中国航空制造技术研究院李怀学：激光制造技术在航空领域的应用及发展”

2019年6月28日，激光制造与再制造技术及应用研讨会 在北京兴基铂尔曼酒店召开。现场专业人士众多，南极熊3D打印网是本次研讨会的合作媒体。


下面是现场速记，或许有些不完美之处，但总体上干货信息量很大，值得阅读。

主持人：各位专家，下午报告正式开始。我来自陆军装甲兵学院，做个介绍。今天下午的第一个报告是“激光制造技术在航空领域的应用及发展”，请中国航空制造技术研究院李怀学教授作报告，大家欢迎。
    李怀学：尊敬的各位老师，各位专家，下午好。今天非常荣幸把我们制造院激光这一块的工作跟大家做一个汇报。我们最近几年一直在做增材这一块，但是讲的是激光制造，所以我梳理了一下我们十年激光制造的情况。
    内容主要分成几个方面。首先简单介绍一下我们制造院，就是航空625所，它2016年变成制造院。我们做工艺和装备，一个是面向市场需求，第二是情况需求，第三方面是需求牵引。另外，技术引领。因为这个技术进行溯源，有一些新技术，开发新技术这一块。最后在面临做研究包括工程验证，最后形成工艺和装备之后，转移到主机厂，是这样的一个定位，面向服务于航空企业。其实这些年除了航空航天，也包括其他的企业。高能束这几年发展非常快，我有幸参与编写一部分的东西。激光是一个热源形式，它的应用带来各种各样的方法，包括切割焊接、表面工程、增材制造、微纳制造这一块，各种各样的工艺技术方法。
    在焊接这一块，航空航天主要是面向大型的承力框梁，它的厚度最大厚度是200毫米厚。另外是薄板焊接。
    国内这一块是很大的，因为它速度相对激光来说都是快几十倍、上百倍，扫描速度非常快，因为磁场的能量比较集中，特别是大厚度，它整体盘一盘之间的连接，包括吊挂。这是我们万米潜水器，我们有4500米，这是1万米以下，操作人员的操作时间，我们通过电束来看，装备也是我们自己开发，操作这一块的东西。
    另外表面工程，也是以高能束为主，像等离子，包括它喷的各种耐腐蚀、耐磨损，包括流程，一个是提高它的寿命。早期可能发动机没有热量涂层，有了热量涂层，可能温度能提高到两三百度，包括你有热电涂层，特别是这几年的发展，以前解决了油的问题，不需要过多强调表面寿命这一块。但是随着高质量发展来说，你有了薄的表面之后，它的寿命能提高好几倍做，包括它的耐腐蚀。现在飞机飞到海洋的环境，可能有一些也腐蚀了，需要表面工程做。
    另外作为增材制造这一块，这几年我们跟王总做，通过各种各样的复杂体这一块，包括我们做这一块的合规，包括多管流道，2014年我们跟装备的推广项目，我们向航天九院做推广的技术。他们也是快速响应，我们也知道。另外是修复，包括这种设计理念的变化这一块。像这个理念，应该说是中间多孔的动，这个理念是2013年，我跟设计师花了两三个月的时间，真正有了3D打印技术才有了这个产品，才设计出来，做的这一块，这是设计理念变化。还有减重多功能，降低成本解决它。
    激光这一块，大家都做激光加工，我简单介绍一下，这是它的独特的特性，它带来了各种各样的加工方法，特别是随着激光会带来更多的新的加工的效应。在这一块，我们从各种理论，包括有一些新的效应也说了。这个图是当时画表的时候几个国内顶尖的激光专家，它是多维度的，超快激光从时间的维度上做。还有是尺寸，还有是从能量密度，另外从波长，还有从维度上，是0维，1维、2维还是3维，因为激光适合在不同的维度上激光溯源，考虑能量，这样决定了研究的对象是用大型的传统飞机这一块，还是将来是面向微纳的成型，包括芯片、模型这一块，可能会带来各种各样的变化，你从功率高中低、脉冲，还有这种尺度之间，包括你激光以储藏的方式，就会带来一些技术来做。
    1960年第一台激光器诞生，并用于宝石打孔，中间经过不停的发展，逐步演化成加工各种方法，包括功率密度，包括不同的功能介质方面走。现在有了这些东西，有了工艺，就要形成相应的激光制造装备，去实现我们所要的产品，熔覆也好，包括焊接、各种熔覆修复。以前都是单体设备，后来随着发展变成装备的生产线或者产品线去发展这一块，包括激光选区熔化，这些模块集合整个产品生产线，包括后处理检测，这是整个产品线来发展这一块。
    上午也讲到了激光强化，这一块可能教科书以前介绍得非常少，其实它就是靠瞬间的一个纳秒级脉冲的激光，实现这种材料表面的东西，瞬间到达等离子化。在等离子化表面实现一个约束层，靠它表面提高抗疲劳数据这一块，最后代谢机械处理，而且可达性也非常好。另外是双光束的焊接方法，它后面也有一些。
