摘要：据悉，茅台学院酿酒自动化工程学院、河北建筑工程学院机械工程学院、北京航空航天大学机械工程及自动化学院的科研人员报道了航空航天零件制造中能量场辅助的研究与应用综述。相关论文以“A review on research and application of ene

长三角G60激光联盟导读

据悉，茅台学院酿酒自动化工程学院、河北建筑工程学院机械工程学院、北京航空航天大学机械工程及自动化学院的科研人员报道了航空航天零件制造中能量场辅助的研究与应用综述。相关论文以“A review on research and application of energy field-assisted in the manufacturing process of aerospace parts”为题发表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。

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随着航空航天工业的发展，其零件的制造在满足功能需求的同时，已逐渐转向绿色、高效和精密的方法。然而，传统的加工方法在实现这一目标方面仍面临诸多挑战。能量场辅助制造技术是一种利用声场、光、电、磁等能量源来控制零件变形或成形过程的先进制造方法。它可以通过辅助场的内在优势来克服传统加工的局限性。本文综述了超声振动、电磁场、激光和电场对航空航天零件及材料在变形或成形过程中流动应力和微观结构演变的影响。此外，回顾了能量场辅助在降低加工难度、提高尺寸精度、改善材料微观结构、优化力学性能以及提高表面质量方面的作用。最后，总结了相关研究进展，并对能量场辅助航空航天零件制造的未来发展进行了展望。

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部分图文

图1能量场辅助在航空航天领域应用的概述。

图3超声振动辅助拉拔。

图5超声振动辅助深拉深。

图8电磁辅助成形原理。a电磁辅助板料成形。b电磁辅助管材成形。

图12电磁脉冲焊接。(a)MPW示意图。(b)MPW实验第一部分和第二部分的实验装置示意图。(c)MPW板对型材搭接接头的示例照片和显微图。

图13选择性激光熔化 (SLM)。a SLM原理图。b SLM设备。c 航空发动机异形截面部件。d NASA制备的航空航天发动机零件。e SLM优化制造。

图14 LDED技术及其在航空航天部件制备中的应用。a LDED工艺原理 [90]。b 飞机钛合金大型主承力构件。c 梯度航空发动机钛合金叶盘。d RS-25喷管。e RS-25发动机动力头半壳。

图15 a LPBF示意图。b 点阵结构火箭发动机。c 航空发动机涡轮泵静子。d飞机金属夹层板。

图16激光近净成形(LENS)。a LENS示意图。b LENS成型设备与成型过程。c LENS在航空航天部件制备中的应用。

图17 LMD和SLS的应用。a LMD制备的航空发动机叶盘。b LMD用于飞机定位销的修复。c LMD制备的TC11航空钛合金大型构件。d LMD制备的ZL101A航空部件。e LMD制备的钛合金火箭绑扎接头。f SLS制备的用于涡轮叶片铸造的铝基陶瓷芯/壳一体化模具。

图19电场辅助超塑性成形/扩散连接。(a)电辅助扩散连接。(b)电辅助成形。(c)带型腔的陶瓷模具。(d)阻焊层图案。(e)商业纯钛箔（橙色）和Ti2AlNb合金板（蓝色）。(f) Ti2AlNb合金双层结构在电辅助成形过程中电流分布示意图。(g)Ti2AlNb合金板材电辅助SPF/DB双层结构的照片。(h) 双层结构微观组织观察的取样方法。(i) Ti2AlNb合金双层结构A-E区的金相图。

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结论/展望

能量场辅助技术在航空航天部件制造中已显示出显著优势，为高性能复杂结构的成形提供了创新解决方案。本文总结了超声辅助、电磁辅助、激光和电场辅助技术的原理、特点、研究成果和应用成果，得出以下结论：

1.超声辅助成形通过高频机械振动增强材料的塑性流动性和成形性能，在铝、钛合金等轻质材料的拉拔、挤压、深拉深、轧制和增量成形等精密成形工艺中取得了显著成果。其应用有效降低了成形力，减少了表面缺陷，提高了成形精度。然而，能量传递效率低和设备复杂等问题仍然是其在高强度材料和复杂结构部件应用中面临的障碍。

