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航空航天產(chǎn)業(yè)近期捷報(bào)頻傳，根據(jù)媒體公開(kāi)報(bào)道，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919集齊三大航訂單，額度超過(guò)300架，對(duì)進(jìn)口飛機(jī)的替代再次提速。與此同時(shí)，嫦娥六號(hào)探測(cè)器月背采樣順利進(jìn)行，5月3日嫦娥六號(hào)探測(cè)器由長(zhǎng)征五號(hào)遙八運(yùn)載火箭在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射之后準(zhǔn)確進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，6月4日攜帶月球樣品的嫦娥六號(hào)上升器自月球背面起飛，隨后成功進(jìn)入預(yù)定環(huán)月軌道，嫦娥六號(hào)完成世界首次月球背面采樣。

（嫦娥六號(hào)探測(cè)器 圖片來(lái)源：新華網(wǎng)）

C919商業(yè)航空及嫦娥六號(hào)探測(cè)器的航天工程的發(fā)展無(wú)疑是技術(shù)和材料共同突破的結(jié)果。從材料科學(xué)的角度而言，航空材料不斷從常規(guī)材料向先進(jìn)材料發(fā)展，極大提升了航空航天器件的性能，這些材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕等特性，能夠滿足航空航天器在極端環(huán)境下的使用需求。隨著跨學(xué)科的交叉融合和數(shù)字化技術(shù)對(duì)新材料的賦能，會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)航空航天的發(fā)展。

在下文中，我們將從材料學(xué)角度、圍繞增材工藝，對(duì)弗爾德產(chǎn)品在航空增材上的應(yīng)用做一個(gè)梳理，希望對(duì)廣大用戶朋友能有所裨益。

航空航天增材及其應(yīng)用

眾所周知，航空航天領(lǐng)域高新技術(shù)密集，高端裝備的服役性能很大程度上取決于金屬構(gòu)件的性能。采用鑄、鍛、焊、機(jī)加工等傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)航空航天領(lǐng)域用金屬構(gòu)件，往往需要重型裝備和大型工模具，技術(shù)難度大，材料加工余量大、利用率低，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高，已難以滿足需求。增材制造基于對(duì)實(shí)際問(wèn)題的解決需求應(yīng)運(yùn)而生，其中金屬增材制造是以激光、電子束或電弧作熱源，根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)將材料、逐層堆積，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的直接制造。

常用的航空航天領(lǐng)域金屬增材制造工藝（表1）

當(dāng)然，航空航天領(lǐng)域用增材制造金屬材料種類繁多，根據(jù)其化學(xué)成分，重要可以分為鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金、鋁基合金、銅基合金等。

常用的航空航天領(lǐng)域增材制造金屬材料（表2）

資料來(lái)源：期刊文章《航空航天領(lǐng)域用增材制造金屬材料的研究進(jìn)展》

從增材粉末到零部件——弗爾德儀器應(yīng)用于航空航天增材制造各環(huán)節(jié)

就表1中例舉的航空航天用金屬增材直接合成工藝而言，都需要經(jīng)過(guò)粉末制備、粉末輸送、光源照射粉末局部融化以及后處理流程。為此，弗爾德儀器事業(yè)部旗下的各品牌為航空航天用金屬增材制造提供了從粉末合金化制備到粒度粒形分析、元素分析、熱處理、微觀結(jié)構(gòu)分析和硬度測(cè)試的一體化解決方案，貫穿于增材制造的各環(huán)節(jié)。

