增材製造技術在航空航天應用方面具有單件小批次的複雜結構快速製造優勢，未來將向著設計、材料和成形一體化方向發展。分析了增材製造在航空航天領域應用發展的3個層面，以航空發動機渦輪葉片增材製造、高效能聚醚醚酮（PEEK）及其複合材料、連續纖維增強樹脂複合材料及太空3D列印為主題，介紹了增材製造技術國內外以及西安交通大學的研究狀況。渦輪葉片應用增材製造工藝可以有效提高效率降低成本，未來向高效能的高溫合金和陶瓷基複合材料增材製造技術發展。高效能輕質聚合物PEEK及其複合材料增材製造在高力學效能結構件、吸波功能件的成形中得到應用，將改變現有的設計與材料，推動結構與功能一體化發展。連續纖維複合材料增材製造將帶動無模具纖維複合材料成形的新發展，在太空3D列印將改變未來航空航天製造模式。增材製造技術將給航空航天製造技術帶來變革性發展。
增材製造技術是一種相對於傳統的冷加工和熱加工的特種製造技術，其具有單件小批次的複雜結構快速製造優勢，在航空航天領域具有廣泛的應用前景。這一技術能夠解決傳統制造技術難以完成的複雜結構製造。隨著增材製造技術在航空航天領域應用的深入，設計、材料和成形一體化將成為新一代的製造模式，引領航空航天技術的變革發展。
增材製造技術在航空航天領域的應用，主要體現在3個層面。第1個層面傳統設計方法和材料體系採用增材製造技術進行構件製造，這是目前的主要研究和應用模式，這個層面重點解決的問題是材料工藝穩定性、成形組織的缺陷和效能提升、成形精度控制等問題，並透過與現有工藝的結合來推進應用，例如增材、減材、鍛造等多工藝複合提升精度和力學效能。第2個層面是面向新的結構設計採用增材製造技術，例如GE公司在航空發動機噴油嘴採用增材製造技術，改變原有基於機械切削工藝的的結構設計體系，將過去的30多個零件裝配的複雜結構，改為一個整體結構，採用增材製造一次整體完成具有內腔結構的噴油嘴製造，這一方法從根本上變革了發動機噴油嘴的設計製造理念，使得結構變小、節能效益增加、效能可靠穩定。第3個層面是採用新的功能材料與結構一體化增材製造實現更多新的功能，可以使航空航天技術在輕質、特種效能和特殊環境下的結構製造提供新方法，例如連續纖維複合材料製造、太空環境下的製造等。增材製造技術要不斷解決工程應用所面臨的製造質量問題，更應該有效的利用增材製造技術原理，從設計、材料、成形一體化出發，深入挖掘技術應用，推進增材製造技術在航空航天領域的創新發展。
在航空航天領域，航空發動機和輕量化功能結構是重點和難點領域。面對的未來發展的更高需求航空發動機葉片是一個最為關鍵的部件，其具有極端的高溫效能和複雜的冷卻結構要求，是制約航空發動機發展的難點。航空結構件是航空航天的主體結構，其未來向著輕質高效能發展，高效能聚合物、纖維複合材料、吸波隱身複合材料是需要探索的方向。本文重點圍繞以上方向論述航空航天領域增材製造國內外發展和西安交通大學的研究進展。
1 航空發動機渦輪葉片成形技術
隨著航空發動機對推重比需求日益增長，渦輪進口溫度從第三代發動機1 700 K提高到第五代2 000 K以上。為保證渦輪葉片承溫能力，高溫合金材料由等軸晶發展至單晶，內部冷卻結構由單一對流氣冷轉變為雙層壁超氣冷，氣膜孔結構由簡單圓柱型轉化為複雜異型，由此對現有渦輪葉片製造技術提出嚴峻挑戰。現階段，國內外主要採用熔模鑄造技術製造航空發動機空心渦輪葉片。該技術透過金屬模具壓制型芯、型芯裝配、壓制蠟型、掛漿制殼、精密鑄造等10個主要環節，獲得金屬渦輪葉片。在大批次生產渦輪葉片時，熔模鑄造工藝適用性強；但對於含有新型冷卻結構渦輪葉片的研製，由於鑄型製備過程涉及多套工裝模具，流程複雜，裝配誤差大，工藝控制難度大，導致葉片研製週期長(通常至少6個月以上)，響應慢，製造成本高。
1.1 型芯/型殼一體化鑄造技術
增材製造引入渦輪葉片鑄造成形領域，可大大降低結構複雜度的限制，實現型芯/型殼的無模化製備，為空心渦輪葉片快速製造提供新途徑。目前空心渦輪葉片陶瓷鑄型直接成形的AM技術主要有選區鐳射燒結(Selective Laser Sintering, SLS)和陶瓷光固化成形(Ceramic Stereolithography, CSL)。北京航空材料研究院、華中科技大學等科研院所開展了相關的研究，並在航空領域得到初步驗證，一定程度上推動了渦輪葉片製造技術的發展；但是，SLS鑄型表面質量和尺寸精度以及高溫效能有待提高，以滿足空心渦輪葉片近淨成形的苛刻技術要求。而CSL技術成形陶瓷素坯精度較高，在渦輪葉片鑄型製備方面具有潛在應用價值。美國佐治亞理工大學及密西根大學安娜堡分校研究了基於CSL技術的渦輪葉片鑄型成形工藝，實現了型芯/型殼一體化陶瓷鑄型的製備。研究表明：採用該技術可製備複雜結構陶瓷鑄型，但存在精細結構陶瓷漿料清理困難的問題，引起微細陶瓷型芯的結構完整性容易破壞；並且，高溫燒結後鑄型的精度誤差較大，燒結收縮率通常達到10%以上。
為此，西安交通大學提出型芯/型殼一體化渦輪葉片快速製造技術。該技術以光固化樹脂原型代替傳統熔模鑄造蠟型，採用型芯/型殼一體化凝膠注模代替傳統型殼的掛漿製備和型芯的壓制成形，實現型芯/型殼的一次成形，用於空心葉片的鑄造。技術路線如圖 1所示，主要包括：樹脂原型的光固化成形、凝膠注模、冷凍乾燥、燒結和精密鑄造等。較之CSL技術，此方法制備的鑄型精度更高，效能更加穩定，滿足定向晶/單晶葉片對鑄型高溫效能的苛刻需求。
