高能束流加工技术在航空领域的应用进展

2022-06-08李志强陈玮

航空学报 2022年4期

李志强，陈玮,*

1. 中国航空制造技术研究院，北京 100024 2. 高能束流加工技术重点实验室，北京 100024

激光/电子束可在远离平衡态条件下控制或改变材料的物态和性质，用于材料的连接、生长和改性，从而制造复杂的结构，形成特定的功能，实现零件的控形控性。在航空制造领域，以激光/电子束为代表的高能束流加工广泛应用于焊接、增材制造、表面改性，既可满足武器装备中大型结构的整体化制造需求，还可解决具有复杂型面或微小尺寸零件的制造难题，推动了先进战机、航空发动机性能与效率的大幅提升。

1 高能束流焊接技术应用

高能束流焊接在提高材料利用率，减轻金属结构重量、降低成本方面具有独特的优势，这使得以激光/电子束为热源的先进焊接技术成为航空整体结构连接制造的发展趋势，应用范围也逐渐扩展。

1.1 激光焊接技术

图1 激光焊接原理Fig.1 Laser welding mechanism

激光焊接是以聚焦后具有高能量密度的激光束(10～10W/cm)为热源实现材料熔化与连接的技术。激光焊接过程以具有“匙孔效应”的深熔焊模式形成焊缝，主要应用于1～5 mm厚度材料的焊接(图1)。激光能量密度高、焊接速度快，焊接过程易于实现集成化、自动化及柔性化。因此，激光焊接成为航空飞行器大尺寸薄壁机身结构件连接的优选方案，主要针对材料为铝合金与钛合金。2000年以后，随着高功率光纤激光器的快速发展，光纤激光焊接在高端制造领域逐渐成为主流。为了适应新材料和复杂结构的整体化制造，激光填丝焊、激光摆动焊、激光电弧复合焊、双光束激光焊等新型技术快速发展，相应的激光焊接焊缝跟踪、在线质量检测、焊接接头力学行为和结构完整性等方面也有了显著进步。

高强铝合金、铝锂合金等新材料发展有力的推动了激光焊接的基础和应用研究。空客公司已将激光焊接和双光束激光焊接应用于铝合金及铝锂合金的焊接，包括A380与A350系列飞机的壁板类结构(图2)。采用激光将机身蒙皮(6013 T6铝合金)与筋条(6013 T6511)焊接成为整体壁板，为进一步减少飞机结构重量奠定了基础。此外，激光焊接金属夹层板在导弹舱体、大型飞机壁板制造中也开始大量应用，与传统实心结构件相比，可使重量减轻50%以上，所需空间减少2/3。飞机机身钛合金带筋壁板在由铆接成形改为激光焊接后，减重达到15%，制造成本降低20%。在发动机结构方面，美国普惠公司完成涡轮叶片所需部件的自动激光焊接，如JT9D和FLO的二级涡轮转子叶片以及V2500、PW4000等发动机叶片、机匣、燃烧室等。美国GE公司也已成功实现发动机导向叶片组件的激光焊接，解决了镍基合金零件激光焊接的变形与裂纹等问题。

图2 铝合金与铝锂合金飞机壁板的激光焊接[5]Fig.2 Laser welding of aluminum alloy and aluminum-lithium alloy panels[5]

激光焊接过程中，熔池“匙孔”的稳定存在是影响焊接接头质量的关键因素，它受到激光功率、焦点位置、装配间隙、焊接速度等工艺参数的影响。铝合金反射率高、导热率高、易蒸发，而钛合金流动性差、表面张力大、氧氮亲和力高，其激光焊接过程的复杂性与不稳定性相比于钢材料大幅增加。在工程应用中，激光焊接结构通常具有复杂形貌，焊缝长度可达数米，待焊区域的拼接状态与焊接过程中引起的热变形等工况必然会影响焊接过程的稳定性。

近年来，激光复合焊接技术成为大型复杂钛合金、铝合金及高强钢零/组件制造的方案之一。目前，高推重比发动机机匣已普遍采用了化铣结构，焊接接头厚度进一步增加，而激光-MIG复合焊工艺以其热源集中的特点可以实现大深宽比结构的焊接，体现出其工艺优势。欧美等国已广泛采用机器人激光-复合热源焊实现导弹舱段、火箭燃料储箱等结构的智能焊接，具有起点检出、电弧和激光跟踪、智能离线编程与规划等功能。此外，在线监测技术也迅速发展，EADS、德国Precitec公司、加拿大ServoRobot公司已建立激光焊接前、焊接过程中、焊接后的一体化质量监控系统，其中EADS开发的Falldorf焊接质量检测平台，已成功应用于空客飞机机身整体壁板的焊缝质量检测。

