激光增材制造技术在航天领域的应用现状与未来展望

激光增材制造技术在航天领域的应用现状与未来展望

激光增材制造技术在航天领域的应用正日益广泛，从轻量化结构到大型整体结构的制造，该技术正为航天装备的高质量发展提供重要支持。本文将为您详细介绍激光增材制造在航天领域的应用现状及其未来发展方向。

1. 引言

航天活动是飞行器在卡门线（位于海拔80 km或100 km处）以上、太阳系以内的航行活动，展示了人类探索、利用和治理太空的能力。随着航天任务的多样化发展，航天装备正朝着大型化和重型化、精密化和小型化、高性能和独特性等方向发展，推动航天构件结构走向大尺寸、精细化和异形复杂化。

激光增材制造技术因其能量控制精确和热输入小，尤其适用于复杂航天构件的精密成形，在航天领域中的应用最为广泛。激光增材制造技术在航天领域中的工程化应用程度取决于工艺、装备和产线的综合发展。工艺是确保航天构件高质量制造的核心，装备是实现激光增材制造工艺的硬件基础，产线则是推动批量化、高质量生产的平台。

2. 航天激光增材制造工艺的应用

激光增材制造技术在激光与局部原料的相互作用下，具有瞬时高能的特点，可制备有利于提高力学性能的多层级微观结构。然而，这一过程中也可能产生如未熔合、匙孔、裂纹、球化等工艺缺陷。在航天激光增材制造中，通过精确调控工艺参数来控制这些缺陷和成形精度，以确保制备出的航天构件满足产品的性能和形貌指标要求。

2.1 轻量化结构的激光增材制造

轻量化是航天构件设计中的一个重要目标。在航天领域，翼舵、支架等构件通过采用格点填充结构来实现轻量化，它们是轻量化结构的典型代表。

以翼舵为例，它是控制航天器飞行姿态的关键部件。翼舵的设计通常包括外部的薄壁蒙皮和内部的蜂窝或点阵构型填充，主要使用钛合金或高温合金材料。通过激光增材制造技术，可以实现翼舵的一体化成形，减少中间工序，提高生产效率，并且减少机加工量。此外，激光增材制造技术能够制造传统工艺难以制备的复杂结构（如点阵结构），有效降低了翼舵的质量系数。

2.2 结构功能一体化结构的激光增材制造

结构功能一体化是航天构件发展的重要趋势，其中舱段和发动机是结构功能一体化构件的典型代表。

以舱段为例，舱段是航天器中关键的耐温结构件，负责承载。舱段的外形通常为回转体或异形，根据功能需求和工作环境的不同，可以选择铝合金、钛合金或高温合金作为材料。舱段之间的连接通常采用焊接或螺接的方式。与传统的铸造配合机加的方法相比，激光增材制造技术在控制舱段壁厚上具有优势，壁厚控制精度保持在±0.1 mm以内，基本满足舱段结构的壁厚控制要求。

发动机是航天装备中提供动力的关键部件，其结构和功能一体化的特性使其在设计和制造上具有高度复杂性和精密性。发动机通常具有多行面、多腔道，其结构复杂且精密，主要使用高温合金和钛合金等材料。中国航天科技集团有限公司第六研究院采用激光增材制造技术对发动机推力室隔板加强肋的工艺进行了改进，成功解决了传统熔模铸造因结构限制而出现的低合格率问题，将产品合格率从不超过20%提升到了98%。

2.3 大型整体结构激光增材制造

大型化和整体化是航天构件发展的关键趋势，其中框梁类构件是大型整体航天结构的典型代表。作为主要的承力结构，框梁通常采用壁板加筋的构型，具有较大的外形尺寸（通常达到米级），而相对于其整体尺寸，其构件的厚度则相对较薄（在百毫米级别）。由于框梁类构件对比强度有较高的要求，钛合金是这类构件常用的材料。

与传统的铸造或锻造成形工艺相比，激光增材制造技术避免了铸锻造模具的生产，从而缩短了研发周期。此外，框梁的整体结构方案在研制过程中可能需要根据计算结果进行优化和更新，激光增材制造技术能够有效避免铸造和锻造模具投产后可能出现的资源浪费。同时，激光增材制造的框梁在性能上能够达到甚至超过传统铸造和锻造方法制造的构件。

3. 航天激光增材制造装备

激光增材制造装备是集成了光学、电路电子、机械工程、信息技术、软件工程等先进技术的光机电一体化智能设备，它们是实现航天构件高质量成形的基础。激光增材制造装备主要分为两大类：以铺粉为特征的激光选区熔化装备和以送粉（或送丝）为特征的激光熔化沉积装备。

3.1 航天激光选区熔化装备

激光选区熔化装备利用扫描振镜引导激光，按照软件规划的路径熔化粉末，从而实现构件的成形。在这一过程中，聚焦光学系统是决定装备成形幅面大小的关键因素。为了实现大幅面且高质量的成形目标，通常采取场镜焦距增长、振镜移动、多光束拼接等方式。

3.2 航天激光熔化沉积装备

激光熔化沉积装备是由激光器、送粉（或送丝）器、送粉（或送丝）喷嘴、数控工作台以及其他辅助装置共同构成的。在这一过程中，激光器发出的激光通过喷嘴聚焦，作用于工作台面上的原料，使得原料逐层熔化并冷却，最终堆积形成三维构件。激光熔化沉积装备通常使用的激光器类型包括光纤连续激光器和Nd脉冲激光器，这些激光器能够提供千瓦级以上的功率，非常适用于大型构件的快速制造以及构件表面的修复。

4. 激光增材制造产线

随着航天构件从研制阶段过渡到多件生产，激光增材制造技术面临着提升生产效率和确保产品质量一致性的双重挑战。激光增材制造智能产线凭借其连续生产的能力、全过程的质量可追溯性以及生产数据的透明化管理，为航天构件的高效、高质量和稳定生产提供了有效的解决方案。

2022年，研究团队成功构建了国内首条基于5G和工业互联网技术的激光增材制造智能生产线，并选择翼舵构件作为典型的应用对象，完成了批量生产的应用验证。这条智能生产线的实施带来了显著的效益：设备利用率提升了30%，生产运行成本降低了40%，设备故障率降低了65%，生产过程等待时间缩短了40%。

5. 结束语

中国航天事业的快速发展正推动着航天构件向更高性能、更多功能和更大规模的方向发展。为了适应这一趋势，我们需要进一步挖掘激光增材制造技术的潜力，持续为航天事业提供强有力的技术支持。面对科技的最前沿和国家的重大需求，我们应该加强激光增材制造工艺突破、装备研发和产线建设方面的协同攻关，并系统地规划和推动激光增材制造技术在航天领域中的应用。