航天高性能薄壁构件的材料-结构一体化设计综述

新一代航天器技术的快速发展对结构件超强承载、极端防热、超高精度和超轻量化提出了越来越苛刻的要求，如何设计并制造出高性能、轻量化、超精密的航天薄壁构件成为先进材料与结构设计制造领域普遍关注的难题。本文综述了近年来薄壁构件高性能设计与制造及其航天应用的主要成果，围绕材料-结构多尺度建模与性能表征、多材料多尺度结构设计与增材制造原理、增材制造材料性能与结构设计的交互作用机制等科学问题，就结构优化中的制造工艺约束建模，增材制造工艺参数对结构性能的影响，高性能构件材料-结构一体化设计方法及其在航天结构中的应用展开论述，并展望了未来典型航天薄壁构件材料-结构一体化设计和制造方法发展前景与应用，为未来相关研究工作和航空航天装备研发提供参考。     

航空钛合金增材制造的机遇和挑战

简要回顾了增材制造技术在航空钛合金领域的发展历程及应用现状,从成形效率、零件尺寸、零件复杂度、材料利用率、表面质量等方面比较了基于直接能量沉积技术与粉末床熔化技术的5种增材制造方法的特点及适用范围,阐述了粉末床熔化技术在推动航空钛合金结构轻量化设计与低成本制造方面的优势。以Ti-6Al-4V为例,分析了增材制造熔池中的物理过程对柱状晶显微组织形成与力学性能各向异性的影响,总结了业界在过程监控与质量控制方面的初步成果以及现有增材制造标准对材料、工艺、检测等方面的要求。最后,介绍了增材制造钛合金零件的成本构成与计算模型,提出了适合采用增材制造工艺的零件特点,并对航空钛合金增材制造的未来进行了展望。     

大型整体金属结构增材制造技术适航验证

针对民用飞机主承力结构金属增材制造技术适航验证方面存在的问题,开展金属结构增材制造技术适航验证研究。通过增材制造技术适用适航条款分析,给出了民用飞机金属结构增材制造技术适航验证思路,包括材料规范的建立、增材制造工艺的认证、材料强度性能的确定、结构特殊系数的选取和结构性能的验证,对每项验证方法给出了具体实施途径。以某型号前起落架支柱外筒增材制造A-100超高强度钢为例,给出了大型整体金属结构增材制造技术适航验证具体实施方案。     

航空增材制造复杂结构件表面光整加工技术研究及进展

增材制造是解决航空复杂结构件制造难题的有效方法。首先概述了增材制造技术原理、特点及其在航空领域的应用,并深入评述了增材制造技术在材料力学性能、表面质量等方面面临的挑战,指出增减材复合制造的方法,并表明先进表面光整加工技术是提升航空增材制造复杂结构件表面质量和精度的有效途径。重点阐述了高加工可达性的磨粒流加工技术在航空复杂结构件精密抛光中的优势,并总结了保持零件精度同时改善表面质量需要重点研究的内容。     

增材制造——面向航空航天制造的变革性技术

增材制造技术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优势,未来将向着设计、材料和成形一体化方向发展。分析了增材制造在航空航天领域应用发展的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）及其复合材料、连续纤维增强树脂复合材料及太空3D打印为主题,介绍了增材制造技术国内外以及西安交通大学的研究状况。涡轮叶片应用增材制造工艺可以有效提高效率降低成本,未来向高性能的高温合金和陶瓷基复合材料增材制造技术发展。高性能轻质聚合物PEEK及其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,将改变现有的设计与材料,推动结构与功能一体化发展。连续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,在太空3D打印将改变未来航空航天制造模式。增材制造技术将给航空航天制造技术带来变革性发展。     

镍钛记忆合金增材制造技术研究进展及其在航空领域的应用前景

镍钛合金具有特异的形状记忆效应与超弹性、高阻尼性、良好的机械性能,是制造驱动器、阻尼器等的功能结构材料.由于镍钛合金的熔炼制备与机加工性能较差,目前应用的镍钛合金构件通常外形简单且尺寸较小,限制了其在航空等领域大型结构件中的应用.金属增材制造技术为形状复杂的大型镍钛合金构建的制造开辟了新途径.综述了镍钛合金的增材制造技术的现状,并举例说明其在航空制造领域中的应用.     

激光增材制造低合金超高强度钢的组织与力学性能研究进展

激光增材制造技术可以实现超高强度钢大型复杂关键重载构件的高性能精确成形,同时还可用于损伤零件的快速修复,在航空航天等领域的应用日益广泛.介绍了激光增材制造低合金超高强度钢的成形特性,评述了激光增材制造过程中热累积对低合金超高强度钢显微组织的影响规律,探讨了显微组织和热处理对激光增材制造低合金超高强度钢力学性能的作用机理...     