1.2 电子束焊接技术

电子束焊接是利用电子枪中阴极产生的电子在加速电场的作用下，经过电磁透镜聚焦形成高速电子束流(可达到光速的30%～70%)轰击工件，使被焊金属熔合的一种焊接方法(图3(a))。电子束焊接通常在真空中进行，因此焊缝的化学成分纯净，焊缝质量好。此外，电子束的能量转换率可达到90%以上，远高于激光，因而穿透深度大、焊缝深宽比高、零件的焊接变形小(图3(b))。电子束焊接工艺参数包括加速电压、束流强度、焦点位置、焊接速度、工作距离等，对焊接质量的影响至关重要。焊接束流强度、焊接速度主要控制热输入，焦点位置可控制熔深，恰当选择参数是保证焊缝成形良好的前提。

图3 电子束焊接Fig.3 Electron beam welding

电子束焊接在大厚度结构(可达150 mm)焊接方面具有独特优势，是飞机主、次承力结构件与航空发动机整体化制造必不可少的技术之一，主要用于钛合金、镍基高温合金、钢等结构材料。

在机身结构制造方面，F-22飞机钛合金后机身大量采用电子束焊接。先由3～4个片段纵向焊接组成盒状段，再由盒段焊接成框，最后焊接为整体舱段(图4(a))，钛合金焊缝总长度约9 m，焊缝深度2～57.4 mm，重量相比于机械连接减少182 kg。美洲虎(Jaguar)攻击机的拦阻钩、伊尔76等运输机起落架套筒、旋转轴、连杆以及大型客机A340、A500、A600、A380等发动机吊架不锈钢及钛合金结构也采用了电子束焊接技术。例如，波音采用Ti-1023钛合金电子束焊接结构替代4340M钢来制造起落架，实现减重270 kg。在16Co14Ni10Cr2Mo高强钢安装梁以及30CrMnSiNi2A钢滑轨零件的制造中，通过工艺优化成功实现电子束焊接冷却过程控制，解决了变形及熔合线裂纹问题，实现了在中国新一代大型飞机中的应用。

图4 电子束焊接结构[13]Fig.4 EBW structures[13]

在航空发动机结构的制造中，电子束焊接技术也被广泛应用，如Trent系列发动机高压压气机的轮盘、鼓筒及后轴均采用了IMI834钛合金的焊接结构。其中，BR725发动机压气机前6级钛合金整体叶盘通过电子束焊接形成整体转子结构(图4(b))，获得高效稳定的压缩效果，大幅减轻了发动机的重量。德国PTR公司联合SST公司开展了电子束快速扫描系统及设备研发，应用于Trent XWB、GEnx、Trent 1000等新一代航空发动机结构的电子束焊接制造中。英国研制的IMI829合金用于RB211-535E4发动机的高压压气机，其中后3级盘、鼓筒及后轴用电子束焊接为一体，取代了RB211-535C上的镍基合金材料，使转子重量减轻30%。此外，CFM56发动机低压压气机转子、高压压气机转子、燃烧室等部件均采用了电子束焊接技术。电子束也用于涡轮盘、燃烧室机匣等零件的焊接，例如RB199发动机高压涡轮。

在电子束焊接技术的前沿领域，英国TWI、德国Probeam公司、德国汉诺威大学、亚琛工业大学在低真空、局部真空电子束焊接技术方面开展了大量工作。在微束电子束焊接方面，德国SST公司通过改进电磁聚焦实现了高精密尺寸零件的焊接，亚琛工业大学通过微型电子束焊机实现了几十至几百微米级尺寸丝材及箔材零件的对接和搭接。在日本，加速电压600 kV、300 kW功率的超高压电子束焊接设备已研制成功，可实现200 mm不锈钢的焊接，焊缝深宽比70∶1。脉冲电子束焊接技术也展现出良好的应用前景，在同等输出功率下其焊缝深度相比连续电子束增加50%，可获得深宽比更大的焊缝。不仅如此，脉冲束流还提高了熔池冷却速率，达到细化晶粒的效果。此外，非真空电子束焊接、电子束焊/钎焊复合焊接技术、嵌料式电子束焊接技术等工艺逐渐成熟，有效解决了高强度钢、高温钛合金和金属间化合物等难熔低塑性金属材料及其结构的焊接性问题，同时达到改善焊接结构应力分布与尺寸精度，提高焊接接头力学性能的目标。

