增材制造技术凭借其单件小批量的优势，在航空航天领域应用地十分广泛，未来增材制造技术更是将向着材料、设计一体化的方向发展。本文即对航空材料增材制造特征及相关的影响要素进行研究。
一、航空材料增材制造特征
增材制造属于特种制造技术，与传统热加工和冷加工技术不同，增材制造技术结构复杂，能够快速制造小部件。增材制造技术在航空航天领域运用广泛，解决了传统技术无法完成复杂结构制造的难题，有效推动了航空航天事业的快速发展。
在航空航天领域，增材制造涉及到五类方法，包括激光选区技术、电子束选区技术、激光直接沉淀成型技术、电弧熔丝技术、电子束熔丝技术[1]。航空领域的飞机以及发动机追求长寿命、大载荷。在航空材料的运用过程中要提升材质耐高温、耐高强以及轻质的性能。金属材料增材制造运用的基本技术是焊接，高热裂纹、敏感材料不具备较强的可焊性，容易暴露焊接裂纹。因此航空领域在提升材料先进性的过程中，其所追求的目标与增材制造的工艺需求存在着矛盾。增材制造技术正是需要解决这一矛盾，在提升材料耐高温、耐高强、轻质性能的同时提升焊接的稳定性。
二、航空材料增材制造的影响因素
增材制造组织是航空材料增材制造的首要影响因素，在组织过程中，激光选区熔化成型技术以若干层焊道叠加为基础原理，最终形成制成材料[2]。将材料进行切割，从剖面垂直来看，材料由焊道堆积而成，从剖面的水平角度看，各条焊道相互交叉。从横向和纵向的视角看，钛合金激光选区熔化技术所获取的材料组织形态保持了较大的差异。横向视角上的材料具有更显著的方向性，例如激光沉积而成的高强钢组织具有显著的方向性。同一类金属材料、不同号牌的组织，其方向性也存在着差异。其主要原因是合金成分不同，成型方法组织定向生长不同。在不同的打印方法影响下，组织定向生长的倾向也存在着差异。电弧熔丝技术和电子束熔丝技术所制成的材料，组织生长方向性较强。而激光选区熔化所制成的材料，组织生长方向性相对较弱。其主要原因在于熔池尺寸存在着差异，激光选区熔化熔池尺寸远小于电子束熔丝熔池尺寸[3]。组织的差异也会导致材料力学性能受到影响，针对激光选区熔化成型技术，45°方向、水平方向和垂直方向的力学性能并不相同。钛合金激光选区熔化所形成的材料往往在纵向性能的表现方面弱于横向性能。利用组织工艺进行调整，可以提升材料的纵向性能。通过激光直接沉积技术获取钛合金材料，这类材料的组织纵向生长倾向相对较大，纵向性能高于横向性能。激光选区熔化获取的高温合金材料力学性能数据具有较大的分散性，45°方向数据与纵向、横向数据存在较大的差异。
增材制造缺陷是影响航空材料增材制造的重要因素之一，气孔的尺寸直接影响了裂纹的起源。在运用激光选区熔化技术时，存在有明显的气孔缺陷。镍合金钛合金的气孔量相对较少，致密度将近99.98%。铝合金气孔量相对较多，致密度将近为99.5%，气孔呈现出不规则形状。铝合金气孔表面容易被氧化，气孔的尺寸保持在20-60微米的范围。热裂纹是航空材料增材制造的另一类缺陷，镍基合金以及钴基合金所产生的热裂纹尺寸相对较小，产生于熔池结晶的过程。运用激光选区熔化技术所获得的微裂纹往往属于微米级，电子束熔丝技术所产生的热裂纹将达到几十毫米，而钛合金产生的裂纹往往是大尺寸、敞开性的裂纹，其主要原因是材料打印期间累计了较大的残余应力，应力超过材料强度限制，致使开裂问题产生。气孔直接影响了航空材料疲劳性能，埋在内部的缺陷与表面开口的缺陷在疲劳性能的测试过程中表现出了明显的差异。表面开口气孔对疲劳性能有更深的影响，材料内的微小气孔对材料的疲劳性能具有较小的影响。例如通过激光熔化所形成的材料在疲劳试样过程中，70%的裂纹是内部气孔引致的，90%以上的锻造件裂纹由表面气孔引致。由此可见，气孔的尺寸直接影响了材料的裂纹，进一步影响了材料结构的断裂模式。
增材制造表面粗糙度对航空材料增材制造有着显著的影响，直接影响了材料的结构性能。在运用激光选区熔化成型技术时，材料表面状态与精密铸造所获取的材料存在差异。例如精密制造的镍合金，其表面粗糙度保持在2.5-3.2微米，通过激光选区熔化技术所获取的镍合金上表面粗糙度保持在2-3微米，下表面粗糙度超过12微米，侧面粗糙度保持在4-5微米。激光选区熔化技术生成的镍合金具有较大的粗糙度，当这类材料用于应力集中区域，就容易带来开裂问题。在做增材制造材料处理过程中，可以运用机械抛光、化学抛光、电磁抛光等方法加强材料表面处理。
增材制造结构应力直接影响了航空材料增材制造。在结构设计过程中，增材制造具有突出的减重优势。针对增材制造材料，运用轻量化设计方法，设计人员需要分析结构成型的方向。针对结构应力的集中区域，应当尽可能避开成型不理想区域。运用针对性的圆弧过渡措施或是尺寸调整措施，降低应力集中设计。通常而言，设计人员会将结构设计融入至增材制造坐标系中，提升设计的可靠性。
三、结语
航空材料增材制造具有一定的复杂性，容易受到增材制造组织、缺陷、表面粗糙度以及结构应力的影响。为了提升航空材料的可靠性，专业技术人员应当加强增材制造材料质量控制，提升设备系统的稳定性。
参考文献
[1]张小伟.金属增材制造技术在航空发动机领域的应用[J].航空动力学报,2016,31(01):10-16.
[2]刘昌奎,李楠,赵文侠,陶春虎,李兴无,曹春晓.航空材料组织与残余应力评价对中子散射与同步辐射技术的需求[J].失效分析与预防,2019,14(02):133-140.
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