圖 1 基於型芯/型殼一體化鑄型的渦輪葉片快速成形技術
Fig. 1 Rapid manufacturing technology of turbine blade based on integrated core/shell ceramic mold
西安交通大學在型芯/型殼一體化渦輪葉片快速成形技術在陶瓷鑄型製備、鑄型中高溫力學效能調控、全流程葉片精度控制等方面取得了突破，實現了多種型號空心渦輪葉片的快速研製，取得了以下技術進展。
圖 2 型芯/型殼一體化陶瓷鑄型
Fig. 2 Integrated core/shell ceramic mold
1) 建立了基於光固化3D列印的空心渦輪葉片型芯/型殼一體化鑄型快速製備技術體系。該技術改變了傳統葉片製造需要型芯模具、型芯/型殼組合的複雜流程，受結構複雜程度的限制大大降低，可為新型氣冷葉片的內腔複雜冷卻流道提供更大的設計自由度。並且，鑄型壁厚可準確調控，透過調節散熱條件來實現葉片柱狀晶/單晶組織的控制。該技術還可以用於複雜異型氣膜孔等新型冷卻結構的整體鑄造成形，推進渦輪葉片數字化精確控形控性。
2) 空心渦輪葉片型芯/型殼一體化陶瓷鑄型中高溫力學效能調控技術。研究提出以有機陶瓷前驅體進行一體化鑄型中溫強化的方法，有效保證了鑄型焙燒後的結構完整性。建立了基於莫來石高溫強化的材料體系，可實現1 500 ℃下高溫抗彎強度8~34.9 MPa可調控，分別滿足不同尺寸等軸晶、定向柱晶、單晶葉片的凝固要求。
3) 型芯/型殼一體化空心渦輪葉片全流程精度控制技術。研究透過霧化覆膜技術，解決了光固化樹脂原型表面臺階效應，提升了光固化原型內外表面質量(表面粗糙度優於3.2 μm)。透過真空冷凍乾燥工藝方法，可有效抑制鑄型乾燥開裂，解決了厚大陶瓷坯體乾燥的難題，實現了鑄型溼坯的無缺陷快速乾燥，並將乾燥效率提升2~3倍。提出了一體化鑄型型芯燒結重心面概念，解決了細長懸臂型芯燒結變形的問題，並構建了“近零燒結收縮”材料體系與燒結工藝，將鑄型燒結收縮率控制在0.1%內，實現了空心渦輪葉片精確成形(關鍵尺寸誤差低於0.1 mm)，實現了葉片的高精度製造。
針對傳統熔模鑄造技術中渦輪葉片研製週期長、工藝複雜、成本高、響應慢等問題，將高精度光固化成形與精密鑄造結合，發明了型芯/型殼一體化渦輪葉片快速成形技術，可實現複雜結構空心渦輪葉片中小批次的快速製造，圖 3為基於本技術成形的空心渦輪葉片。較之熔模鑄造工藝，該技術在新型號、複雜結構空心渦輪葉片的研製中具有顯著優勢，可縮短空心渦輪葉片研發週期60%~80%，節約研發成本60%以上，並有利於渦輪葉片尺寸精度的調控。此外，該技術也可延伸至雙層壁結構葉片、異型氣膜孔、機匣的快速製造。
圖 3 基於型芯/型殼一體化技術的空心渦輪葉片
Fig. 3 Hollow turbine blades manufactured by integrated core/shell technology
1.2 難熔高熵合金增材製造技術
耐高溫材料及其製造工藝是航空發動機發展的關鍵環節。美國多用途先進渦輪發動機計劃(VAATE)、歐洲先進核心軍用發動機計劃(ACME)等相繼推行，其定義了未來第五代推重比15~20的高效能航空發動機，渦輪前進口設計溫度將達到2 200 K以上。難熔高熵合金具有耐高溫、高強度、高硬度、抗輻照效能佳的特點，在航天航空領域、核工業領域、生物醫學領域均有巨大應用前景。增材製造技術利用高能能量源將材料逐點熔化，逐層堆積，直接成形。憑藉加工週期短，生產效率高，複雜構件快速成型的特點，為極端應用環境下難熔高熵合金複雜結構製造提供了可能性。因此由高熔點元素構成的難熔高熵合金及其增材製造在未來航空航天工業中有巨大應用潛力。
鐳射增材製造以高能率鐳射束為能量源，熔化製備高熵合金不僅可以實現高強度和高延性的完美結合，不需要傳統的真空熔鍊裝置，而且有製造更大、更復雜、可用於工程應用的耐高溫高熵合金零件的潛力，也體現出材料基因組研究的作用。目前選擇性鐳射熔化製備高熵合金研究主要集中在最佳化工藝、改善材料效能等方面。
2015年，英國謝菲爾德大學的Brif等採用選擇性鐳射熔化製備了FeCoCrNi高熵合金，晶粒在巨大的溫度梯度和快速凝固共同作用下得到細化，屈服強度達600 MPa，是真空電弧熔鍊樣件的3倍以上，在Hall Petch效應和單一固溶體的作用下FeCoCrNi高熵合金同時具有高強度和良好的延展性。研究結果表明SLM不僅能製備高熵合金，而且所得到的力學效能滿足工程應用的需求。
2017年，德國亞琛工業大學的Haase等使用鐳射熔覆沉積製備了CoCrFeMnNi高熵合金，沉積的高熵合金密度高，無宏觀偏析，化學均一性好，平均維氏硬度195HV5，壓縮屈服強度260 MPa，優於常規熱處理樣件，證明了鐳射熔覆沉積技術用於高熵合金大批次樣品生產的可行性。同時，Haase提出將平衡態合金相圖和非平衡態Scheil方程相結合用於預測高熵合金的相組成和元素分佈的合金設計理念。
2018年，新加坡製造技術研究院的Zhu等採用選擇性鐳射熔化製備了近全緻密的CoCrFeNiMn高熵合金，熔池、柱狀晶粒、亞微米胞狀結構和位錯組成了分層結構，定量分析表明胞狀結構透過位錯強化提高了屈服強度(510 MPa)，並認為透過最佳化工藝引數、掃描策略和加工方向，可以進一步有效地提高材料的力學效能。
