目前，中國航空航天、艦船、軌道交通等新興戰(zhàn)略領(lǐng)域發(fā)展迅速，對金屬構(gòu)件的性能、精度、制造效率的需求不斷提升。采用高性能大型輕量化整體構(gòu)件替代傳統(tǒng)的鉚接、焊接結(jié)構(gòu)拼合件，不僅可減輕裝備重量，還能提高性能參數(shù)與服役壽命。金屬增材制造技術(shù)以零件的三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通常使用激光、電子束、電弧等熱源，將金屬絲材、粉材熔融再結(jié)晶，運動機構(gòu)按照既定路徑將熔融金屬逐漸累加直至成形最終金屬零件。因脫離了模具、鍛壓及加工設(shè)備尺寸的限制，金屬增材制造正逐漸成為新一代大型高強輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)件的重要制造手段。??

典型的能夠制造米級金屬構(gòu)件的3D打印技術(shù)包括電子束熔絲增材制造（EBFF）、激光熔化沉積（LDED）、電弧熔絲增材（WAAM），其他金屬增材方法，如片材層壓增材、冷噴涂增材、攪拌摩擦增材等，現(xiàn)階段不適用于高性能大型件制造。東南大學(xué)研究人員在稀有金屬期刊發(fā)表了題為《大型金屬構(gòu)件多機協(xié)同增材制造前沿進展》的文章，3D打印技術(shù)參考獲得了該文的發(fā)布授權(quán)，對以上技術(shù)分別論述。

1. 大型金屬件電子束熔絲增材制造

因電子束具有能量密度高、加熱集中、精確可控等特性，EBFF沉積效率高、成形件致密度高、不易產(chǎn)生未熔合缺陷且變形小，可以實現(xiàn)不同材料、不同材料梯度零件的直接近凈成形。EBFF需在真空艙內(nèi)進行，增材過程充分隔絕空氣，可保證零件質(zhì)量。然而，真空艙的應(yīng)用極大提升了制造成本，使得該方法僅適用于航空、航天等關(guān)鍵領(lǐng)域的小批量零件制造。美國航空航天局蘭利研究中心是較早開展針對大型金屬構(gòu)件EBFF技術(shù)研究的單位，成功研制了六自由度的EBFF設(shè)備，配備2.7m×2.5m×2m的真空艙，可實現(xiàn)大型航空結(jié)構(gòu)件的修復(fù)與制造。美國Sciaky公司生產(chǎn)的EBFF系統(tǒng)最大可加工零件尺寸可達5.79m×1.22m×1.22m，回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)最大直徑為2.44m，可加工鈦、鉭、鎳基合金等材料。圖1為該公司打印的航空推進劑鈦合金存儲罐。中國航空制造技術(shù)研究院是國內(nèi)針對EBFF研究的單位之一，開發(fā)了國內(nèi)首臺電子束熔絲成形設(shè)備，并陸續(xù)開展了TC4，TC18鈦合金及A100超高強鋼零件的增材制造，獲得裝機應(yīng)用。

圖1 Sciaky公司制造的大型航空推進劑鈦合金存儲罐

2. 大型金屬件激光熔化沉積增材制造

LDED增材常用熱源包括CO2激光器、Nd：YAG激光器、光纖激光器。CO2激光器平均輸出功率高（最高20kW），金屬增材沉積效率可達200cm3·h-1，成形精度較低。Nd：YAG激光器輸出功率1~4kW，成形精度較好，但光束質(zhì)量較差，成形效率低。相較于前兩者，光纖激光器的光束質(zhì)量高、光斑尺寸小、光束集中，成形零件質(zhì)量好，精度高，且光纖柔性傳輸便于系統(tǒng)集成。綜上，光纖激光器是非常有前景的LDED增材能量源，部分商用光纖激光器功率高達10kW，滿足大型金屬件材料沉積效率需求。

圖 2鉑力特3D打印的C919鈦合金機翼中央翼緣條

采用LDED方法制造大型金屬構(gòu)件的相關(guān)研究較為廣泛。20世紀90年代末，美國AeroMet公司針對航空鈦合金構(gòu)件的激光增材技術(shù)開展系統(tǒng)研究，指出了大型金屬構(gòu)件增材過程中“熱應(yīng)力”控制是關(guān)鍵科學(xué)問題之一。英國伯明翰大學(xué)Dil?worth等采用激光增材制造方式成形飛機機翼支架，并發(fā)現(xiàn)層間不充分重熔導(dǎo)致孔隙，使得零件塑性出現(xiàn)明顯各向異性，還需采用熱等靜壓技術(shù)消除孔隙，提高延展性。自2000年起，國內(nèi)科研單位陸續(xù)開展大型構(gòu)件激光增材制造技術(shù)的相關(guān)研究工作。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室的黃衛(wèi)東和林鑫采用激光熔敷方式成形C919鈦合金機翼中央翼緣條，長度高達5m，性能優(yōu)于鍛造件。北京航空航天大學(xué)王華明院士等成功研制出多路沉積“橋式”大型激光增材制造裝備新系統(tǒng)。在高性能金屬大型關(guān)鍵承力構(gòu)件激光增材制造“材料-結(jié)構(gòu)-制造”一體化方面形成系列成果，圓滿保障了大型運輸機、艦載機、大型運載火箭等國家重大裝備研制生產(chǎn)任務(wù)。