2 高能束流增材制造技术应用

增材制造作为近净成型技术的一个新方向，是一种基于离散-堆积原理，采用材料逐层累加由三维数模直接制造零件的方法(图5)。增材制造无需模具，在一台设备上可快速制造出复杂形状的零件，大幅减少工序并缩短周期，尤其适合钛合金、高温合金等难加工材料的成形。增材制造技术从20世纪80年代开始起步，直至2002年以后才有较为成熟的金属增材制造设备推向市场。2012年3月，在时任美国总统奥巴马提出美国振兴制造业计划“制造创新国家网络(NNMI)”后，增材制造产业在世界范围内迎来了高速发展的时代。

航空产品具有多品种、小批量的特点，零件结构越复杂，增材制造的成本和效率优势相比传统制造方法就越显著，尤其是在飞机研制与定型阶段，各种增材制造方法已发挥不可替代的作用。电子束熔丝沉积(EBWD)、电子束选区熔化(EBM)、激光选区熔化(SLM)、激光直接沉积(LMD)是目前4种主要的金属增材制造工艺方法(图6)。这几种工艺方法各有特点，适合于不同类型结构的成形(表1)。

图5 增材制造过程[21-22]Fig.5 Additive manufacturing process[21-22]

图6 激光/电子束金属增材制造方法优劣对比[23-26]Fig.6 Quantitative comparison laser/electron beam additive manufacturing methods for metals[23-26]

2.1 激光增材制造技术

激光增材制造技术包括激光直接沉积技术与激光选区熔化技术。1995年，美国约翰霍普金斯大学、宾州州立大学和MTS公司共同开发了利用大功率CO激光器实现大尺寸钛合金零件的制造技术，并合作成立了AeroMet公司，为F-18E/F、F-22等飞机研制了接头、支座、吊耳、壁板、隔框等多类试验件，实现了钛合金每小时1～2 kg的沉积速率。同时，激光直接沉积技术还广泛应用于零件修复领域(图7)。生产激光直接沉积增材制造设备的公司主要有德国Trumpf公司、美国Optomec公司以及POM公司等。

表1 激光/电子束增材制造工艺比较Table 1 Comparison of laser/electron beam additive manufacturing

图7 激光直接沉积修复钛合金叶片Fig.7 Repair of titanium alloy blades by LMD

在激光选区熔化领域，空客通过零件的拓扑优化设计实现了接头、安装座等零件的轻量化制造，减重达到60%(图8)，充分发挥了增材制造的最大优势。此外，采用优化设计的空客A380的Ti-6Al-4V座椅锁扣替代原有不锈钢锁扣后减重达到55%，以25万美元的制造成本可获得减少300万美元的燃油费用的经济效益。此外，GE已采用激光选区熔化技术进行LEAP发动机零件的批量生产，包括燃油喷嘴、传感器外壳等，总量已超过100 000个。

高功率光纤激光器大幅度提高了激光选区熔化成形件的质量，而技术应用的不断拓展也促进了设备的更新迭代。德国EOS公司的大尺寸成形设备M400配备了4台400 W光纤激光器，最高成形速率可达到100 cm/h，最大成形零件尺寸为400 mm×400 mm×400 mm。美国GE公司的xline2000R配备了2台1 kW光纤激光器，2台3D动态聚焦振镜，最高成形速率可达120 cm/h。最大成形零件尺寸为800 mm×400 mm×500 mm。2021年，德国SLM Solution公司推出了配备了12台激光器的大型激光选区熔化设备，其有效工作空间达到600 mm×600 mm×600 mm。应用方面，法国赛峰集团宣布将在法国波尔多开设增材制造园区，实现了激光选区熔化增材喷嘴安装在赛峰集团设计的eAPU60微型涡轮发动机上，以满足推重比高和结构紧凑的需求。