西安交通大學致力於增材製造難熔高熵合金的研究。採用鐳射選區熔化工藝，進行了NbMoTaW成型工藝以及效能的研究。製備了NbMoTaW合金試樣，如圖 4所示，並進行了的物相分析，結果表明NbMoTaW合金結構為單一的BCC相無序固溶體。NbMoTaW合金在高能率鐳射選區熔化過程中形成柱狀晶，金屬微熔池處於激冷(冷卻速率103 K/s)條件下迅速冷卻，得到了平均尺寸為20 μm的極小晶粒，同時W、Nb、Mo、Ta元素在高熵合金中均勻分佈，無明顯微觀偏析，採用鐳射增材製造NbMoTaW高熵合金力學效能優於電弧熔鍊等其他工藝高熵合金的效能。
圖 4 選區鐳射熔化成型高熵合金樣件
Fig. 4 High-entropy alloy samples formed by selective laser melting
透過最佳化材料成分來調控成型樣件的組織結構，以增加塑性相來改善增材成形性。獲得NbMoTaX系高熵合金增材製造樣件常溫壓縮強度達到2.3 GPa(圖 5(a))，800 ℃時高溫壓縮強度達到1.0 GPa。相比於成分最佳化前的NbMoTa合金常溫壓縮效能提高了77.5%，高溫壓縮效能提高了230%，如圖 5(b)所示。研究表明，形成的增材製造專用NbMoTaX高熵合金密度達到9.0 g/cm3以下，其部分高溫效能超過傳統高溫合金(圖 5(c))，透過大幅簡化氣膜孔，在力學效能及燃油效率上大幅最佳化，為下一代高溫葉片材料和成形工藝提供變革性思路。
圖 5 增材製造NbMoTaX系高熵合金效能特點
Fig. 5 Properties of additive manufacturing NbMoTaX high-entropy alloy
採用鐳射增材工藝成形難熔高溫高熵合金過程中，由於材料熔點與基板溫度梯度較大，結合面處熱積累嚴重時，易產生如圖 6所示的翹曲現象，嚴重影響合金效能。成型相同成分的樣件時，仍需根據樣件的大小以及形狀複雜程度選用不同的工藝視窗，因此工藝視窗的通用性不強。圖 7採用相同材料成分、相同工藝視窗列印形狀相同而大小不同的兩個樣件時，小樣件沒有裂紋而大樣件出現了致命性的裂紋，因此難以實現大尺寸複雜結構高階部件的精密製造。難熔高熵合金選用的元素大都為高熔點元素，成型後形成單一的體心立方(BCC)相，BCC相對溫度敏感，因此成型的樣件塑性差，具有很低的延伸率。因此仍需透過材料成分的最佳化設計以及工藝視窗的最佳化來使難熔高熵合金真正走向市場。
圖 6 選區鐳射熔化過程中高熵合金翹曲現象
Fig. 6 Warpage of high-entropy alloy samples formed by selective laser melting
圖 7 採用相同材料以及工藝鐳射增材成型相同形狀不同大小的渦輪葉片樣件
Fig. 7 Turbine blade samples of same shape and different sizes formed by the same material and process
1.3 陶瓷基複合材料渦輪葉片製造技術
為了提高推重比，未來先進航空發動機渦輪進口溫度將高於2 000 ℃，遠超過高溫合金熔點，即使採用先進的冷卻結構，現有的空心渦輪單晶葉片耐溫性也難以滿足超高溫服役需求，而纖維增韌陶瓷基複合材料(CMC)具有高比強、耐高溫等優勢，克服了高溫合金耐溫差和密度大等缺點，是先進航空發動機熱端部件的理想結構材料。以CMC材料替代高溫合金製造航空發動機核心渦輪葉片，將使發動機的重量顯著減小、工作溫度提高，增加推重比，降低油耗；其次，CMC材料具有良好的高溫損傷容限，可顯著提高航空發動機的可靠性。因此，CMC渦輪葉片先進製造技術對未來先進航空發動機快速發展具有重要戰略意義。
國外先進航空發動機代表性機構主要包括美國航空航天局(NASA)和通用電氣航空公司(GE)、英國羅爾斯-羅伊斯公司(R-R)等，成功將碳化矽陶瓷基複合材料(SiC-CMC)應用於航空發動機低壓渦輪葉片。其中，美國GE公司已在F414軍用渦扇發動機上，驗證了SiC-CMC低壓渦輪動葉的耐高溫與永續性能，並在GE-nx民用渦扇發動機高壓渦輪葉片上開展了系列試驗；GE公司研發的波音777X大型客機的GE-9X發動機，採用SiC-CMC低壓渦輪轉子葉片等，將發動機重量降低6%，極大提升了GE-9X發動機推力，燃油效率提高約10%；2017年，GE公司聯合法國斯奈克瑪公司，實現了LEAP發動機SiC/SiC-CMC熱端靜子部件的工程化應用。同時，美國NASA公司將渦輪葉片模型分解，以纖維編織成形骨架，然後透過組合裝配、反應燒結等實現航空發動機熱端部件的製造(圖 8)，但CMC熱端部件連線處耐溫性較差，並且纖維編織精度較低，緻密CMC熱端部件需要大量後處理。由上可知：美國在先進航空發動機CMC渦輪葉片製造等領域已實現重大技術突破，並從簡單結構、低溫、靜子部件轉為複雜結構、高溫、轉子部件，彰顯了SiC-CMC材料在未來軍用和民用航空發動機的巨大應用潛力。SiC-CMC材料應用到高壓渦輪轉子葉片，成為未來先進航空發動機發展的必然趨勢。近十多年，國防科技大學、西北工業大學以及北京航空材料研究院等少數機構，主要沿襲國外纖維編織技術，開展CMC渦輪葉片製造的研究，或者針對高效能纖維及其CMC材料製備進行了自主探索，取得長足進步，但國內商用航空發動機目前和將來相當時間內仍然依賴美國GE公司和英國R-R公司等先進代表性機構。
