广义增材制造：新的科技发展大趋势

报告，引起了广泛关注，也使“广义增材制造”成为业内专家热议的话题。近日，本刊特约记者围绕广义增材制造这一主题走访了关桥院士。

记者：2012年12月增材制造国际论坛中，您首次在学术会议上提出“广义增材制造”的概念。请您谈谈广义增材与狭义增材制造的内涵。

关桥：“增材”的概念与“减材”相对。如果用人类构建居所作比喻，砌砖盖房就是“增材制造”，而掘凿窑洞就是“减材制造”。在现代机械工程与材料加工成形中，我们已经习以为常的用电焊条手工堆焊成形就是最原始的金属增材制造方法，而金属铣切加工则是减材制造的典型例子。

我把图1上的内圆示意为狭义增材制造，主要是以高能束流（电子束、激光束）作为特种能源的增材制造技术；而广义增材制造除利用电子束、激光束外，还有更广泛的能源，如：其他电能、化学能、电化学能、光能、机械能等，如图1外圈椭圆所示。广义增材制造包含了狭义增材制造，适用的材料范围也很广泛，包括金属、非金属、生物组织等；相关新方法和前沿技术的发展呈现突飞猛进、日新月异的态势。

在过去20年间，增材制造技术得以迅猛发展的技术基础是高能束流（电子束、激光束）作为特种热源的技术进步和把增材制造应用于金属材料直接成形构件的突破。

记者：如何理解增材制造与金属材料直接成形构件的关系？

关桥：如果要给“增材制造”一个定义，我认为，增材制造就是采用高能束流（电子束、激光束）或其他能源，借助CAD/CAM技术将材料（丝、粉、块体）熔敷沉积或组合焊接，逐步累积形成实体构件的制造方法。具体而言，高能束流极具柔性，具有热输入能量可精确控制，可聚焦、长焦距、可扫描、易偏转的特性；因此，高能束流的柔性与CAD/CAM技术相结合，在真空室内或惰性气体保护的环境中，向聚焦加热区填送金属丝材或铺送金属粉料，使材料逐层熔化、凝固堆积，这就构成无模具的快速近净成形，亦可称为“金属直接成形增材制造技术”。

广义增材制造可以从三个技术层面进行分类，见图2所示：第一个层面是以材料类别划分为：金属构件、非金属制品、生物模型的直接成形制造；第二个层面是以增材制造方法划分为：熔敷沉积、气相沉积、块体组焊、液相沉积、光固化等；第三个层面是以可采用的能源划分为：电能（高能束等）、机械能、化学能、光能等。

记者：我国正处在由制造大国向创造强国跨越的战略机遇期。请您谈谈伴随增材制造技术异军突起，将会对我国，特别是航空工业产生什么样的重要意义。

关桥：相比较传统的金属铣削/切除减材制造的劣势：需用模具制坯，留有较大加工余量，去除余量铣切工作量大，材料有效利用率低，制造周期长，成本高等；增材制造具有诸多难以匹敌的优势：用于金属材料，可以直接生产出近净成形的零件，是一种柔性制造技术；与锻铸相比，无需模具 ；减少铣切加工，节省原材料；降低成本，缩短制造周期 ，是快速反应的敏捷制造；同时，通过调控丝材、粉材的成份和成形热过程工艺参数及后处理，可以获得性能优良，组织致密的实体构件。

增材制造融合了计算机辅助设计/制造技术（CAD/CAM）和高能束流材料加工与成形（ Power Beam Processes ）等技术，为创新驱动制造，彰显出新的科技发展大趋势。增材制造雨后春笋般的创新发展，正在强劲地驱动着新兴产业技术群的快速崛起，也会引领设计/制造/材料三位一体发展模式的转型，从传统的大批量生产模式向定制式制造模式转变，带动提升自主创新能力，整合制造、设计、材料等资源，促进产业结构调整升级。

航空工业对增材制造技术，特别是采用电子束、激光束、摩擦热等能源增材制造技术的发展有很强的市场牵引力；尤其是把增材制造应用于新型飞行器结构设计改进，制造的快速反应方面，具有重要战略意义。

记者：据悉，近年来，中航工业制造所拥有的高能束流加工技术科技重点实验室在增材制造技术开发与应用研究方面开展了卓有成效的工作，请您谈谈现已取得了哪些研究成果。

关桥：广义增材制造技术的开发在制造所可以追溯到上世纪50年代末期，采用电化学液相沉积方法制造成功不同规格的黄铜波纹管，并批量生产。60年代激光束开始用于航空材料和零件的加工，而电子束主要用于飞机和喷气发动机重要结构的焊接制造。这为90年代初建立高能束流加工技术重点实验室奠定了基础。

在随后的建设中，重点实验室开展了激光、电子束、等离子体和离子束多学科交叉融合的开发与应用研究。制造所凭借其在高能束流加工技术领域的优势，为重点实验室开展增材制造科学研究和技术开发创造了良好的技术资源与人才环境；几乎与国外同步开始电子束增材制造技术的研究。在短短的几年内，满足了研制新型飞机重要钛合金承力结构件的快速反应制造。