弗爾德儀器在增材領(lǐng)域的應(yīng)用一覽

機(jī)械化學(xué)法實(shí)驗(yàn)室制備合金粉末

以最常見(jiàn)的增材制造用金屬粉末為例，其主要制備方法通常有氣霧化法、電解法、化學(xué)還原法、機(jī)械合金化、等離子旋轉(zhuǎn)電極法，每種方法都基于不同的原理并適用于不同場(chǎng)景。其中，機(jī)械合金化是一種通過(guò)高能球磨來(lái)制備合金粉末的方法。在封閉的容器中，將金屬粉末與球磨球一同高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)機(jī)械力的作用使粉末顆粒發(fā)生塑性變形、冷焊和斷裂，從而得到細(xì)小且均勻的合金粉末。因而這是一種利用機(jī)械能促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的技術(shù)，它通過(guò)高能球磨引發(fā)固相反應(yīng)從而合成新合金，非常適合用于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)制備新的增材用合金粉末。特別地，在中/高熵增材合金制備中，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的球磨過(guò)程將不同元素有效地達(dá)到微觀層面的均質(zhì)混合，從而避免分離或偏析。

球磨儀用于機(jī)械合金化制備舉例—CoCrNi中熵合金粉末

不同球磨時(shí)間 CoCrNi 的 SEM 形貌

 Emax 高能球磨儀

更精細(xì) 更控溫 更高效

高能球磨儀Emax，運(yùn)行過(guò)程利用摩擦力和碰撞力結(jié)合，在短時(shí)間能迅速研磨樣品，rpm可達(dá)2000。相比常用的行星式球磨儀，實(shí)驗(yàn)顯示Emax的時(shí)間明顯更少，不僅如此，最后的結(jié)果也顯示轉(zhuǎn)化率更高，無(wú)定形態(tài)更少、發(fā)熱結(jié)塊現(xiàn)象也更少。

如您想了解更多Emax高能球磨儀，可參考往期已發(fā)表文章《淺談一種適用于實(shí)驗(yàn)室機(jī)械合金制備的設(shè)備——高能球磨儀》。

動(dòng)態(tài)圖像法測(cè)量粉末粒形粒徑

增材粉末制備好以后，需要對(duì)粉末的粒形粒徑進(jìn)行分析。不同的增材制造工藝對(duì)金屬粉末的粒度有不同要求：15-53μm（SLM 工藝） ；53~105μm/53- 150μm（EBM、LDM 工藝），當(dāng)然對(duì)金屬粉末的球形度要求高是所有工藝的共同特點(diǎn)。

在這里我們介紹一種有別于篩分法和激光粒度分析法的圖像分析技術(shù)，為顆粒粒徑分析提供一種直接測(cè)定方法?；驹砗芎?jiǎn)單：所見(jiàn)即所得。自動(dòng)軟件算法基于單個(gè)顆粒圖片確定顆粒的粒徑粒形信息，從而直接獲得顆粒長(zhǎng)度及寬度信息。

值得注意的是，增材德國(guó)工程師協(xié)會(huì)VDI在《Additive manufacturing processes, rapid manufacturing Beam melting of metallic parts Characterisation of powder feedstock》（VDI 3405 Part 2.3）將動(dòng)態(tài)圖像法作為增材制造金屬粉末粒徑粒形分析的首選方法。美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM在《Additive manufacturing — Feedstock materials — Methods to characterize metal powders》（ASTM 52907:2019）， 也將動(dòng)態(tài)圖像分析法列為金屬粉末粒度分析的方法之一。

CamsizerX2對(duì)增材粉末檢測(cè)舉例—TC4粉末

  粒徑分布（左）與顆粒圖像（右）

Camsizer X2圖像分析儀器

所見(jiàn)即所得 信息更豐富

增材粉末顆粒球形度要求高且粒度分布均勻、較窄，以形成光滑、均勻的粉末層，確保準(zhǔn)確燒結(jié)，譬如平均顆粒粒徑通常在10-50 μm之間，過(guò)大顆粒或非常不規(guī)則的顆?？赡軙?huì)導(dǎo)致成品缺陷。Camsizer X2不但可以精確地檢測(cè)到這些樣品顆粒，甚至可以輕易識(shí)別缺陷顆粒，對(duì)增材制造的粉末質(zhì)量控制大有裨益。