圖 8 美國航空航天局(NASA)CMC渦輪葉片
Fig. 8 NASA CMC turbine blade
目前國內外航空發動機CMC渦輪葉片的製造，主要以纖維編織工藝成形增韌結構，再透過化學氣相滲透技術實現碳化矽陶瓷基體的緻密化，雖然具有纖維含量高、連續性好、力學效能佳等優點，但難以實現複雜結構數字化成形和組織效能調控(控形和控性)。隨著增材製造技術的發展，顯著減小了渦輪葉片結構設計的約束，從而為複雜SiC-CMC渦輪葉片的高效能製造提供了新思路。由此，西安交通大學提出航空發動機CMC渦輪葉片製造新方法，與現有國內外技術相比，可實現複雜結構渦輪葉片CMC材料製備/精密成形一體化製造。發明了基於光固化3D列印的高體積含量純纖維預製體凝膠注模成型技術，克服了複雜結構CMC渦輪葉片整體成形難的技術瓶頸，以化學氣相滲透製備纖維介面層，以原位合成獲得SiC陶瓷基體的緻密化，透過材料設計和工藝實現CMC組織效能調控，可獲得複雜結構CMC渦輪葉片快速製造，將CMC材料斷裂韌性提高到8 MPa·m1/2以上。建立了凝膠注模/原位合成碳化矽陶瓷基體強度調控方法。研究表明遊離矽含量過高是導致CMC材料高溫強度較低的主要原因。透過新增碳源提高纖維預製體中碳含量，以原位合成高溫相(如碳化矽或矽化鉬)降低CMC材料中游離矽，若採用單質石墨，遊離矽含量依然較高(約31.83vol%)。為進一步控制遊離矽量，採用酚醛樹脂浸漬裂解，研究表明酚醛樹脂作為碳前驅體可顯著提高預製體中碳含量，以原位合成高溫相可有效控制CMC材料中游離矽，遊離矽含量最低值小於10vol%，實現CMC渦輪葉片1 400 ℃高溫強度達到400 MPa以上。提出定向微觀層片結構CMC複雜零部件的製造方法。將定向冷凍與凝膠注模結合，開創性探索了定向冷凍凝膠注模技術。研究發現層狀陶瓷具有較高彎曲強度同時表現出較大的應變能力，可以實現CMC渦輪葉片結構成形和組織效能一體化快速製造。提出CMC渦輪葉片預製體的纖維核殼結構製備方法。以直寫列印技術成形具有纖維(核)和陶瓷(殼)結構特徵的CMC預製體，然後透過化學氣相滲透獲得纖維介面層，採用先驅體浸漬裂解等(如：聚碳矽烷)進行預製體緻密化，首次將碳化矽陶瓷基複合材料的製備從材料設計向增韌核殼結構設計轉變。研究表明，同軸直寫列印技術可有效控制三相流中纖維(核)與陶瓷(殼)的體積比，定向排列纖維可顯著提高CMC材料的抗斷裂效能。較之現有3D列印多孔碳纖維增韌碳化矽複合材料，該方法將CMC強韌性提升3倍以上，圖 9為製備的SiC-CMCs渦輪葉片。
圖 9 SiC-CMCs渦輪葉片
Fig. 9 SiC-CMCs turbine blade
因此，相對於目前CMC渦輪葉片纖維編織工藝，增材製造技術在陶瓷基複合材料製造中的運用，顯著減小CMC渦輪葉片複雜結構設計的約束，實現CMC纖維組織和外形結構的控制，適合複雜結構CMC渦輪葉片的高效能快速製造，有望推動未來先進航空發動機快速研製，縮短中國與歐美先進製造水平的差距。
2 高分子材料及其複合材料增材製造
聚醚醚酮(Poly-Ether-Ether-Ketone，PEEK)是半結晶、熱塑性高分子聚合物材料，具有優異的耐熱性與穩定性，而且，碳纖維、陶瓷材料、金屬化合物等增強相改性形成的PEEK基複合材料具有更為優異的物化效能或形成了具有某種特定作用(耐輻射、智慧變形、導電、電磁遮蔽等)的功能性材料。因此，PEEK及其複合材料已經作為典型的輕質高效能材料或功能性材料應用於航空航天領域，近年來，隨著增材製造(3D列印)技術的發展，其與PEEK及其複合材料的結合，可以快速成形結構更為複雜、功能要求更為多樣的製件，大大提升了其在航空航天領域的應用潛力。PEEK及其複合材料具有傑出的阻燃性、力學效能、耐蠕變性和耐疲勞性，可製造燃油過濾網、螺栓、螺母、繞線管、艙內座椅及飯桌、艙內蒙皮、整機電纜橋架及電器元件、艙內把手、壓縮機及泵體等零部件，已經應用於航空航天器的內裝件，僅國外威格斯企業的PEEK材料已經在超過15 000架飛機上實現了應用，比金屬減重最高達70%，國內商飛公司也採用PEEK材料的高壓電纜導管替代金屬管道，減重高達45%，並且提高了燃油效率。此外，由於PEEK及其複合材料優異的耐候性、耐水解性、耐腐蝕性等，同樣可以被應用於航空航天器的外裝件，國外空客公司已經採用PEEK材料作為燃油箱蓋板應用到空客A380飛機上，並採用高模量碳纖維增強的PEEK材料作為飛機艙門配件應用到空客A350-900飛機上，而波音公司則採用PEEK材料作為輪轂罩應用到新型波音777飛機上，並且，PEEK及其複合材料還是雷達天線罩製造的理想材料，已經在各種型號航空航天器上得到了較為普遍的應用。
2.1 PEEK材料增材製造
PEEK材料與增材製造(3D列印)技術的結合，以製造出結構、效能、功能更為複雜的零部件，可以滿足航空航天領域對於超音速、隱蔽性、深空探索、在軌制造等更深層次的需求。目前主要用於PEEK及其複合材料的增材製造工藝主要有粉末床燒結和熔融擠出兩種方式，自2015年以來，國外的英國埃克塞特大學、德國EOS公司、莫斯科理工大學，國內的西安交通大學、吉林大學等研究單位開發了可用於PEEK及其複合材料的粉末床燒結裝備或熔融擠出裝備，並在此基礎上進行了工藝試驗研究，可以獲得效能優異、結構複雜的功能構件，顯示出其在航空航天領域中的應用潛力。其中最新的應用例如，國外的歐洲航天局推出了增材製造的PEEK材料CubeSat立體小衛星專案，並進入第一次測試執行，美國航空航天局則支援了一項SpiderFab機器人計劃，旨在採用CF/PEEK材料在軌增材製造大型太陽能電池陣列的支撐結構，已在地面開展了測試試驗，而國內的中電38所和西安交通大學合作採用PEEK材料進行了複雜結構雷達天線的增材製造，探索了其在航空航天覆雜環境下的應用價值。