    下面，从最早激光这一块看，70年代开始做，也是制造院最早用激光来制航空发动机的孔，就是叶片。以前没有涂层，现在有了涂层，会带来很多的效应。后来我们又开始采用纳秒，包括双纳秒走，后来用超快激光，加上各种各样的功能。原来传统上带来好多毛次，孔的质量特别差。我们也做过模拟，十年前开始做，讨论为什么会形成这种层？就是涉及到熔体的流动。如果一边是吹这种气体，它熔化把它吹出来，如果吹得不好，形成再熔化的过程，这样会形成疲劳，甚至出现了整个叶片发生断裂。
    随着超快激光加工，不仅可以实现各种涂层跟机体复合材料整体制造，它的质量缺陷非常少，这是从激光涂层来说。
    超快激光溯源又开发了仿生超疏水表面防冰原理。还有发动机这一块，它带来了防冰的问题，一个是实现传感器失效，另外是它可能会进入到一些机体，打乱它的电子器件，这是一个严重的问题。目前基本靠加热丝，把这个冰熔化，如果熔化加上超疏水、超清洗这一块，可能会提升更多的性能。
    现在基本像超快激光，它不仅是透明材料，包括陶瓷基和树脂基复合材料超快激光制孔乙己表面处理，实现各种各样的复合材料的加工。现在复合材料加工技术特别切割，另外制孔的需求量非常大。
    切割技术不详细介绍了，大家也比较多，航空方面我们也是做一些件进行切割，主要是做一些三维的切割，去实现这一块。
    下面说一下激光焊接，大概从90年代开始做，它真正实现是2000年以后。原来都是铆接，可靠性和重量、疲劳上面都会给飞机寿命增加隐患。采用激光焊接替代传统连接方式，一个是可减少重量10%，第一实现轻量化，第二实现整体化方面走。
    激光焊接通过激光溯源，不断地实现它的技术，我们基本都有，半导体这几个东西都是用它来做。激光焊接相对的埋伏范围，因为它的激光焊接变形要小得多。特别是对一些大型的曲面薄壁结构，原来是一些对点，后来实现这种曲面，就是实现双膜，还有激光。未来，金属跟高分子材料或者塑料这一块如何连接，包括现在实现一个远程的激光焊接，这是我们正在做的工作。
    下面介绍一下航空航天增材制造这一块。增材制造，上午我也讲了特别多，这一块我简单说一下我们做的工作，包括我们怎么装机应用，包括存在的问题，包括现在的一些做的工作，跟大家汇报一下。
    90年代，这是美国能源部，支持激光增材制造，原来像AeroMet公司90年代就倒闭了。他原来是在锻造金板上长出的金条。现在这边北航王院士提出100%沉积，这样保证材料聚集性、热处理后期一致性。现在大部分来说，其实也不可能否定锻造的优势，就是怎么把增材跟锻造去高效结合。现在遇到最大的一个问题是什么，特别像几大主机厂，其实应该是一堆涂层，都在几十万、上百万，但是它上面如果出现报废，可能就会被疏解。现在具体怎么修它？也提出来一些东西，包括你在复印过程中出现一些缺漏，可能报废就没有问题。但是如果说你服役过程中也出现缺损，怎么修？所以现在大家有这个问题，维修大家也提出了非常迫切的东西，包括几大主机厂，从修复这一块来看。包括今天上午讲的，你后勤保障其实也是维修和保障这一块，你怎么去用这种技术，不仅仅是一个快速制造的问题，它早期做的像美国波音和格鲁曼公司，它原来就是一个毛坯，最后积压。其实增材本身目前来看就是一个增减材，增材是制定一个相位、准确、精度，是速度比较快的毛坯的手段，不可能代替积加（音）的东西。包括现在做粉末，肯定要通过机加（音）来保证，肯定达不到这个要求，所以增减是相互补充的。
    我们做了新材料的开发，包括功能梯度的材料，十一五、十二五做了这一块材料。另外修复这一块也做了工作，特别钛合金，这是工程热物理所，2010年，他们要统计试测，结果当天晚上被一个公务员误操作。这样全国没人修，非得让我们给他修，我就带了两个学生给他修，后来事实也通过了。当时也没有数据，怎么才能保证不掉块，修完以后，要通过这个技术解决它。所以激光沉积也是我们2015年就搭建的，通过这个平台上做的。
    针对激光选区熔化的技术，这一块以前都是不致密，可能都是百分之六七十的精密度，德国的公司做过。因为这个类型，像6S在2012年整个没火之前，从2007、2008一直到2012年，我们每年都会见两次面，怎么推动这个技术发展。以前我们跟别人沟通的时候，第一句话就说，你这个是不是不致密，第一句话是这句话，老是带着怀疑的态度，你怎么保证你每一层结合是好的，其实现在也是这个问题，一直在怀疑。通过这些年的不断形成的需求牵引应用，推动它去发展。
