1. 引言
随着航空工业的飞速发展，对钛合金构件的需求日益增长，其高性能、轻量化等特性成为现代航空装备设计的核心要素[5]。钛合金因其低密度、优异的耐腐蚀性能和强塑比，在航空航天领域得到了广泛应用，尤其是在大型整体结构件中，其用量已成为衡量国防装备先进性的重要标志之一[8]。然而，传统制造工艺在加工复杂钛合金构件时面临诸多挑战，如加工周期长、材料利用率低等问题[5]。在此背景下，激光增减材复合制造工艺应运而生，并迅速成为航空制造领域的研究热点。该工艺结合了激光增材制造的设计自由度和激光减材制造的精度优势，能够有效满足航空钛合金构件对高精度、高性能的需求[1]。通过逐层堆积材料实现复杂构件的快速成形，同时利用激光减材技术对构件进行精修，激光增减材复合制造工艺为航空钛合金构件的制造提供了全新的解决方案。
本研究旨在探索激光增减材复合制造工艺中航空钛合金构件的变形控制方法，并提升其综合性能，以推动航空制造技术的进步[3]。在激光增减材复合制造过程中，由于热输入和材料相变等因素的影响，构件易发生变形，从而影响其尺寸精度和使用性能[8]。因此，掌握变形控制的关键技术对于提高构件质量至关重要。此外，通过对构件力学性能及微观组织结构的深入研究，可以进一步优化工艺参数，实现高性能钛合金构件的稳定制造[3]。这不仅有助于解决当前航空制造中的技术瓶颈，还为未来航空装备的轻量化设计和性能提升奠定了理论基础，具有重要的学术价值和工程应用前景[8]。
2. 激光增减材复合制造工艺原理
2.1 激光增材制造原理
激光增材制造是一种基于离散-堆积原理的先进制造技术，其核心在于通过逐层堆积材料的方式实现构件的快速成形。该工艺首先将三维CAD模型进行分层切片处理，生成一系列二维轮廓数据，随后利用高能量密度的激光束作为热源，逐层熔化金属粉末或丝材，按照预设路径进行扫描堆积，最终形成完整的实体零件[2]。这一过程具有显著的设计自由度，能够制造出传统工艺难以实现的复杂几何结构，同时由于材料利用率较高且无需传统模具，大幅缩短了产品研发周期[5]。此外，激光增材制造过程中快速冷却的特性有助于细化晶粒组织，从而提升构件的力学性能。然而，该技术也存在热应力累积和裂纹敏感性等问题，尤其在钛合金材料的应用中更为突出[2]。
2.2 激光减材制造原理
激光减材制造则是一种通过精准去除多余材料来实现构件成形的方法，其工作原理是利用高能量密度的激光束对目标区域进行局部加热，使材料迅速熔化或气化，从而达到去除材料的目的[3]。在激光增减材复合制造中，激光减材制造主要承担对增材制造构件的精度修正和形状调整任务。由于增材制造过程中可能存在层间结合不良或尺寸偏差等问题，激光减材制造可通过精确控制激光参数（如功率、扫描速度和焦点位置）来对构件表面进行微加工，以提高其尺寸精度和表面质量[3]。此外，激光减材制造还能够灵活应对复杂轮廓的加工需求，为复合制造工艺提供了重要的补充手段。这种结合方式不仅充分发挥了增材制造在复杂结构成形方面的优势，还通过减材制造弥补了其精度不足的短板，为航空钛合金构件的高性能制造提供了新的解决方案。
3. 航空钛合金构件激光增减材复合制造变形原因分析
3.1 热应力影响
在激光加工过程中，高能量密度的激光束作用于钛合金材料表面，导致局部区域迅速升温并熔化，随后快速冷却凝固。这种极端的热循环会引起显著的热应力，其产生机制主要源于材料内部温度分布的不均匀性以及热膨胀系数的差异[7]。由于钛合金具有较高的热导率，热量在材料内部迅速传导，但冷却速度过快会导致不同部位之间的温度梯度增大，从而引发不均匀收缩。这种不均匀收缩进一步导致构件内部产生拉应力和压应力，当应力超过材料的屈服强度时，便会发生塑性变形，表现为构件的整体形状变化或局部翘曲[11]。此外，多次激光扫描过程中累积的热应力也会加剧构件的变形程度，尤其是在厚壁构件或复杂几何结构件的制造中更为明显。