3. 大型金屬件電弧熔絲增材制造

WAAM技術(shù)通常采用氣體保護金屬電弧（GMA）、鎢極氣體保護電?。℅TA）或等離子體電弧（PA）作為熱源，將送給金屬絲材熔融沉積并逐層成形零件實體。該方法具有沉積效率高、材料利用率高、設(shè)備柔性高、制造成本低等優(yōu)點。同時，WAAM可在無封閉倉的環(huán)境下自由成形，制造過程不受零件尺寸、設(shè)備尺寸限制。因此，非常適用于大型金屬構(gòu)件的增材制造。

英國Cranfield大學(xué)與歐洲航天局合作采用GMA增材制造技術(shù)，成形鈦合金飛機機翼翼梁和起落架外肋支撐等大型框架構(gòu)件，材料利用率高達90%以上，產(chǎn)品缺陷少，力學(xué)性能優(yōu)于鑄件，如圖3所示。然而，因成形零件內(nèi)部存在大量粗大柱狀晶，導(dǎo)致零件整體力學(xué)性能各向異性。Almei?da和Williams等采用冷金屬過渡（CMT）電弧增材方法，成功解決了鈦合金增材過程的弧偏吹、大飛濺等問題，并通過提高保護氣中氦的含量實現(xiàn)晶粒細化，最終成形了1000mm×400mm×2mm的TC4鈦合金垂直薄壁墻結(jié)構(gòu)。

圖 3 英尼格瑪電弧增材系統(tǒng)

2019年，Ramlab公司采用WAAM技術(shù)制造了直徑為1350mm，重約400kg的全尺寸鎳鋁青銅船舶螺旋槳，如圖4所示。Cilia等采用WAAM技術(shù)制造拖船用螺旋槳，并獲得了船級社認證。國內(nèi)相關(guān)單位也開展了廣泛研究。華中科技大學(xué)的He等采用WAAM技術(shù)，成形出尺寸為760mm×37mm×36mm的GH4169航天舵零件，材料利用率高達75%，其抗拉強度、屈服強度、延伸率等力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造件。然而，WAAM成形過程中隨著層數(shù)的增加，成形件熱積累嚴重，邊緣形貌與成形尺寸的控制困難，使得成形件表面質(zhì)量較低。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)相關(guān)研究團隊針對表面成形質(zhì)量開展研究工作，并應(yīng)用于大尺寸金屬零件制造過程中。

圖 4?Ramlab公司采用電弧增材打印全尺寸螺旋槳

圖5 10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環(huán)實現(xiàn)一體化制造

圖6 Relativity Space采用WAAM生產(chǎn)火箭箭體

2021年，中國國家增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學(xué)盧秉恒院士等利用電弧熔絲增減材一體化制造技術(shù)，制造完成了世界上首件10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環(huán)樣件，在整體制造的工藝穩(wěn)定性、精度控制及變形與應(yīng)力調(diào)控等方面均實現(xiàn)重大技術(shù)突破，如圖5所示。

4. 大型金屬件增材問題與挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段，大型金屬構(gòu)件增材相關(guān)研究較少，工程應(yīng)用中存在問題與挑戰(zhàn)總結(jié)如下：

1). 大型金屬件應(yīng)力與變形情況復(fù)雜。大型金屬件熔化沉積增材過程中，成形金屬長期處于劇烈、非穩(wěn)態(tài)、周期性、急冷急熱的熱循環(huán)中，帶來的復(fù)雜熱應(yīng)力。同時，在已成形部分的強約束下熔池快速凝固使構(gòu)件內(nèi)存在復(fù)雜凝縮應(yīng)力，非平衡固態(tài)相變則會帶來非平衡的組織應(yīng)力，外部機械約束會導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生難以預(yù)測的機械應(yīng)力。上述應(yīng)力相互交織集中，易導(dǎo)致大型金屬構(gòu)件更容易變形、開裂，加劇應(yīng)力場預(yù)測難度。

2). 大型金屬件組織性能難控多變。為提高大型金屬件增材時效性，通常采用高功率熱源增材，隨之帶來熱影響區(qū)域的擴大。一方面，熔融金屬受多物理場、能量場相互耦合的短時非穩(wěn)態(tài)冶金，導(dǎo)致熔敷金屬顯微組織以粗大柱狀晶為主。另一方面，已成形金屬在周期往復(fù)復(fù)雜熱循環(huán)的作用下，形成各向異性微結(jié)構(gòu)。尤其是當制造鈦合金等對加工溫度非常敏感的材料時，組織性能差，控制困難。

3). 大型金屬件增材工藝穩(wěn)定性差。受金屬增材熱過程殘余應(yīng)力和變形影響，成形件與預(yù)設(shè)模型易產(chǎn)生尺寸偏差。在大型金屬件增材過程中，偏差不斷累積，更為顯著，使得已成形熔敷層表面變?yōu)榉瞧矫?。因成形偏差，熔敷層部分位置工藝參?shù)與預(yù)設(shè)不一致，如熔敷頭位置、噴嘴高度發(fā)生變化，影響材料沉積過程和保護氣效果。導(dǎo)致成形件易產(chǎn)生氣孔、夾渣、隔層、裂紋等缺陷，無法連續(xù)穩(wěn)定增材，嚴重影響構(gòu)件使用性能。

4). 大型金屬件增材效率低。現(xiàn)階段，為保證工藝穩(wěn)定性，大型金屬件增材通常采用單熱源設(shè)備實現(xiàn)，因工藝窗口限制，材料沉積效率與小尺寸零件相似，加工周期長，部分零件的制造周期甚至可達數(shù)月。使得場地、設(shè)備和人工成本較高，無法滿足快速響應(yīng)制造的生產(chǎn)需求。

注：本文內(nèi)容發(fā)表于稀有金屬，已獲得該期刊授權(quán)。