分子結晶與力學效能調控增材製造技術與應用。PEEK材料是一種半結晶高分子材料，本研究團隊發明了一種分子結晶與力學效能調控增材製造技術，可以透過調控增材製造過程中的熱工藝引數(環境溫度、列印溫度、熱處理方式等)，得到不同位置不同結晶度的PEEK材料製件，而製件結晶度越高，其硬度、模量、強度越高，但塑性、韌性越低，因此可以在同一製件上體現出不同的力學效能，以滿足航空航天環境下複雜應力應變變化的需求。目前，該技術可以普遍應用於航空航天器內裝件與外裝件零部件的製造，根據實際應用環境進行PEEK材料製件強韌性的調控，典型應用如把手、儀器面罩、天線及其支撐柱等，如圖 10所示。
圖 10 艙內把手與雷達天線
Fig. 10 Cabin handle and radar antenna
高精度大尺寸PEEK材料增材製造技術與應用。航空航天領域的大部分零件具有尺寸大(單方向尺寸大於1 m)、精度要求高等特點，因此，本研究團隊開展高精度大尺寸PEEK材料增材製造技術研究，透過變形和精度控制、大幅面製造、控性冷沉積和精度補償等技術，研發了面向PEEK及其複合材料的高精度大尺寸增材製造裝備，可實現大尺寸PEEK材料構件的高穩定製造，同時實現內部精密結構(如蜂窩結構、多孔結構等)的高精度成形。目前，該技術可以應用於航空航天器中較大尺寸(0.5~1 m)實體零件的快速成形，和大尺寸(大於1 m)薄壁零件的可控制造，典型應用如雷達天線罩、大尺寸衛星照相遮光罩等，如圖 11所示。
圖 11 高精度大尺寸增材製造裝備(上)和1.3 m的蜂窩結構雷達天線罩(下)
Fig. 11 High-precision and large-size additive manufacturing equipment for PEEK (Upper) and 1.3 m honeycomb structure radome (Lower)
纖維增強PEEK基複合材料增材製造技術與應用。為了滿足航空航天領域更高的效能和功能要求，可以採用碳纖維、玻璃纖維等增強相對PEEK材料進行改性，並採用增材製造技術進行複合材料零件的製造。研究團隊所開展的纖維增強PEEK基複合材料增材製造技術研究，可以實現所獲得複合材料製件的綜合力學效能相較於純PEEK材料製件提高50%以上，並提高了製件的耐磨性、耐熱性和尺寸穩定性，可更好適應空天的複雜氣流與溫度環境。目前，該技術可以應用於航空航天器中承載結構件或耐熱等功能結構件的製造，在滿足需求的同時達到減重的目標，典型應用如飛機黑匣子外罩、氣流管道和流體閥體等(圖 12)。
圖 12 增材製造的纖維增強PEEK基複合材料零件
Fig. 12 Additively manufactured fiber-reinforced PEEK- based composite parts
2.2 寬頻大角度吸波結構增材製造
航空隱身技術能夠有效提高現代戰機的突防能力以及戰爭生存能力，是現代先進航空飛行器的重要技術指標。現代戰機的隱身技術是透過弱化飛行器的目標的雷達散射截面積(RCS)實現的，目前主要透過外形設計、阻抗載入和材料吸波特性實現，而材料隱身技術在不影響飛行器整體結構的條件下，透過主動結構設計，結合特定吸波材料的物理特性，有望實現質量輕、頻頻寬、大角度的電磁吸波特點，是未來航空隱身技術的主要發展方向和趨勢。先進航空飛行器受到結構設計、材料體系、製造工藝等諸多方面的限制，材料隱身技術是依據電磁波理論，透過主動設計單元結構從而實現整體結構吸波隱身效果，這類結構往往具有精巧的單元結構，因此對於加工方法具有極大的挑戰。因此，隱身技術的實現必然依靠材料/結構功能一體化實現飛行器的綜合隱身，利用增材製造技術其在複雜結構製造上的優勢，能夠實現“材料-設計-製造”一體化的方向，拓寬了材料自身吸波效能的物理限制，因此，成為隱身技術重要的製造方法之一，也是學術領域和工程應用的研究熱點。
西安交通大學團隊使用立體光固化增材製造工藝(SL)製造了一種梯度折射率雷達吸收結隊構，該結構展示了良好的電磁吸收能力，較早的驗證了採用增材製造技術實現複雜吸波結構的技術優勢；西北工業大學團隊使用立體光固化技術(SL)和化學氣相滲透技術製造了具有不同角度的蜂窩狀Al2O3/SiCw複合材料吸波結構，透過控制蜂窩角度，實現了吸波效能的調節，當角度為30°，厚度為3.5 mm時，吸波效能最優，最小反射損耗達到-63.65 dB，有效吸收頻寬達到4.2 dB(8.2~12.4 GHz)。牛津大學團隊採用雙噴頭熔融沉積增材製造工藝製造不同材料的各向異性介質複合物，一個噴頭製造低介電常數的多聚物，另一個新增高介電常數的無機微粒填充物，其製造的吸波結構最大吸波效能接近15.75 GHz。中南大學團隊採用選擇性鐳射燒結增材製造工藝(SLS)製作了一種三層不同單元的均質材料吸波結構，試驗表明其在4~18 GHz均低於頻率-10 dB。南京航空航天大學團隊使用多材料數字光投影技術(DLP)對石墨烯/羰基鐵/烯等複合材料進行列印，製造了一種具有雙層結構的吸收體，透過控制雙層結構的厚度，可以實現吸波效能的調節，透過最佳化得到最小反射損耗為-46.1 dB, 有效吸收頻寬為3.5 GHz。