3.2 材料相变因素
航空钛合金在激光加工过程中经历了复杂的材料相变行为，这对构件的体积和形状稳定性具有重要影响。钛合金通常包含α相和β相，在激光加热和冷却过程中，这两种相之间会发生相互转变。例如，在高温下，β相的稳定性增强，而随着快速冷却，部分β相可能转变为亚稳态的α'相或马氏体相[2]。这种相变行为会导致材料的体积变化，因为不同相的晶格常数和密度存在差异，从而引发构件的局部膨胀或收缩。特别是在激光增材制造过程中，由于逐层堆积的特性，每一层的相变都会对下一层的形状产生影响，累积效应可能导致显著的构件变形[6]。此外，相变过程中伴随的微观组织演变也会影响材料的力学性能，进一步加剧变形的不确定性。因此，深入研究钛合金在激光加工中的相变行为对于控制构件变形至关重要。
4. 航空钛合金构件激光增减材复合制造变形控制方法
4.1 优化工艺参数
激光增减材复合制造过程中，工艺参数的优化是控制航空钛合金构件变形的关键手段之一。激光功率、扫描速度和层厚等参数的合理调整能够显著影响热输入和冷却速度，从而减少构件的变形程度[4]。较高的激光功率会导致热输入增加，加剧热应力的累积，而过低的功率则可能引起材料熔化不充分，导致层间结合不良。因此，在实际操作中，需根据材料的特性和构件的设计要求，精确控制激光功率以确保热输入的稳定性。扫描速度同样对热输入具有重要影响，较快的扫描速度会缩短激光与材料的相互作用时间，降低热影响区的范围，但过快的扫描速度可能导致熔池不稳定，进而影响构件的成形质量[7]。此外，层厚的选择也直接影响构件的冷却速度和内部应力分布，适当减小层厚有助于提高冷却速率的均匀性，从而减少因不均匀收缩引起的变形。通过系统优化上述工艺参数，可以有效降低热应力对构件变形的影响，同时提升构件的尺寸精度和力学性能。
4.2 预热与后热处理
预热与后热处理是降低航空钛合金构件内应力、稳定组织并控制变形的有效方法。预热通过在加工前对构件进行适当加热，能够减小激光加工过程中的温度梯度，从而降低热应力的产生[12]。研究表明，预热温度的选择需综合考虑材料的相变温度和热膨胀系数，过高的预热温度可能导致材料软化，影响构件的机械性能，而过低的预热温度则无法充分发挥降低热应力的作用。后热处理则通过在加工后对构件进行退火或双重退火处理，进一步释放残余应力并优化微观组织。例如，针对TA15钛合金的研究表明，双重退火处理能够形成端部带根须状形貌的初生α相+超细β转变组织的特种双态组织，从而显著提升构件的塑性和断裂韧性[14]。此外，后热处理还能够通过调控晶粒大小和相分布，改善构件的力学性能。然而，不同热处理工艺对变形控制的效果存在差异，需根据具体材料和构件的要求选择合适的热处理方案。总之，预热与后热处理的合理应用能够在激光增减材复合制造过程中有效降低构件变形，同时提升其综合性能。
5. 激光增减材复合制造航空钛合金构件性能研究
5.1 力学性能测试