    像进气道，原来好多领域在推，你如果按照给你的这些零件，你再去3D打印，就失去了你3D打印的优势和意义。所以你针对这个进气道，必须进行一个安装的功能，进行重新的优化设计，实现整体化，然后再进行3D打印。说白了，现在百分之六七十、八十的打印件都是微3D打印件，并不是真正适合3D打印件做的这一块。所以还需要从设计来看。为什么王总能推动3D打印发展，因为他会设计。咱搞工业技术，咱不掌握3D模型的话语权，设计这一块也没有用。现在来说一个是设计需求牵引，按照他的功能加上3D打印的约束去设计结构件，才能推动它发展。后面是技术问题，后处理这一块也是问题。第三成本太高了，以前大部分靠试错解决问题。
    在这一块，我们也是从2011年开始自主开发，2008年一直去做测试，2010年跟他们合作，开发大了。国内两三台烧牙齿的设备，现在是多少，二三百台了。当时我们正好形成了需求，后来我们开发了第一款叫360×360，450×450的大型设备，之后开发材料、成型件，最后到装机应用，实际到2012年实现装机应用这一块。现在我们开发了810×450×700装激光头大型设备做，但是现在我们遇到的最大的困难是什么，这个成本确实太靠前了。一出问题，一报废，可能几万、几十万，就报废了。所以这一块的模拟仿真应该是非常关键的，后面还有报告。这一块工业对3D打印是非常关键的一个环节。
    这一块是针对我们开发的历程，如果一个一个开发，最早从它的缺陷问题，一开始解决行动问题，就是致密问题。第二是你的缺陷能不能控制。另外你缺陷的性能，对你的性能有哪些影响，这种缺陷的形成机制是什么，我怎么去控制缺陷，从而保证我这个过程的稳定性，这是他们现在的情况。这个特征量都提取不出来，怎么控制它。
    在这一块，我们通过做这些结构件，包括流道也好、拓扑结构也好。在这个过程当中，我们遇到最大的问题就是检测问题，这个问题现在怎么做，保证它怎么去用，还有怎么处理。另外上午王总也讲了，考虑它的载荷特性，技术材料也是结果，它的性能核心完全不一样，这一块怎么去通过大量的试验评估它可行性。现在做出来的没问题，怎么去验证它，去用它，所以需要想办法解决这一块。我们今年也邀请了做CT五，介绍一下怎么跟它的3D打印结合，去推动这一块，希望它能加速3D打印产业化生态圈，这是整个的。
    2012年关桥院士提出广义增材制造，现在来看好多的手段变成3D打印手段，包括电沉积、喷涂，都有一些3D打印方法去解决。以前可能是高能束解决，现在是通过焊接的原理，来实现增材制造。
    整个增材制造的过程是我个人的理解，首先我们2017年和创新中心捋出来，整个的流程是什么，第一是你进行推动需求牵引，不管是什么其他的材料，任何一个以后都是这样，你要打印有3D模型，是不是适合3D模型，需要多维度模拟。你要放到装备里面去，除了向国外买这个设备，用他的粉、他的设备，包括工艺包，保证你的材料性能肯定能达到要求。但是不保证什么，不保证你做出这个，这是你买的设备，你买它的材料、装备，就是这种材料和工业装备先进的这一块，也像2012年我们买了粉，用它的设备打出产品性能，所以需要材料和装备有一个适应性，这一块需要突破。要解决这些问题，包括切片支撑设计。
    其实这一块完成，就完成后端整个百分之四五十，还没到产品，包括后端的处理，包括热处理。通过后续的处理，降低它的强度。包括粉末的管理、怎么检测，最后到这一块的产品。我们当时做的过程当中，以前就理解把零件打通了就完了，到装机的时候，花了好长的时间，才把材料性能技术条件，包括产品的检测条件，全把它定出来，最后才去走。现在大家好多都在提，我们没有标准怎么办，现在很多的主机厂，都想着你有现成的标准拿来就可以用。因为它是个新东西，不可能什么都有才用，那就太晚了，加上设计制造应用，应该联合制定相关的标准，这个标准既能满足现有的要求考核，这样就有利于加速咱们的3D打印产品快速应用。如果一直等标准，我没有标准，这一块是这样。但是现在可以几家联合做标准，这样我们李总介绍一下整个的标准，来做这个。
    这个体系我们就不说了。现在有一些复杂的结构，微纳要制作，从尺度上要解决一些新的问题，就不详细做了。但是对于金属增材，有两个问题，一个是缺陷性的问题。第二，你买了设备，材料性能过了，但是不一定能保证你做的零件就是经历了变形，你是否可以控制，好多我们打着打着零件取出来都是管管了，好多变形的问题如何解决？以前都是靠试错，一件不行做五件，靠经验解决了，但是这个成本实在太高了，所以怎么去通过模拟的手段解决。