增材製造技術憑藉其在複雜結構方面的製造優勢，在隱身結構的製造方面獲得了重要的突破，然而從上述研究內容不難發現，目前增材製造隱身結構的吸波頻寬不寬、吸波方向固定，這也與目前均質的增材製造結構吸波特性所吻合，結構與材料的複合吸波優勢尚未透過增材製造工藝充分體現。
高效能聚合物複合材料吸波結構增材製造工藝採用以聚醚醚酮(PEEK)為代表的高效能聚合物為基體材料，羥基鐵等材料作為吸波增強相材料，提出了一種具有連續變化的材料/結構設計與增材製造方法，透過對設計連續變化的胞元結構以及複合材料吸收劑含量的調控，實現了與自由空間的梯度阻抗匹配及樣件製造。
設計的多層級吸波結構如圖 13(a)和圖 13(b)所示，該結構共有10個層級，每個層級厚度為2 mm，透過設計每層吸波結構中單胞結構幾何引數和複合材料分佈共得到四組不同梯度單元結構。其中，單胞結構幾何引數如圖 13(b)所示為正六邊形和平行四邊形複合而成，其中胞元高度D和稜邊寬度W為常數，分別為2 mm和0.2 mm，而平行四邊形對邊垂直高度H為變數，其取值範圍為1.2~3.0 mm。
圖 13 吸波結構設計
Fig. 13 Design of absorption structure
吸波複合材料則分別採用聚醚醚酮(PEEK)粉末以及球形羰基鐵粉(粒徑1~3 μm)製備了3種含量的3D列印專用吸波複合材料絲材(50wt%、60wt%、70wt%)，測試了3種含量(50wt%、60wt%、70wt%)複合材料的電磁效能引數，在12~18 GHz波段內，隨著羰基鐵粉濃度的增加，有效粒徑增大，吸波複合材料介電常數實部、磁導率實部、磁導率虛部增加明顯。
圖 14為列印完成的多層吸波結構試樣及在不同角度入射電磁波下的反射損耗曲線測試結果。測試結果顯示，隨著電磁波入射角度從20°增加到50°，多層吸波結構反射損耗曲線逐漸向上移動，吸波效能逐漸下降。圖 14(c)和圖 14(d)顯示，當入射角分別為20°和30°時，實測反射損耗值曲線較模擬結果整體向上偏移；當入射角分別為40°和50°時，實測反射損耗值曲線較模擬結果整體向下偏移；這主要是由於3D列印精度誤差導致了在不同入射角度下特徵阻抗發生變化，從而引起吸波效果與模擬結果的差異。最終可以得出結論，當電磁波入射角度分別為20°、30°、40°、50°時，多層級梯度吸波結構的有效吸波(＜-10 dB)頻寬分別為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)。
圖 14 3D列印樣件及測試結果
Fig. 14 3D printing sample and measured results
吸波複合材料增材製造技術透過微結構單元的設計，結合多種吸收劑的吸波特性，可以進一步拓寬吸收頻帶，整體結構吸波方向性也得到了改善。隨著航空隱身技術的快速的發展，寬頻、全向、承載/功能一體化已經成為未來航空隱身技術的主要發展趨勢，基於電磁損耗原理的可控微結構一體化設計、跨尺度(微/納)複合材料以及高精度製造等關鍵技術研究及應用，有望成為實現航空隱身突破的重要技術手段，並在隱身艦船上層建築等領域獲得重大應用。
3 連續纖維增強複合材料3D列印及太空製造
纖維增強樹脂基複合材料具有輕質高強等優異特性，現有複合材料成形工藝如熱壓罐、自動鋪放、纖維纏繞等長久以來因無法擺脫模具的存在面臨著加工成本高、生產過程冗雜、零件構型簡單等共性問題，為此發展新的複合材料低成本一體化快速製造技術將是下一代複合材料主要發展方向與技術挑戰。近年來，連續纖維增強複合材料3D列印技術作為一種新興的複合材料製造技術，其繼承3D列印無模自由成形的技術優勢，擺脫高昂的模具限制，大大降低複合材料的加工成本，實現複雜構件的一體化成形。因此，連續纖維增強複合材料3D列印為現階段先進複合材料面臨的發展困境提供了一種綜合性的解決方案，具有十分重要的科學意義與工程應用價值。
3.1 連續纖維增強複合材料3D列印
該技術在傳統材料擠出成形工藝(ME)基礎上創新發展起來的，根據原材料與列印方式的不同主要包括連續纖維預浸絲3D列印與連續纖維乾絲原位浸漬3D列印兩種不同的形式。
連續纖維預浸絲3D列印首先需要製備纖維預浸絲，再利用預浸絲進行3D列印，典型代表為美國Markforged公司，Markforged自2014年開始陸續推出Mark系列印表機，主要採用兩個獨立噴頭，一個噴頭擠出熱塑性樹脂，另外一個連續纖維預浸絲束，兩個噴頭配合工作分別鋪放熔融樹脂與纖維預浸束進行構件輪廓與內部填充結構的製造，列印碳纖維增強尼龍複合材料拉伸強度與模量分別達到700 MPa與54 GPa。連續纖維預浸絲3D列印工藝的關鍵是纖維預浸絲材的製備，Hu等開發了利用螺桿擠出熔融浸漬的方式製備碳纖維增強PLA預浸絲，熔融樹脂在螺桿旋轉剪下作用下流動性改善同時在螺桿壓縮作用下產生較大的壓力，更容易滲透到纖維束內部形成具有良好介面的預浸絲。