图8 激光选区熔化零件优化及减重效果Fig.8 SLM component re-design and its weight saving

2.2 电子束增材制造技术

电子束增材制造技术包括电子束熔丝成形技术与电子束选区熔化技术，近年来在航空、航天等领域获得了突飞猛进的发展，具有代表性的研究机构为Sciaky公司、GE-Arcam公司(原瑞典Arcam公司)。同时，弗吉尼亚大学、宾夕法尼亚大学、NASA兰利研究中心、CTC公司、MTC公司、波音公司、洛克希德·马丁公司、普惠公司、美国海军研究所、橡树岭国家实验室等许多机构也广泛参与了基础理论及工程应用研究工作。针对材料包括铝合金、钛合金、镍基合金、钢等，研究内容涉及组织调控及性能可靠性评价、束流品质在线测量、应力与变形规律、熔凝过程控制及数值模拟、无损检测方法、结构优化设计等诸多方面，形成了较为完整的技术体系。

在美国国防部支持下，Sciaky公司与洛克希德·马丁公司合作，为F-35战机制造了外翼盒(图9(a))，其尺寸为5.79 m×1.22 m。针对Ti-6Al-4V材料，Boeing与Sciaky联合进行了电子束熔丝增材制造零件性能评估，证明了力学性能可满足要求，目前正加速规范与标准的制定，开发更多应用领域。CTC公司将电子束熔丝技术作为未来大型结构低成本高效制造的方案，制定了“无人战机金属制造技术提升计划”，目标是将无人机中钛合金结构的重量和制造成本降低35%。此外，乌克兰的红波公司开展了丝束同轴增材制造装备与工艺研究，该工艺相比侧向送丝方式更灵活，电子枪的寿命更长，并且能够制备出具有等轴β晶粒的Ti-6Al-4V合金。

图9 电子束增材制造的应用Fig.9 Application of electron beam additive manufacturing

在电子束选区熔化领域，橡树岭国家实验室与洛克希德马丁公司合作研制了F-35的空气泄漏检测支架(图9(b))，各项性能满足ASTM标准要求，并且将零件的制造成本降低了50%。GE-Avio还成形了具有蜂窝结构的钛合金除油器滤芯，并且已经通过飞行测试。近几年来，GE-Arcam采用电子束选区熔化开始GEnx系列发动机TiAl低压涡轮叶片的研制与生产，其制造成本与铸造方法持平，成为TiAl低压涡轮叶片的主要工艺之一。我国商用发动机也将电子束选区熔化TiAl低压涡轮叶片作为方案之一(图9(c))，采用其替代原有的高温合金叶片可实现50%的减重。此外，作为新一代飞机机体主承力结构的高强β钛合金也可采用此方法制备。

3 高能束流表面改性技术应用

航空零件对抗疲劳、耐磨损、抗氧化、防冰减阻、隐身等需求日益迫切，其目的是为了延长飞行器使用寿命，提升其全周期服役性能。激光冲击强化、超快激光加工、电子束造型等技术的应用越来越广泛，为先进战机作战性能的提升提供了重要的支撑作用。

3.1 激光冲击强化

图10 激光冲击强化原理Fig.10 Laser peening mechanism

激光冲击强化利用短脉冲激光束作用在材料表面，在等离子体的高压冲击下引入残余压应力的同时使材料表层产生加工硬化，位错密度增加而形成多种细微结构，可提高材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀性能(图10)。相比于喷丸强化，其残余压应力的深度更深，因此强化效果更优。激光冲击强化技术的发展始于20世纪60年代。随后，Fairand在1972年发现激光冲击可提高7075铝合金的抗疲劳性能和应力腐蚀性能。Peyre和Fabbro系统研究了激光冲击产生冲击波的机理和模型、激光冲击后材料性能，提出了冲击波峰值和压力的估算公式。张永康等对激光冲击强化进行了一系列理论分析，研究了涂层约束层的影响等。

在工程应用方面，Jeff Dulaney在1997年建成第一套用于商业应用的激光冲击强化设备。随后，激光冲击强化技术相继应用于F101、F110、F414和F119等发动机叶片上，疲劳寿命提高了10～20倍(图11)，每月节省发动机保养与零件更换费用达到几百万美元。到2009年，75%的F119发动机高压压气机整体叶盘都进行过激光冲击强化。

图11 激光冲击强化应用于发动机叶盘及其疲劳寿命提升效果Fig.11 Laser peening of engine blisk and its effect on fatigue life