改善金属增材制造材料组织与力学性能的方法与技术

金属增材制造技术在航空航天、船舶工业、汽车制造、生物医疗等行业得到快速发展。然而增材制造过程中存在的几个问题减缓了该技术的广泛应用。其中,增材制造材料内部的特殊组织使其存在明显的各向异性,增材制造构件内较大的残余应力导致材料的变形和开裂以及材料内部容易产生裂纹和孔洞。主要介绍几种改善金属增材制造材料内部组织和性能的方法和技术,包括工艺参数的优化、后处理技术、颗粒引入、超声干扰技术、超声冲击技术、滚压轧制技术和超声微锻造技术。     

增材制造（3D打印）分类及研究进展

增材制造(3D打印)近年来被国内外广泛研究和应用,但是目前尚无关于增材制造的系统、清晰和准确的分类。根据文献调研和现场调研,将增材制造技术分别按照制造材料种类、形态、热源、工艺组合等方法来进行划分,即增材制造技术可分为四大类16个小类,并且分别介绍各类增材制造技术原理、特点及其研究应用现状。最后指出目前增材制造材料单一与效率低等不足及向多元化、高效化、稳定化和包容化等发展的趋势。     

航空典型金属材料增材制造组织、缺陷、表面、构型研究进展

增材制造是一种集激光、数字化、材料等学科为一体的新型制造技术,具有降维制造、复杂成型、材料利用率高等优点,是材料加工领域中最具应用前景的技术之一,金属增材制造技术已在航空领域得到广泛研究和应用,国内外学者在航空金属材料增材制造方面的研究不断深入。中国航发增材制造技术创新中心在金属增材制造结构四要素——组织、缺陷、表面、构型方面开展了大量研究并获得一些数据,发现了一些现象和规律,包括组织接续生长特征及其对力学性能的影响;典型材料增材制造常见缺陷（气孔、裂纹、未熔合）特征、形成原因及其对力学性能特别是疲劳性能的影响机制;零件表面粗糙度与成形角度的关系及对疲劳性能的影响;金属增材制造构型的影响因素。在此基础上,总结了金属增材制造发展中存在的问题,对下一步重点提出了建议,并对未来研究工作提出了展望。     

面向增材制造的拓扑优化技术发展现状与未来

增材制造技术通过材料逐层打印制备结构,为复杂构件制造提供了新的成形方式。拓扑优化因不依赖于初始构型的选择,可设计出传统理念难以获得的创新构型,已成为航空航天和高端装备领域高性能、轻量化结构设计的重要手段。拓扑优化与增材制造有机融合,充分发挥各自优势和潜力,在现代制造业中展现出广阔应用前景。回顾了近年来关于增材制造与拓扑优化技术融合研究的主要内容和应用成果,包括以材料结构一体化为核心的多尺度/多层级结构优化设计、以设计制造一体化为核心的考虑增材制造工艺约束的优化方法等。同时,也分析了未来研究工作中存在的问题与挑战,如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料成形各向异性、功能梯度材料与结构、增材制造材料与结构疲劳特性等对设计方法和成形工艺带来的挑战,为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。     

民用飞机起落架激光/电子束增材制造技术应用研究

增材制造是先进制造技术的发展方向之一,民用飞机增材制造技术的应用取决于增材制造技术和适航验证技术的成熟度以及材料标准体系的完善度,对民用飞机起落架典型结构所用的A-100、TC18材料进行了激光/电子束增材制造技术应用研究,建立满足适航要求的材料与工艺认证、力学性能表征、内部质量控制与无损检测评价体系。     

增材制造技术在航空发动机中的应用展望

增材制造技术俗称3D打印技术,是信息化与工业化深度融合的典型代表技术之一。增材制造技术两大最显著特征是数字化分层制造和高能束流加工技术,两者的无缝结合预示了传统工业模式的全新变革。金属直接增材制造技术利用了高能束快速成形方法使得沉积层组织快速凝固,可获得非平衡态过饱和固溶体及均匀致密的微观组织,几乎达到或超过锻件水平,同时,有效避免了基材过热问题,对新型材料(如高Al、Ti合金、TiAl合金、ODS合金以及单晶合金)增材制造与修复具有极高的应用价值,并在零件尺寸精度上实现了微变形甚至无变形。本文归纳整理了增材制造技术的几种工艺方法,重点介绍了增材制造技术在航空发动机中的发展现状和最新研究成果,并根据当前需求情况提出了技术发展方向。     

铝合金增材制造的发展现状与展望北大核心CSCD

铝合金增材制造凭借着材料自身的轻量化优势以及增材制造工艺在材料利用率和复杂结构制造方面的特点,在航天领域结构件的制造方面受到了广泛关注。本文针对铝合金增材制造在航天领域的应用,通过电弧熔丝、激光选区熔化以及激光送粉三个代表性工艺分析铝合金增材制造技术的研究现状及现存问题,并简要阐述了目前铝合金增材制造技术在航天领域的应用现状和未来的发展方向。     

