金属增材制造技术国内外应用现状

近年来，国内外高度重视增材制造技术在武器装备的应用和推广。国外以美国为代表针对增材制造技术在国防领域的应用制定了一系列战略规划，2016年美国国防部发布了《增材制造技术路线图》，分析国防对增材制造技术的需求，详细阐述了设计、材料、工艺和价值链等技术领域的发展目标 。2017 年美国海军发布了《海军增材制造实施计划》，确定增材制造技术的长期发展目标。为推动增材制造在舰船上的应 用，2018 年又发布了《海军增材制造计划》，新增了舰船增材制造内容，以增加海上保障能力。美国空军提出增材制造打印战略规划，介绍空军增材制造的关键技术、发展策略和目标，希望未来建立全球制造网络， 以实现按需打印流程，降低成本、有效提高军队灵活性。美国陆军在国防部增材制造技术路线图基础上细化了领域要求，制定了陆军增材制造技术路线图，介绍增材制造技术在陆军维修与保障、新部件/系统的采办及部署和远征等领域的应用需求和目标。2021 年美 国国防部发布了《增材制造战略》，介绍增材制造技术的内涵及其对国防战略的影响意义，详细描述了增材制造重点发展领域和路径规划，提出未来的发展方向 。我国2015年发布了《中国制造2025》战略规划， 将增材制造等先进制造技术作为重点发展方向。2017 年工信部等十二部门印发了《增材制造产业发展行动计划（2017—2020年）》，明确增材制造产业发展目标， 介绍了增材制造发展重点任务和保障措施等。2020 年，我国推出了《增材制造标准领航行动计划（2020 —2022年）》，提出到2022年，基本建立立足国情、对接国际的增材制造标准体系。经过数十年的快速发展， 金属增材制造技术已应用于国内外武器装备的研制、 生产和修复领域，极大缩短了复杂零部件研制和修复周期，降低制造和维修成本，增加结构设计和制造的自由度，提升了武器装备的综合技战能力。目前金属增材制造技术用于武器装备零部件制造和修复涉及的材料种类包括特种钢、钛合金、铝合金、高温合金、镁合金和难熔合金等。

1 特种钢 

2019 年 2 月，美国陆军实验室用激光选区熔化增材制造技术成功打印艾布拉姆斯 M1主战坦克涡轮发 动机高强钢叶轮风扇，并交付使用 。英国BAE用电弧增材制造实现高强钢炮弹壳体的整体 制造和应用 。 

沈阳飞机设计研究所和北京航空航天大学实现了 超高强钢A100飞机起落架的激光增材制造，并领先试用 。2018 年中国兵器科学研究院宁波分院采用电弧增材制造技术实现了武器装备耐热钢头锥的整体制造，顺利通过装机考核。南京理工大学利用电弧增材制造技术实现了超高强钢炮弹弹体的整体制造。 

2 钛合金 

2019 年美国通用动力陆地系统公司与通用增材制造公司合作实现了钛合金电缆护罩的整体制造，成功替代了美国陆军地面战车原来18片钢焊接部件，质量减轻 85%。美国 AeroMet公司采用激光增材制造技术制造了 F-22 战斗机接头、F-18 战斗机翼根加强筋和起落架连接杆，已装机使用。其中，F-22 的接头件达到要求疲劳寿命的 2 倍以上，翼根加强筋达到要求疲劳寿命的 4 倍以上，起落架连杆疲劳寿命超过原件的 30%。此外，AeroMet 公司采用激光增材制造技术对军用直升机破损的钛合金构件进行了修复。英国 BAE 公司和克兰菲尔德大学合作用电弧增材技术制造了台风GR4战斗机钛合金机翼大梁 。 

王华明突破大型钛合金激光增材制造工艺、工程成套装备、构件内部质量及力学性能控制关键技术， 制造出大型钛合金主承力框，成功将原来多个机械连接结构优化为一个整体部件，已在某型号战斗机上得到应用。巩水利等采用电子束熔丝增材制造的钛 合金零件已应用于某型号战斗机。鑫精合团队通过激光沉积增材制造技术制造出高温钛合金产品已在某飞机型号上得到装机应用。

3 铝合金 

2016 年美国海军用增材制造技术制备出新型铝合金连接器底壳，解决导弹连接器断裂的同时大幅缩短设计和制造周期。2020 年美国 Meldmanufacturing 公司用搅拌摩擦增材制造实现了直径为3.05 m的铝合金零件整体制造，目前正在开展第 5 代和未来战机铝合金构件搅拌摩擦增材制造修复技术的研究。 

2017 年起中国兵器科学研究院宁波分院先后用电弧增材制造技术打印了火炮炮架、导弹舱体和支架等复杂铝合金构件，通过装机考核和应用，在实现轻量化同时极大缩短了研制周期。2021 年西安交通大学 卢秉恒院士团队用电弧增材制造技术制造完成了世界上首件10 m级高强铝合金重型运载火箭连接环样件。 

4 高温合金 

2017 年法国 SAFRAN 集团采用激光选区熔化增材制造技术制造了镍基合金涡轮喷嘴，替代原来的铬镍铁合金铸件，成功将原来的 8个组件减少到 4个，减 质量 35%。2017 年美国洛克达公司与美国空军合作采用增材制造技术打印了 AR1 火箭发动机高强耐烧蚀镍基高温合金部件，与此前俄罗斯制备的 RD-180 发动机部件相比，该打印部件无需金属涂层。美国GE 公司采用电子束增材制造技术，成功生产出 TiAl合金叶片，已应用于GE9X发动机，相比传统的镍基高温合金减质量50% 。2019年美国Orbex公司用镍合金作为原材料，采用激光选区熔化增材制造技术打印出小型火箭发动机，结构减质量30%，能承受极端的温度和压力波动。与传统机械加工相比，制造时间缩短90%， 成本节省50%以上 。美国空军和GE公司以钴铬合金为原料，用激光增材制造实现了 F-15 和 F-16 战斗 机F110喷气发动机油底壳的制造。 

5 镁合金 

2012 年美国陆军通过冷喷涂增材制造修复了武装直升机镁合金齿轮箱外壳 。2021 年美国陆军实验室通过优化激光选区熔化增材制造，实现了稀土镁合金微晶格结构制造，对压缩行为和断裂模式进行研究 ，目前正针对稀土镁合金微晶格在超轻无人机系 统和机器人车辆组件的应用开展演示验证。 

6 钨和钼等难熔合金 

2019 年德国马普所突破了纯钨的激光选区熔化增材制造工艺，成功打印了用于磁约束核聚变装置的纯钨蜂窝状结构 。2020 年美国橡树岭国家实验室用电子束增材制造实现 TiC 增强钼基复合材料制备， 能承受极端温度，适合在航空航天高温环境使用 。