近年来，激光冲击强化技术逐渐推广应用至F-22、F-35等飞机大型铝合金和钛合金框梁结构，用以提升框梁交点关键区的疲劳性能，实现结构延寿。2019年，激光冲击强化技术的应用从F-35B拓展到F-35C，而且均采用基于装配现场的方式来实现强化。激光冲击强化还应用于747-8飞机壁板的成形，以及航天结构搅拌摩擦焊焊接接头应力的消除。此外，日本将该技术用于处理焊接接头以提高其抗腐蚀性能。

3.2 超快激光加工

“超快激光”是指输出激光的脉冲宽度在10s以下，即小于皮秒级的脉冲激光。超快激光产生的超短脉冲与材料相互作用时间极短，不会给周围材料带来热影响，因此超快激光加工也被称为冷加工。

超快激光加工最具潜力的发展方向之一是航空发动机涡轮叶片气膜孔制备，尤其是在带热障涂层叶片上加工异型孔(图12)。加拿大Laser Depth Dynamics公司采用在线相干成像技术开发了小孔加工在线实时监测装置，分辨率达到10 μm，主要特点在于可以实时检测激光加工结果并反馈控制加工参数，从而实现自适应加工。超快激光精密加工的另一个重要应用对象是树脂基复合材料(CFRP)，目前主要集中在切割、制孔等去除加工研究。与纳秒、毫秒脉冲激光加工CFRP相比，皮秒激光加工质量最高，加工深6 mm、直径6 mm的孔几乎无热影响区。德国亚琛大学利用430 W的皮秒(1.5～7.5 ps)脉冲激光，采用高速扫描方式加工切割加工2 mm厚度的CFRP试样，实际切割速度达到0.3 m/min，展示了很好的工业应用前景。

图12 超快激光加工叶片气膜孔[65-69]Fig.12 Ultra-fast laser drilling[65-69]

超快激光也可用于制备表面微纳结构，采用多束相干激光空间叠加获得强度周期性调制的电磁场，可在材料表面直接制备出亚微米至纳米尺寸的周期性结构。这种周期性微纳结构可以显著改变材料表面的性能，在机翼表面防冰减阻、机械零件表面降阻减磨等领域具有广泛应用前景(图13)。

图13 超快激光表面加工Fig.13 Ultra-fast laser surface processing

超快激光制备表面微纳结构的另一个重要应用是减小飞行阻力。例如，德国汉诺威激光研究中心模拟海豚皮肤表面微结构，采用超快激光在钛合金叶片表面加工深宽与间距25 μm左右的密集流向微槽用来抑制表面湍流，使得气动阻力降低了8%。英国赫瑞瓦特大学的研究表明，利用超快激光可将石英、硼硅酸盐玻璃、蓝宝石等各种光学材料与铝、钛、不锈钢等金属材料焊接起来。该技术在航空航天等国防领域具有应用前景，例如导弹蓝宝石头罩与金属弹体的连接。

此外，实现电磁功能的耦合也是超快激光表面结构功能一体化的前沿领域。日本TDK在铁氧体吸波贴片上加工微纳结构，大幅提高了吸波性能，已应用于电磁兼容领域。利用该技术也可在飞行器蒙皮及天线罩上进行周期性微纳结构的制造，不但可提高其雷达隐身效果，而且可实现电磁波的选频(图14)。

图14 飞机表面微纳结构实现隐身及电磁波选频Fig.14 Micro- and nano-structure for stealth and frequency selection on aircraft skin

3.3 电子束造型

电子束造型是利用偏转线圈控制电子束流的高速扫描运动，实现金属表面局部区域金属的“挖掘”和“转移”。通过控制电子束的束流参数(包括电子束的加速电压、电流和聚焦)，加上特殊的扫描波形，可实现各种表面造型，包括高宽比大的尖峰突起、无毛刺的孔穴、刀刃、蜂窝、旋涡和网纹等(图15), 尺寸从10 μm～20 mm, 加工效率可达2.5 s/cm。电子束表面造型技术在制备密集排列的微造型方面具有速度快、精度高、阵列自由控制等优点。

图15 电子束实现不同表面造型[72-73]Fig.15 Different surface morphology made by electron beam[72-73]

电子束造型可用于金属与复合材料的连接(图16)。TWI在金属表面上制备造型，预处理后将复合材料置于金属上，最后通过加温加压共同固化，即可得到这种金属和复合材料连接的接头。根据TWI的研究，这种接头比传统的同尺寸接头能承受更高的载荷，断裂前吸收的能量也远高于后者，而且可以通过优化表面造型的结构及分布形式提高这种接头的韧性。