为全面评估激光增减材复合制造航空钛合金构件的性能，对其进行了拉伸、压缩及疲劳等力学性能测试。在拉伸试验中，采用标准试样，通过万能试验机施加轴向载荷，记录应力 - 应变曲线，以确定抗拉强度、屈服强度及延伸率等参数。压缩试验则同样使用万能试验机，对试样施加轴向压力，分析其抗压性能。疲劳试验通过循环加载的方式，研究构件在交变应力下的疲劳寿命与疲劳极限[13]。测试结果表明，激光增减材复合制造工艺下航空钛合金构件的室温拉伸性能优异，其抗拉强度与屈服强度均达到较高水平，延伸率虽有一定波动，但整体满足工程应用需求。压缩性能方面，构件表现出良好的抗压能力，未出现明显屈服现象。疲劳性能测试显示，该工艺制备的构件具有较高的疲劳寿命，疲劳极限接近传统制造工艺水平。进一步分析发现，工艺参数如激光功率、扫描速度等对力学性能有显著影响。较高的激光功率可提高熔池温度，促进晶粒长大，从而提升强度但降低塑性；而较快的扫描速度则导致冷却速率加快，形成细小晶粒，提高塑性但强度略有下降[13]。
5.2 微观组织结构分析
通过金相显微镜与扫描电镜等先进手段，对激光增减材复合制造航空钛合金构件的微观组织结构进行了深入观察。金相显微镜主要用于观察构件的晶粒形态与大小，扫描电镜则进一步分析相分布及微观缺陷。研究发现，工艺参数对晶粒大小影响显著。当激光功率较低时，熔池温度不足，冷却速度快，形成细小等轴晶；随着激光功率升高，熔池温度升高，晶粒有长大趋势。扫描速度同样影响晶粒大小，较快扫描速度下冷却速度快，晶粒细化。在相分布方面，激光增减材复合制造构件中主要存在 α 相和 β 相，工艺参数的变化会导致两相比例及分布的改变。例如，较高的激光功率和较慢的扫描速度有利于 β 相的形成与长大。微观结构与性能密切相关，细小均匀的晶粒有助于提高构件的强度与塑性，而合理的相分布可增强构件的综合性能。当晶粒细小且两相分布均匀时，构件在拉伸、压缩及疲劳测试中表现出更优的性能；反之，晶粒粗大或相分布不均会导致性能下降，如出现应力集中、裂纹萌生等问题[2][9]。
6. 与传统制造工艺对比
6.1 性能对比
激光增减材复合制造工艺在航空钛合金构件的性能表现上展现出独特的优势与不足。从力学性能来看，该工艺通过逐层堆积材料并精准去除多余材料，能够制造出具有高强度和良好韧性的构件。研究表明，相较于传统制造工艺，激光增减材复合制造的钛合金构件在拉伸强度和疲劳性能方面有所提升[3]。然而，由于激光加工过程中热应力及材料相变的影响，构件的微观结构可能出现局部不均匀性，导致某些区域的力学性能略低于传统工艺制造的构件[10]。此外，在微观结构方面，激光增减材复合制造工艺能够实现精细的晶粒控制和相分布优化，尤其在复杂结构件的制造中表现出显著优势。例如，增材制造技术可以形成致密度较高的内部结构，而减材制造则进一步提高了表面质量和尺寸精度。相比之下，传统制造工艺受限于模具设计和加工方式，难以实现如此高精度的微观结构调控[3]。尽管如此，传统制造工艺在大规模生产中的稳定性和一致性仍具有一定优势，尤其是在简单结构件的制造中表现出更高的可靠性[10]。
6.2 成本与效率对比
从成本与效率的角度来看，激光增减材复合制造工艺与传统制造工艺之间存在显著差异。在材料成本方面，激光增减材复合制造工艺通过精确控制材料的使用量，减少了废料产生，从而提高了材料利用率。然而，高品质钛合金粉末原材料的价格较高，尤其是用于航空航天领域的高性能粉末，这直接增加了初始材料成本[5]。相比之下，传统制造工艺虽然废料率较高，但其原材料采购成本相对较低，且在大规模生产中能够通过规模化效应降低单位成本[10]。在加工时间方面，激光增减材复合制造工艺具有明显的优势，特别是在复杂结构件的制造中。该工艺无需复杂的模具设计和制造过程，可直接从三维模型生成构件，大幅缩短了加工周期。然而，激光加工设备的运行速度相对较慢，且后处理工序较为繁琐，这在一定程度上限制了其整体效率的提升[5]。