2.电磁辅助成形利用电磁场与材料之间的相互作用实现高效的能量传递和精确的成形控制，尤其在高温合金和复杂结构部件的制造方面表现出色。该技术已成功应用于航空航天部件的铆接、成形、焊接和微成形中。然而，其在非高导电性材料中的应用仍需进一步探索。

3.激光成形技术利用高能激光束的热效应和非接触特性，实现高精度的局部加热和快速成形，使其特别适用于制造微结构、薄壁部件和难加工材料。诸如SLM（选择性激光熔化）、LDED（激光定向能量沉积）、LPBF（激光粉末床熔融）、LENS（激光近净成形）、LMD（激光熔覆沉积）和SLS（选择性激光烧结）等技术显著提高了部件的性能和可靠性。然而，对材料导热性和吸收率的高要求，以及高昂的设备成本，限制了其大规模应用。

4.电场辅助成形通过电场与材料的相互作用，能够精确控制材料的内部微观结构，在功能材料、复合材料和智能材料的成形方面展现出独特潜力。其在拉拔、拉伸、轧制、搅拌摩擦焊和超塑性成形等工艺中的应用，为航空航天部件的多功能设计提供了新途径。然而，电场辅助成形的机理尚未完全明了，其在多场耦合条件下的应用需要进一步研究。

总之，各种能量场辅助技术在航空航天部件制造中各具优势，但也面临特定的局限性。未来的研究应侧重于多场耦合、极端工况适应性以及智能制造，以进一步拓展特种能量场辅助技术的应用范围和效果，从而为高性能航空航天部件的制造提供更全面的技术支持。

展望

能量场辅助技术在航空航天领域已得到广泛研究和应用。然而，由于设备复杂性和技术高度专业化，许多技术尚未实现广泛采用。此外，在某些特殊能量场下材料的变形机理和理论模型仍不完善，导致在实际部件生产中存在局限性。基于当前研究现状和航空航天领域的发展需求，本文提出未来特种能量场辅助技术的研究应侧重于以下领域：

1.能量场辅助机理研究。在能量场辅助条件下，材料的流动特性和微观结构会发生显著变化；然而，其根本机理尚未完全阐明。未来的研究应侧重于能量场影响材料流动行为和微观结构演变的机理，特别是通过结合原位实验和多尺度模拟方法。这将有助于揭示材料在能量场下的动态响应规律，为工艺参数优化提供理论支持。

2.极端条件下的能量场辅助技术研究。航空航天领域常面临高温、高压、强振动等极端条件，而目前关于能量场辅助技术的研究主要局限于常规条件。未来的工作应侧重于开发适用于极端条件的能量场辅助制造技术，例如：

(a)实现高温高压环境下的能量场辅助成形，以提升高温合金和复合材料的成形性能。

(b)开发在强振动或干扰条件下稳定可靠的能量场辅助装置，以确保成形精度和一致性。

3.多能量场辅助成形的数值模拟研究。能量场辅助成形过程涉及多物理场耦合和复杂影响因素，难以通过实验全面覆盖。未来的研究应加强整个多能量场辅助成形过程的数值模拟，建立高精度的多场耦合仿真模型。这将预测材料在复合能量场下的变形行为和微观结构演变，为工艺优化提供可靠指导，并降低制造成本和风险。

4.多场复合成形与耦合力学模型研究。不同的能量场对材料性能有不同的影响，但目前关于多场耦合的研究有限，相应的材料流动特性和力学模型也不完善。未来的研究应侧重于材料在多场耦合条件下的变形行为，建立综合考虑热-力-电磁耦合的力学模型。这将为复杂构件的精密成形提供理论指导。

5.智能能量场辅助制造技术研究。随着智能制造技术的进步，未来的研究应探索将人工智能、机器学习等技术与能量场辅助制造相结合。这种结合将实现工艺参数的智能优化和成形过程的实时监控，进一步提高制造效率和产品质量。

通过解决这些研究方向，可以进一步推动能量场辅助技术的发展，为高性能航空航天部件的制造提供更全面有效的解决方案。

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