中航工业制造所在高能束流增材制造方面重点开展了三个方向的研究。一是基于送丝的电子束增材制造，原理示意于图3a，即在真空环境中，电子束按CAD模型沿CAM设定的路径，熔化金属丝材，层层堆积，直接制造出毛坯或近净成形的构件。现已能制造出如图3b所示的重要承力钛合金构件。此外，为满足飞机钛合金重要承力结构的设计技术要求，中航工业制造所还专门研制了丝材合金体系，可设计、调控合金体系及材料性能， 其综合力学性能与钛合金锻件相当；优化了电子束参数和工艺过程，调控逐层熔敷的残余应力与变形；研究制定了对近净成形构件的后处理规范。

二是铺粉电子束选区熔敷增材制造。这是一种精密增材制造，粉材的粒度和铺层的厚度以及电子束聚焦扫描精准性决定着构件成形的精度，成形后的构件即为最终成品。现已制造出钛合金复杂空间结构（见图4）。

三是激光选区熔敷增材制造（原理见图5）。在惰性气体舱内，激光按CAD模型沿CAM设定的路径轨迹扫描选区熔敷已经铺好的一层金属粉材后，成形缸下降一个步长，即层厚，同时右侧料缸上升一个步长，刮板将金属粉材推向成形区，均匀铺层，预热后激光再次扫描选区熔敷，逐层堆积，周而复始，完成构件的选区熔敷增材制造。激光束的品质、粉材的颗粒度、层厚的尺度、过程工艺参数控制等因素决定着激光选区熔敷增材制造的精准程度。复杂空间构件成形后经表面抛光即为成品，这是其他成形加工方法所不及。激光选区熔敷增材制造技术将在新型飞机结构中得到应用。

在重点实验室的激光增材制造研究开发中，把技术与装备研发相结合，基于机械手的激光直接成形装备，集同轴送粉直接成形、铺粉选区熔敷成形、送丝熔化成形于一体，具备温控、除氧、除尘等功能。

记者：除以电子束和激光束为热源的狭义增材制造技术群的研发外，请问制造所在广义增材制造方面正在开展哪些研究及工程化工作？

关桥：制造所正在研究与工程化应用开发相关的广义增材制造技术有：采用激光焊或搅拌摩擦焊将挤压型材筋条组合焊接在蒙皮上，这就是用块体组焊方法制造铝合金、钛合金飞机带筋整体壁板，替代传统预拉伸厚板铣切加工的减材制造。相比之下，带筋整体壁板的块体组焊增材制造可以使原材料的利用率从10%提高到95%，从而大幅度地降低了铣切加工工时，缩短制造周期，降低成本，满足新型飞机研制的快速反应制造。这类铝合金带筋整体壁板搅拌摩擦焊的块体组焊固相增材制造工程化批量生产，在我国造船、航天、高速列车等其他产业部门的推广应用方面已获得显著的技术经济效益。

另外我想再举两个例子。一是采用线性摩擦焊制造航空发动机整体叶盘，这是基于块体组焊固相增材制造技术的典型实例； 线性摩擦焊增材制造整体叶盘，接头为固相连接的金相组织结构（见图6），“固相增材制造”由此而得名，以区别于“熔敷”或“熔化”增材制造。高性能航空发动机为提高推重比，必须减轻自身的重量，最有效的途径之一就是把压气机叶片与盘的榫头连接改为焊接整体叶盘（Blisk）， 可减重50%。相对于由整体锻坯数控加工的减材制造而言，采用线性摩擦焊制造整体叶盘是增材制造（见图7），大幅降低了铣切加工，节材、节时，降低成本，还可实现空心叶片的整体叶盘制造。此外，装备是工艺技术的载体，为了新技术的工程化应用，根据连接的面积和材料特性，制造所还自主研制了线性摩擦焊设备。

第二个例子是电子束物理气相沉积增材制造技术。电子束物理气相沉积是在真空中，利用高能电子束大束斑对靶材进行轰击并使之熔化、沸腾、蒸发，蒸汽原子或粒子流在基体或零件表面凝结、形成新沉积层的物理过程；可以有若干个电子枪和相对应的靶材同时进行气相沉积，不仅提高效率，还用以制造不同功能的沉积层或梯度材料。制造所已经采用电子束物理气相沉积增材制造技术研制了超级冷却涡轮叶片试验件：在骨架上制备气冷通道，借助填充材料，形成叶型；在真空室内将靶材蒸汽沉积其上，逐渐堆积达到叶片成品的要求。此外，在航空发动机叶片缺损的修复工程中，电子束物理气相沉积增材制造也正在展现出潜在的市场前景。

后记：

党的十八大提出“推动战略性新兴产业、先进制造业的健康发展”，这既是增强我国经济社会可持续发展能力、优化产业结构的战略举措，也是构建产业竞争优势、培育新的经济增长点、掌握未来发展主动权的必然选择。面向未来发展和全球竞争，国家需要广义增材制造这样的关键核心技术。更重要的是，从关桥院士的叙述中可以看到，广义增材制造不是一花一木，而是一片森林，其背后是一个新兴产业技术群的崛起，就像一台发动机，驱动着工艺方法、材料体系、装备制造、后处理等技术体系的发展壮大。相信在关桥院士等一代又一代科技人员的努力下，广义增材制造技术将为开启我国成为“创造强国”的一扇大门作出贡献，为“中国梦”的早日实现迈开坚实的步伐。