連續纖維乾絲原位浸漬3D列印，與預浸絲列印最大的區別在於連續纖維直接採用纖維乾絲，列印過程中纖維與樹脂同時送入到同一個3D列印頭內，在加熱作用下樹脂融化與纖維複合，之後複合材料擠出層層堆積成形三維零件。西安交通大學研究團隊於2014年率先提出了以纖維乾絲與熱塑性樹脂絲材為原材料進行連續纖維複合材料原位浸漬3D列印的技術原理，成功實現了連續碳纖維增強ABS複合材料的列印，當纖維含量為10%左右時，拉伸強度與模量分別達到了147 MPa與4.185 GPa，是純ABS試樣的5倍與2倍左右。2015年，東京理科大學Matsuzaki等開發出原位浸漬ME工藝實現了連續碳纖維增強聚乳酸複合材料的列印，當纖維含量為6.6%時，拉伸強度與模量分別達到了200 MPa與20 GPa，如圖 15所示。
圖 15 連續纖維乾絲原位浸漬3D列印工藝
Fig. 15 In-situ impregnation 3D printing process of continuous dry fiber bundle
對連續纖維增強熱塑性複合材料3D列印開展了系統的成形工藝實驗，研究了3D列印工藝引數的變化對複合材料力學效能的影響規律，複合材料彎曲效能與列印頭溫度呈負相關關係，與分層厚度、掃描間距成負相關關係，分析表明工藝引數的變化會引起成形過程中溫度與壓力的變化，二者會改變複合材料的微觀結構，同時工藝引數也會改變複合材料的纖維含量，微觀結構的好壞以及纖維含量的高低是決定複合材料宏觀力學效能的重要因素，因此，在連續纖維3D列印工藝中可以透過工藝引數的調控實現複合材料的效能可控制造。
由於連續纖維3D列印技術獨特的工藝優勢，能夠帶來對複合材料結構設計與製造理念的革新，對於突破現有複合材料的應用模式促進複合材料向更廣泛領域發展具有巨大潛力，研究團隊圍繞連續纖維3D列印進行了初步的應用探索，一方面，開發了複合材料輕質結構一體化成形技術，如波紋板結構、蜂窩結構等，可被應用於航空航天、汽車交通等領域解決傳統制造工藝成本高、週期長的問題，起到進一步減重、提升效能的效果，如圖 16所示；另一方面，探索了基於連續纖維3D列印的結構功能一體化、智慧化複合材料製造的行性，透過對3D列印連續纖維中材料分佈、纖維路徑規劃等設計實現複合材料的可控變形以及材料變形狀態的實時檢測，實現複合材料致動、感測的一體化，在未來的變形機翼、柔性機器人等領域具有巨大的潛在應用價值，如圖 17所示。
圖 16 輕質結構連續纖維3D列印一體化成形
Fig. 16 Continuous fiber 3D printing of lightweight structure
圖 17 連續纖維增強熱塑性複合材料4D列印與變形調控技術
Fig. 17 4D Printing and deformation control technology of continuous fiber reinforced thermoplastic composites
圍繞連續纖維增強複合材料原位浸漬3D列印技術，建立了基礎工藝引數對複合材料力學效能的調控機制實現複合材料的效能可控制造，重點開發了3D列印連續纖維複合材料多重結合介面強化方法，改善了複合材料的介面結合強度與微觀結構，保證了複合材料優異的力學效能，所成形複合材料纖維體積分數達到50.2vol%左右，縱向拉伸強度與模量分別達到了最高的766.67 MPa與77.25 GPa，實現了複合材料構件低成本快速製造，對於促進複合材料在航空航天等重要工業領域進一步向輕量化、智慧化、整合化等方向發展具有重要意義。
3.2 太空連續纖維複合材料3D列印
太空作為人類未來發展甚至居住的重要領域，具有至關重要的發展意義和戰略價值，是承擔和保護國家安全和發展的關鍵命脈之一。近年來，各個國家為了探索太空的可能性，爭奪太空領域的優先權，均大力發展航天技術，從而衍生出了許多太空戰略規劃，如美國2018年制定的《國家航天戰略》以及俄羅斯的《2016—2025年俄羅斯聯邦航天規劃》等，太空3D列印則被認為是航天技術發展的核心方向之一。
太空3D列印是指在空間環境(微重力、真空、高低溫等)下透過3D列印實現太空基地或構件的原位成形技術。太空3D列印技術透過將製造環境和應用環境統一，實現按需原位製造，解脫“地面製造-運輸組裝”的傳統模式，大大提高了航天活動的靈活性，降低了技術成本，具有廣闊的應用和發展前景。
美國是開展太空3D列印技術相關研究最早也是技術最先進的國家，美國航空航天局(NASA)主導併合作不同研究機構開展了各類太空3D列印的探索研究及實施計劃。NASA馬歇爾飛行中心於1993年便率先開展部分高分子聚合物FDM工藝對空間環境適應性分析研究，並於1999年開展拋物飛行試驗，驗證了微重力環境下的FDM工藝的可行性。NASA蘭利研究中心則開發了一套適用於太空飛行的輕型電子束熔絲沉積裝置(EBF3)，並透過拋物飛行試驗，初步實現了飛行過程中的樣件成形，驗證了該工藝的可行性。NASA和Made In Space公司於2014年合作實現了全球首次艙內太空3D列印，實現了利用FDM技術成形多個ABS樣件，如圖 18所示，並於2015年4月成功回收至NASA馬歇爾飛行中心，大大推進太空3D列印的程序，實現了從地面驗證到在軌成形的飛躍。NASA和Tether Unlimited公司則合作提出了SpiderFab技術以期實現大型空間桁架結構的一體化艙外在軌成形。
圖 18 美國2014年實現首次太空3D列印
Fig. 18 U.S. achieved its first space 3D printing in 2014