传统制造工艺则依赖于成熟的机械加工技术，虽然在前期的模具准备阶段耗时较长，但在批量生产中能够快速完成构件的制造[10]。在设备投入方面，激光增减材复合制造工艺需要高精度的激光加工设备以及配套的热处理和后处理设备，这些设备的购置和维护成本较高。而传统制造工艺的设备投入相对较低，且技术成熟度更高，易于推广和应用[5]。综合来看，激光增减材复合制造工艺在成本与效率方面的特点决定了其更适合小批量、高性能构件的制造，而传统制造工艺则在规模化生产中具有更强的竞争力。未来，通过优化材料使用、提高设备利用率以及引入智能化生产技术，激光增减材复合制造工艺有望进一步降低成本并提升效率[10]。
7. 实际应用问题与解决策略
7.1 成本控制策略
激光增减材复合制造工艺在实际应用中面临成本较高的问题，其主要原因包括高成本的材料消耗、设备运行及维护费用等[10]。为了有效降低生产成本，优化材料使用是关键策略之一。例如，通过精确控制激光增材制造过程中的材料沉积量，减少过度堆积和浪费，可以显著降低原材料成本。此外，提高设备利用率也是降低成本的重要手段。通过合理安排生产计划，减少设备闲置时间，并采用多任务并行处理方式，可进一步提升设备的经济效益[10]。同时，研发低成本高性能的粉末原材料，如改进等离子旋转电极(PREP)法制粉工艺，不仅能保证粉末质量，还能降低材料制备成本，从而为激光增减材复合制造工艺的大规模应用提供经济可行性。
7.2 生产效率提升方法
影响激光增减材复合制造生产效率的因素主要包括加工速度、设备稳定性以及工艺流程的复杂性等[4]。为提高生产效率，首先应优化加工速度。通过调整激光功率、扫描速度和层厚等工艺参数，可以在保证构件质量的前提下缩短加工时间。其次，设备稳定性的提升对生产效率至关重要。定期维护和校准设备，确保其长期稳定运行，能够有效减少因设备故障导致的停工时间。此外，简化工艺流程也是提高效率的有效途径。例如，通过引入智能化控制系统，实现加工路径的自动规划和实时监控，可以减少人工干预，从而提升整体加工效率[4]。结合大数据分析技术，对历史加工数据进行挖掘和优化，进一步优化工艺参数，可望在未来实现更高效的生产模式。
8. 结论与展望
8.1 研究结论
激光增减材复合制造工艺在航空钛合金构件的变形控制与性能研究中取得了显著成果。通过优化工艺参数、预热与后热处理等方法，有效控制了构件在加工过程中的变形问题，显著提升了构件的尺寸精度和形状稳定性[1]。同时，力学性能测试与微观组织结构分析表明，该工艺能够显著改善钛合金构件的综合性能，如强度、塑性和疲劳寿命，满足航空领域对高性能构件的需求[3]。这些研究成果不仅验证了激光增减材复合制造工艺在航空钛合金构件制造中的可行性，也展示了其在未来航空制造领域的巨大潜力。
8.2 未来展望
随着激光增减材复合制造技术的不断发展，其在航空钛合金构件领域的应用前景愈加广阔。未来的研究可以聚焦于与人工智能、大数据等新兴技术的深度融合，以实现工艺参数的智能优化和实时监控，从而进一步提高加工效率和构件性能[4]。此外，设备的大型化、高速化以及多材料复合加工技术的发展，将为复杂航空构件的快速制造提供新的可能性。通过持续的技术创新和工艺优化，激光增减材复合制造工艺有望成为航空制造领域的核心技术之一，推动航空工业迈向更高水平的发展阶段。
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作者简介：李向华（1979—），男，汉族，浙江淳安人，本科，研究方向为制造工艺。