飞机增材制造制件的宏观结构轻量化分析

增材制造技术一直被定位在传统制造技术难以低成本、高效率完成的复杂结构制造[1]。目前航空领域中,增材制造技术主要是用来解决某些航空装备重点零部件生产研制瓶颈,而忽略了增材制造技术对实现航空装备轻量化的重大作用。在飞机设计和制造中,增材制造技术不仅可以使形状结构复杂的零组件整体成形以减少装配连接结构,而且还可以成形出更加合理的空前形状结构尺寸的飞机零组件,以达到充分实现飞机"宏观结构轻量化"的目的,特别是对飞机系统件的减重效果最为明显。飞机结构轻量化对提升飞机整体性能、减少飞机耗油量以及节约制造成本、减少排放污染等意义重大。同时增材制造技术在国内的成熟发展,将逐渐成为国内飞机设计理念革新的标志。     

航空装备电子束增材制造技术发展及路线图

增材制造技术在航空装备领域具有广泛的发展前景。作为重要的金属增材制造工艺方法，电子束增材制造正处于快速发展阶段。电子束熔丝增材制造技术可满足航空大尺寸结构件的快速低成本制造，并可用于高价值零件的修复。电子束选区熔化增材制造技术在复杂结构以及难熔合金制件的制造方面具有显著优势。本文在对国内外电子束增材制造技术现状和发展趋势分析的基础上，从发展需求、目标、共性关键技术、应用、战略支撑与保障5个方面综合分析，绘制了面向2035年的航空装备电子束增材制造技术路线图，以期为航空装备电子束增材制造技术发展提供参考。     

超材料结构增材制造技术及其应用研究进展

超材料结构因具有精确操控电磁波/声波的相位、传播模式等特性而在军事隐形及伪装、通讯、国防安全及医学成像等方面有着重要的科学研究价值和广泛的应用前景,它的研究是近年国际学术界和工程界研究的热点之一。总体来说,国内外超材料结构的研究极大地促使超材料结构器件向轻薄化、宽频带及高性能的实用化方向发展,但制造技术与电磁、声学、物理、材料等学科的交叉亟待加强,需要加速探索超材料结构研究向大规模制造跨越的实现途径,推动其快速向应用化方向发展。本文梳理了增材制造工艺在超材料结构制造中的应用现状,讨论了超材料结构功能器件方面的研究进展,并对今后超材料结构研究的发展趋势进行了探讨和展望。     

航空装备激光增材制造技术发展及路线图

激光增材制造支持结构设计创新、快速研制和验证，是当前航空装备领域最具代表性的增材制造方法，其中激光选区熔化主要应用于复杂精密功能结构的精确近净成形制造，激光直接沉积主要用于大尺寸复杂承载结构的制造。为支撑航空领域增材制造技术发展的战略布局，本文对激光增材制造现状和发展趋势进行梳理，指出增材制造发展重点必然会转向产品的冶金质量、力学性能及其稳定性控制方面，增材制造设备的在线监测、参数自整定控制等智能化功能的研究开发正成为设备的研发热点，基于损伤失效分析、寿命预测研究的增材制件力学行为研究以及基于元件、特征结构的性能考核验证技术，开始引起工程应用部门的关注。在对技术发展趋势分析的基础上，提出2035年航空领域激光增材制造技术发展目标和相应的政策和环境支撑、保障需求，并给出2035年技术发展路线图建议。     

高性能大型金属构件激光增材制造:若干材料基础问题

简要介绍了高性能大型金属构件激光增材制造的技术特点、国内外研究进展及技术发展面临的挑战,分析了大型金属构件激光增材制造的"高性能材料制备"与"复杂结构直接制造"有机融合、"控形/控性"一体化的独特特征。指出高性能大型关键金属构件激光增材制造技术的发展和工程应用,将在很大程度上取决于人们对激光增材制造过程中对激光/金属交互作用行为及能量吸收利用机制、内部冶金缺陷形成机制及力学行为、移动熔池约束快速凝固行为及构件晶粒形态演化规律、非稳态循环固态相变行为及显微组织形成规律、内应力演化规律及构件变形开裂预防方法等材料基础问题的深入研究。     

增材制造技术在航空装备深化应用中的研究

增材制造技术对飞机结构研制起到了重要作用,但其应用潜力尚未完全发挥.通过梳理增材制造技术在航空装备中的应用现状与特点,分析了增材制造技术在航空领域的应用发展趋势,并从结构设计、专用材料、制造工艺、性能验证4个方面对制约增材制造技术全面深化应用的关键因素进行了分析探讨.