歐洲的太空3D列印同樣發展迅猛。歐洲宇航局(ESA)授權義大利Altran公司研製了第一臺FDM空間3D印表機-POP3D，並於2015年將其成功送入國際空間站，為搭建太空零部件的加工工廠提供了驗證基礎。俄羅斯於2016年報道，由託木斯克理工大學高科技物理研究所等4家單位聯合研製了該國的首臺太空3D列印樣機。
中國的太空3D列印技術相比歐美起步較晚，但目前也已實現了部分工藝及裝置的拋物飛行實驗及艙內驗證。中國科學院空間應用工程與技術中心於2016年共同研製了國內首臺FDM太空3D印表機，並在法國波爾多完成了拋物線失重飛行試驗，實現了包含短纖增強複合材料在內的多材料體系微重力環境驗證與工藝探索。
2020年5月7日，西安交通大學和北京衛星製造廠聯合研發的太空3D印表機成功搭載“長征”5號運載火箭實現了太空3D列印，這也是全球首次連續纖維增強複合材料的太空3D列印，如圖 19所示。連續纖維增強複合材料太空3D列印為發展高強度高剛度空間構件的原位成形提供了創新且有效的技術手段。
圖 19 中國實現全球首次連續纖維增強複合材料的太空3D列印
Fig. 19 China realized worlds first space 3D printing of continuous fiber reinforced composites
針對太空3D列印，目前公開報道的相關研究主要有3部分，分別是面向太空環境的3D列印工藝及裝置的地面或艙內驗證、太空3D列印的高效能材料研究以及太空環境下的材料回收再列印。
現階段，太空3D列印的地面驗證及在軌實驗多以ABS、PLA等純樹脂以及金屬粉末作為原材料開展相關驗證研究，相關材料體系難以滿足太空環境下高機械效能的穩定成形以及耐高低溫耐腐蝕的環境耐受性需求。西安交通大學提出的連續纖維增強複合材料3D列印工藝，能夠確保原材料的連續性，克服了太空中液體及粉末形態材料的難以穩定成形的缺陷。連續纖維複合材料也能夠滿足太空製件輕質高模量的效能需求，目前已實現了多種材料體系的地面驗證、裝置搭建及效能評估，其中就包含耐溫及耐腐蝕效能最佳的連續碳纖維增強聚醚醚酮複合材料，其3D列印樣件的彎曲強度和模量可分別超過480 MPa和37 GPa，高於現有大部分鋁合金製品的力學效能，再次證實了連續纖維複合材料體系在太空良好的應用前景。
太空中的材料回收再利用是減少太空廢料汙染、降低材料及運輸成本、提高太空製造能效的有效手段。Made In Space公司在內的多家研究機構已相繼開展以熱塑性樹脂為物件的空間回收再利用技術研究。相比於純樹脂，連續纖維增強熱塑性複合材料能夠更好地發揮連續纖維的形態優勢，實現回收再列印的目標。西安交通大學研究人員探索了連續碳纖維增強聚乳酸(CCF/PLA)複合材料的回收再利用。
透過非接觸式加熱熔融的方式進行逆列印路徑的絲材剝離及收卷，而後實現二次列印成形。經過效能測試，結果表明二次成形的力學效能相比首次列印可提升25%，再次證實連續纖維複合材料的回收再利用不僅有利於太空綠色節能製造，也能實現力學效能的有效提升。因此，開展空間環境下的連續纖維複合材料的回收再利用將會是未來該技術發展的一個重要方向。
4 結論與展望
1) 增材製造技術在航空航天領域具有巨大的發展空間，其應用可以分為3個層面，第1個層面傳統設計方法和材料體系採用增材製造技術進行構件製造；第2個層面是面向新的結構設計採用增材製造技術；第3個層面是採用新的功能材料與結構設計一體化增材製造實現更多新的功能。未來航空航天領域應用應該向功能材料與結構設計一體化增材製造發展。
2) 航空發動機渦輪葉片是航空製造的一個製造難點，採用與傳統鑄造融合的型芯/型殼一體化技術可以有效提升成形效率，為異型氣模孔和壁冷結構製造提供新途徑。發展高熵高溫合金和陶瓷複合材料葉片增材製造技術是渦輪葉片變革發展的方向。
3) 以聚醚醚酮為代表的高效能輕質聚合物及其複合材料在航空航天領域具有廣闊的發展前景，提出增材製造工藝調控結晶度實現對力學效能的控制，實現增材製造的控形控性理念。短纖維與聚醚醚酮複合提升增材製造構件的力學效能，電磁吸波材料與聚醚醚酮複合可實現具有寬頻大角度吸波效能，為電磁波隱身的主動設計和可控制造提供新方法。
4) 連續纖維3D列印技術無需模具，能夠帶來對複合材料結構設計與製造理念的革新，未來向著複合材料致動、感測的一體化的4D列印方向發展。連續纖維增強複合材料太空3D列印為發展高強度高剛度空間構件的原位成形提供了創新且有效的技術手段，中國實現全球首次連續纖維增強複合材料的太空3D列印，為中國未來太空製造技術競爭奠定了良好的基礎。
5) 航空航天產業是國家製造業實力的體現，增材製造技術的應用是中國航空航天技術趕超世界先進國家的歷史性機遇。未來增材製造技術發展主要需要關注3個方面需要和發展：航天航空器發展將向結構整體化製造發展，需要增材製造技術實現構件的整體化製造，這將將大幅度減少零部件數量，實現輕質高效能結構的發展；航空航天器構件將向多功能發展，增材製造技術將實現多功能材料的混合製造，承載、抗熱、吸波、通訊、自感知等多功能，使得航空航天構件向智慧化發展；太空製造將由實驗走向應用，這將改變現有的航天器製造模式，極端環境、失重、低功耗等條件下，增材製造技術會面臨許多新的挑戰和機遇，太空增材製造技術有可能成為太空科技的新熱點。
來源：航空發動機人。