可控氣氛爐熱處理去除應(yīng)力

在直接成型工藝中，激光產(chǎn)生的高熱量會(huì)在打印過(guò)程中產(chǎn)生高熱應(yīng)力。GPCMA可控氣氛箱式爐配備了金屬工藝內(nèi)腔，可提供可控氣氛的熱處理環(huán)境。非常適合用于消除工件的應(yīng)力，尤其是用DMLS/SLM/EBM成型工藝的工件。該系列的爐子也可以選擇符合AMS2750G Nadcap1級(jí)航空航天標(biāo)準(zhǔn)。

Carbolite Gero

GPCMA可控氣氛爐

符合AMS275G標(biāo)準(zhǔn)

爐子采用落地式設(shè)計(jì)，平行導(dǎo)向爐門。根據(jù)工藝內(nèi)腔材質(zhì)，最高溫度范圍從1000℃到1150℃。工藝內(nèi)腔的容積從37升到245升不等。根據(jù)應(yīng)用要求，氧氣含量最低可以降到30ppm。

關(guān)于《航空熱處理爐的日常使用和數(shù)據(jù)處理》，我們?cè)鲞^(guò)同名專題講座，若您有興趣歡迎回顧。此外，我們?cè)鴱臒崽幚砉に嚿蠈?duì)增材成品失效的原因進(jìn)行解析，參考如下《3D打印成品率低的原因？》。

粉末原料及成品的元素分析

航空增材制造中使用的金屬粉末的純度和成分對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量有著直接影響。非金屬元素，如氧、氮或碳等，可能會(huì)以雜質(zhì)的形式存在于金屬粉末中，影響產(chǎn)品的機(jī)械性能和耐腐蝕性。通過(guò)分析這些非金屬元素的含量，可以更好地控制產(chǎn)品質(zhì)量。特別地，在往期的文章中，我們?cè)鴱暮娇誂MS標(biāo)準(zhǔn)的角度談過(guò)航空材料非金屬元素的必要性，感興趣的讀者可以查看文章《航空航天材料中的非金屬元素檢測(cè)與分析》。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，AMS標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了材料的理化性能、機(jī)械性能、微觀結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程，用途最為廣泛的鋁合金、鈦合金以及鎳基高溫合金都有相應(yīng)的材料標(biāo)準(zhǔn)。在日常的材料性能檢測(cè)中，除了主合金元素，微量的非金屬元素也是重要的檢測(cè)部分，以確保這些元素在允許的范圍。以鈦合金為例，AMS 4911規(guī)范針對(duì)Ti-6AL-4V鈦合金的化學(xué)成為有明確的要求，規(guī)定了氧含量通常不超過(guò)0.20%，碳通常不超過(guò)0.08%；氫通常不超過(guò)0.015%，氮通常不超過(guò)0.05%。對(duì)上述元素的分析檢測(cè)是Eltra元素分析儀的典型應(yīng)用，我們?cè)谠谠擃I(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，立足于幫助客戶對(duì)相關(guān)材料進(jìn)行質(zhì)量管理或達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

Eltra元素分析儀ONH檢測(cè)示例—鈦合金

ONH元素分析儀器

自動(dòng)進(jìn)樣和自動(dòng)清掃讓元素檢測(cè)更簡(jiǎn)單

Eltra ONH分析儀是一臺(tái)惰性氣體熔融燃燒分析儀，使用紅外檢測(cè)器檢測(cè)樣品中氧元素，熱導(dǎo)檢測(cè)器則檢測(cè)樣品中的氮元素和氧元素。可配置帶有32個(gè)坩堝位置的自動(dòng)進(jìn)樣器，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)小時(shí)的無(wú)人值守，提升檢測(cè)效率。