    最近我们也做了一些问题，不同的支撑，虽然不是特别精确通过模拟，但是我可以认识到，它可能什么地方存在巨大的问题，怎么样变形，这样可以节省时间，对工艺制造来说挑战非常大。因为在缺陷这一块，我们也跟博士生做了，其实这方面还是非常不错的。它针对你不同的工艺参数，你融资等离子体的行为，这个等离子体行为是跟你的缺陷特征可以对应起来。这是不同的扫描速度，当扫描速度比较慢的时候，等离子过程基本上是直上直下的，它在过程上面就会出现喘息的现象，这个地方可能就是死孔破灭的过程，我们解剖过这一块。
    但是正常的环境下，它应该是从一个角度，你去做出来，这样的过程扫出来的内部缺陷非常少，包括它怎么去对应这个飞溅，从启示点这一块做功能。另外一个是模拟仿真，除了变形这一块，这是2017年德国慕尼黑举办的这个活动，这是第一届，去年我们也做了一个小论坛会，针对这个具体的模拟仿真与控制这一块做的。这里面一个是产品的问题，包括创新应用，包括材料模型怎么建的问题，特别是多物理场、多尺度的问题，这一块是非常明显的问题。特别现在像商业化软件，都是通用的情况，零件稍微一大，可能网格的划分算都算不了，这一块有很大的问题。怎么面向它的特点，开发一些新的处理器，去解决增材的应用。还有就是组织的演变是什么样的过程。这是通过仿真设计，后面会详细介绍。
    另外是面向新结构的激光增材复合制造。这几年我们沿着这样做，大型整体结构、拓扑构型结构，梯度复合结构，多功能一体化结构。包括多零件集成、点阵拓扑、多管随形内嵌，下一步是微纳集成。
    另外是表面这一块，因为航空不像航天，它要求疲劳寿命，对航空来说非常关键。特别是激光冲击强化技术，这个技术非常小众，早期是美国的GE公司用发动机叶片去进行处理，因为叶片边缘非常薄，这样怎么提高业务扩展走这一块，这是它的整个形成过程，高温等离子体靠冲击波形成，尤其是绿色，就是一个有点噪声，冲击过程这一块就走了。我们现在基本上用到飞机上去提高寿命。原始可能存在一些边界效应，后来包括目前飞机上的结构件，包括小孔对疲劳寿命的要求去做，有它之后，可能寿命提高2到5倍。
    另外，现在也是飞行器，特别是现在这一块的问题，激光表面清洗。以前去处理这个东西，带来最大的问题就是激光表面清洗。现在美国已经用到这个激光清洗处理这一块的问题，我们现在也在做，包括跟焊接其他代替，减轻环保的压力。
    简单回顾一下。第一，激光增材制造是非常跨尺度的过程，特别是模拟监测，但是最缺的是工业软件这一块。另外一块是要针对结构的特点，从设计、制造、验证一体化的平台，建设3D数字化生态圈。特别是下面有好多老师包括老总，都是做新泻激光器束源，带来新的效应和机理，正好可以带来新的财力，包括应用材料，包括复合材料，可能带来新的效益，将来加上装备公司，将来很快加速产业化发展。再一块就是高效绿色、自动化模型。汇报完毕，谢谢。


激光制造与再制造技术及应用研讨会 介绍

会议以激光技术、增材制造及再制造相关光电技术为主题，针对航空航天交通领域高质量复杂产品的全产业链以及全寿命维护等迫切需求，开展面向增材制造及再制造的设计、材料、工艺及装备、检测以及标准规范等相关光电技术应用研讨，提升增材制造及再制造技术的数 字化、智能化、高稳定能力，驱动中国制造高质量发展。

新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，为我国实施创新驱动发展战略提供了难得的重大机遇。制造业是创新驱动的主战场，推动制造业先进性发展，是扭转制造业低质低效、重塑产业竞争力，实现新旧动能转换的关键所在。大力发展先进制造业，是加快制造强国建设步伐，加速推动经济发展由数量和规模扩张向质量和效益提升转变的重要途径，以实际行动贯彻落实党的十九大精神的具体体现。

主办单位：
中国光学工程学会
北京亦庄国际投资发展有限公司
承办单位：
国际激光技术产业及应用协同联盟
再制造技术国家级重点实验室
高能束流加工技术国家级重点实验室
增材制造航空科技重点实验室
高能束流增量制造工艺及装备北京市重点实验室
会议网址https://b2b.csoe.org.cn/meeting/show-48.html