现存复合材料的应用模式促进复合材料向更通老例模发展具有高大后劲，征询团队围绕一语气纤维3D打印进行了初步的应用探索，一方面，开发了复合材料轻质结构一体化成形期间，如波纹板结构、蜂窝结构等，可被应用于航空航天、汽车交通等规模不休传统制造工艺资本高、周期长的问题，起到进一步减重、进步性能的成果，如图 16所示；另一方面，探索了基于一语气纤维3D打印的结构功能一体化、智能化复合材料制造的行性，通过对3D打印一语气纤维中材料漫步、纤维旅途贪图等联想完了复合材料的可控变形以及材料变步地态的及时检测，完了复合材料致动、传感的一体化，在将来的变形机翼、柔性机器东谈主等规模具有高大的潜在应用价值，如图 17所示。
图 16 轻质结构一语气纤维3D打印一体化成形
Fig. 16 Continuous fiber 3D printing of lightweight structure
图 17 一语气纤维增强热塑性复合材料4D打印与变形调控期间
Fig. 17 4D Printing and deformation control technology of continuous fiber reinforced thermoplastic composites
围绕一语气纤维增强复合材料原位浸渍3D打印期间，开发了基础工艺参数对复合材料力学性能的调控机制完了复合材料的性能可约束造，重点开发了3D打印一语气纤维复合材料多重勾通界面强化方法，改善了复合材料的界面勾通强度与微不雅结构，保证了复合材料优异的力学性能，所成形复合材料纤维体积分数达到50.2vol%驾御，纵向拉伸强度与模量辞别达到了最高的766.67 MPa与77.25 GPa，完了了复合材料构件低资本快速制造，关于促进复合材料在航空航天等要紧工业规模进一步向轻量化、智能化、集成化等标的发展具有要紧意旨。
3.2 天际一语气纤维复合材料3D打印
天际看成东谈主类将来发展以致居住的要紧规模，具有至关要紧的发展意旨和政策价值，是承担和保护国度安全和发展的要害命根子之一。连年来，各个国度为了探索天际的可能性，争夺天际规模的优先权，均幽闲发展航天期间，从而繁衍出了好多天际政策贪图，如好意思国2018年制定的《国度航天政策》以及俄罗斯的《2016—2025年俄罗斯联邦航天贪图》等，天际3D打印则被合计是航天期间发展的中枢标的之一。
天际3D打印是指在空间环境(微重力、真空、高下温等)下通过3D打印完了天际基地或构件的原位成形期间。天际3D打印期间通过将制造环境和应用环境长入，完了按需原位制造，解脱“大地制造-输送拼装”的传统模式，大大提高了航天行径的纯真性，虚构了期间资本，具有广袤的应用和发展远景。
好意思国事开展天际3D打印期间联系征询最早亦然期间开始进的国度，好意思国航空航天局(NASA)主导并配合不同征询机构开展了各种天际3D打印的探索征询及实施谋划。NASA马歇尔航行中心于1993年便率先开展部分高分子团聚物FDM工艺对空间环境适合性分析征询，并于1999年开展抛物航行查察，考证了微重力环境下的FDM工艺的可行性。NASA兰利征询中心则开发了一套适用于天际航行的轻型电子束熔丝千里积开荒(EBF3)，并通过抛物航行查察，初步完了了航行过程中的样件成形，考证了该工艺的可行性。NASA和Made In Space公司于2014年配合完了了众人初次舱内天际3D打印，完了了利用FDM期间成形多个ABS样件，如图 18所示，并于2015年4月得手回收至NASA马歇尔航行中心，大大鼓励天际3D打印的进度，完了了从大地考证到在轨成形的飞跃。NASA和Tether Unlimited公司则配合建议了SpiderFab期间以期完了大型空间桁架结构的一体化舱外皮轨成形。
图 18 好意思国2014年完了初次天际3D打印
Fig. 18 U.S. achieved its first space 3D printing in 2014
欧洲的天际3D打印相似发展迅猛。欧洲宇航局(ESA)授权意大利Altran公司研制了第一台FDM空间3D打印机-POP3D，并于2015年将其得手送入国际空间站，为搭建天际零部件的加工工场提供了考证基础。俄罗斯于2016年报谈，由托木斯克理工大学高技术物理征询所等4家单元结伙研制了该国的首台天际3D打印样机。
中国的天际3D打印期间比拟西洋起步较晚，但当前也已完了了部单干艺及开荒的抛物飞详推行及舱内考证。中国科学院空间应用工程与期间中心于2016年共同研制了国内首台FDM天际3D打印机，并在法国波尔多完成了抛物线失重航行查察，完了了包含短纤增强复合材料在内的多材料体系微重力环境考证与工艺探索。