粉末原料及成品的金相與硬度

成型件的性能一直是航空增材制造工藝關(guān)注的重點(diǎn)。眾所周知，材料的微觀組織結(jié)構(gòu)將直接影響材料的性能。增材制造逐層打印的工藝特點(diǎn)決定了成型金屬件中存在粗大柱狀晶、熱應(yīng)力及孔隙、裂紋和夾雜等結(jié)構(gòu)缺陷的可能性。在金屬增制造材料的研發(fā)和從原材料粉末到成型件的質(zhì)量控制中，除了常見(jiàn)的機(jī)械性能測(cè)試，也時(shí)常需要通過(guò)金相檢測(cè)來(lái)分析微觀組織。

Q1 如何獲得真實(shí)的孔隙度？

A 增材樣品中孔隙度的評(píng)定至關(guān)重要，樣品制備操作不當(dāng)，可產(chǎn)生金相組織的假象。例如，制備某些材料時(shí)，軟相金屬或雜質(zhì)可能轉(zhuǎn)移到孔隙中，致使檢驗(yàn)結(jié)果顯示孔隙很少。此時(shí)需要適當(dāng)延長(zhǎng)拋光時(shí)間，“打開(kāi)”孔隙。

Q2 如何制備增材粉末原料？

A 對(duì)金屬增材粉末原料進(jìn)行金相分析主要是檢測(cè)粉末的空心粉率。粉末樣品制備前必須進(jìn)行鑲嵌，視應(yīng)用不同可選擇熱鑲嵌或冷鑲嵌方法。熱鑲嵌適用于硬度高的粉末材料。鑲嵌時(shí)可借鑒輔助鑲嵌裝置，將粉末集中圈定到特定區(qū)域。推薦使用環(huán)氧保邊型樹(shù)脂，以提升對(duì)粉末顆粒的包裹性。冷鑲嵌適用于密度較大的粉末材料。將粉末原料與粘性低、流動(dòng)性好的環(huán)氧樹(shù)脂充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆蚝笤谑覝叵鹿袒纯伞＝饘俜勰┠ス鈺r(shí)可選擇砂紙，拋光時(shí)應(yīng)避免使用長(zhǎng)絨拋光布以防止粉末顆粒脫落。

鋁合金制樣方案舉例-AlSi10Mg合金件

樣品制備中的QATM設(shè)備推薦：

Qpress50 熱鑲嵌機(jī)

模塊化設(shè)計(jì)，多單元搭載

可快速、同步或單獨(dú)鑲嵌不同材料試樣的模塊式鑲嵌機(jī)。模塊化設(shè)計(jì)可配備多達(dá)3個(gè)附加鑲嵌單元，總計(jì)4個(gè)。

Qpol 250BOT全自動(dòng)磨拋機(jī)

全自動(dòng)磨拋系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)金相樣品制備自動(dòng)化

將研磨和拋光工位、超聲波清洗工位、介質(zhì)更換器、加液系統(tǒng)和沉淀槽結(jié)合到一臺(tái)設(shè)備中，并與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無(wú)縫合成。

Qness60A+ EVO顯微硬度計(jì)

顯微硬度計(jì)：一機(jī)實(shí)現(xiàn)硬度測(cè)試+顯微分析

顯微硬度計(jì)試驗(yàn)力范圍從0.25g-62.5kg, 帶八位轉(zhuǎn)塔，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無(wú)人測(cè)試與循環(huán)分析。

目前，金屬增材制造技術(shù)已發(fā)展成提高航空航天設(shè)計(jì)與制造能力的核心技術(shù)，其應(yīng)用范圍已從零部件（飛機(jī)、衛(wèi)星、高超飛行器、載人飛船的零部件打印）擴(kuò)展至整機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)人機(jī)、微/納衛(wèi)星整機(jī)打印）。采用金屬增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金屬構(gòu)件的材料?結(jié)構(gòu)一體化凈成形，為航空航天高性能構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造提供了新的途徑。未來(lái)，航空航天高端裝備將繼續(xù)朝著整體性、高復(fù)雜、高性能、長(zhǎng)壽命、高可靠性及低成本的方向發(fā)展。在征服宇宙的征途上，讓我們一起見(jiàn)證航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展。