2020年5月7日，西安交通大学和北京卫星制造厂结伙研发的天际3D打印机得手搭载“长征”5号运送火箭完了了天际3D打印，这亦然众人初次一语气纤维增强复合材料的天际3D打印，如图 19所示。一语气纤维增强复合材料天际3D打印为发展高强度高刚度空间构件的原位成形提供了翻新且有用的期间妙技。
图 19 中国完了众人初次一语气纤维增强复合材料的天际3D打印
Fig. 19 China realized world's first space 3D printing of continuous fiber reinforced composites
针对天际3D打印，当前公开报谈的联系征询主要有3部分，辞别是面向天际环境的3D打印工艺及开荒的大地或舱内考证、天际3D打印的高性能材料征询以及天际环境下的材料回收再打印。
现阶段，天际3D打印的大地考证及在轨推行多以ABS、PLA等纯树脂以及金属粉末看成原材料开展联系考证征询，联系材料体系难以慷慨天际环境下高机械性能的认知成形以及耐高下温耐腐蚀的环境耐受性需求。西安交通大学建议的一语气纤维增强复合材料3D打印工艺，概况确保原材料的一语气性，克服了天际中液体及粉末格式材料的难以认知成形的劣势。一语气纤维复合材料也概况慷慨天际制件轻质高模量的性能需求，当前已完了了多种材料体系的大地考证、开荒搭建及性能评估，其中就包含耐温及耐腐蚀性能最好的一语气碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，其3D打印样件的周折强度和模量可辞别突出480 MPa和37 GPa，高于现存大部分铝合金成品的力学性能，再次阐明了一语气纤维复合材料体系在天际淡雅的应用远景。
天际中的材料回收再利用是减少天际废物沾污、虚构材料及输送资本、提高天际制造能效的有用妙技。Made In Space公司在内的多家征询机构已接踵开展以热塑性树脂为对象的空间回收再利用期间征询。比拟于纯树脂，一语气纤维增强热塑性复合材料概况更好地阐明一语气纤维的格式上风，完了回收再打印的办法。西安交通大学征询东谈主员探索了一语气碳纤维增强聚乳酸(CCF/PLA)复合材料的回收再利用。
通过非战役式加热熔融的表情进行逆打印旅途的丝材剥离及收卷，此后完了二次打印成形。经过性能测试，收尾标明二次成形的力学性能比拟初次打印可进步25%，再次阐明一语气纤维复合材料的回收再利用不仅故意于天际绿色节能制造，也能完了力学性能的有用进步。因此，开展空间环境下的一语气纤维复合材料的回收再利用将会是将来该期间发展的一个要紧标的。
4 论断与掂量
1) 增材制造期间在航空航天规模具有高大的发展空间，其应用不错分为3个层面，第1个层面传统联想方法和材料体系选定增材制造期间进行构件制造；第2个层面是面向新的结构联想选定增材制造期间；第3个层面是选定新的功能材料与结构联想一体化增材制造完了更多新的功能。将来航空航天规模应用应该向功能材料与结构联想一体化增材制造发展。
2) 航空发动机涡轮叶片是航空制造的一个制造难点，选定与传统锻造会通的型芯/型壳一体化期间不错有用进步成形遵守，为异型气模孔和壁冷结构制造提供新路子。发展高熵高温合金和陶瓷复合材料叶片增材制造期间是涡轮叶片变革发展的标的。
3) 以聚醚醚酮为代表的高性能轻质团聚物过甚复合材料在航空航天规模具有广袤的发展远景，建议增材制造工艺调控结晶度完了对力学性能的约束，完了增材制造的控形控性理念。短纤维与聚醚醚酮复合进步增材制造构件的力学性能，电磁吸波材料与聚醚醚酮复合可完了具有宽频大角度吸波性能，为电磁波隐身的主动联想和可约束造提供新方法。
4) 一语气纤维3D打印期间无需模具，概况带来对复合材料结构联想与制造理念的改良，将来向着复合材料致动、传感的一体化的4D打印标的发展。一语气纤维增强复合材料天际3D打印为发展高强度高刚度空间构件的原位成形提供了翻新且有用的期间妙技，中国完了众人初次一语气纤维增强复合材料的天际3D打印，为中国将来天际制造期间竞争奠定了淡雅的基础。
5) 航空航天产业是国度制造业实力的体现，增材制造期间的应用是中国航空航天期间赶超寰球先进国度的历史性机遇。将来增材制造期间发展主要需要矜恤3个方面需要和发展：航天航空器发展将向结构合座化制造发展，需要增材制造期间完了构件的合座化制造，这将将大幅度减少零部件数目，完了轻质高性能结构的发展；航空航天器构件将向多功能发展，增材制造期间将完了多功能材料的混杂制造，承载、抗热、吸波、通信、自感知等多功能，使得航空航天构件向智能化发展；天际制造将由推行走向应用，这将篡改现存的航天器制造模式，极点环境、失重、低功耗等条目下，增材制造期间会濒临好多新的挑战和机遇，天际增材制造期间有可能成为天际科技的新热门。
来源：航空发动机东谈主。