SLM技术赋能航空航天高端构件制造: 钛合金与316不锈钢的突破与应用

航空航天领域对构件的轻量化、高强度、耐腐蚀性及复杂结构集成需求日益严苛，传统铸造、机加工工艺难以突破结构设计瓶颈与性能平衡难题。激光选区熔化（SLM）技术作为高端金属增材制造的主流工艺，凭借一体化成型、精准控形控性的核心优势，与钛合金（Ti6Al4V为主）、316不锈钢的材料特性高度契合，打破了航空航天构件“分段制造、多件装配”的传统模式，推动装备向轻量化、高性能、自主化方向升级，成为产业迭代的关键引擎。本文聚焦钛合金与316不锈钢两大核心材料，深度解析SLM技术的应用优势、典型场景、技术突破及发展趋势，为航空航天制造领域的工艺选型与技术升级提供参考。

一、 SLM技术核心优势：适配航空航天需求的工艺特性

SLM技术通过激光束选择性熔化金属粉末并逐层堆积成型，无需模具即可实现复杂结构构件的直接制造，其核心优势与航空航天领域的严苛要求高度匹配，尤其在钛合金与316不锈钢构件制造中表现突出，具体可概括为三大维度。

（一）一体化成型：突破复杂结构制造瓶颈

航空航天构件多存在异形结构、内部通道、晶格轻量化设计等需求，传统工艺需将构件拆解为数十个零部件焊接装配，不仅增加装配误差、故障风险，还难以实现复杂内部结构的集成。SLM技术可将钛合金、316不锈钢构件一体化成型，直接集成复杂内部冷却通道、镂空晶格结构、弧锥结合曲面等难加工形态，大幅简化生产流程。

以钛合金航空发动机轴承座为例，传统工艺需拆分加工底座、轴承套、散热结构后焊接，焊缝易成为应力集中点，影响高温工况下的可靠性；采用SLM技术一体化成型Ti6Al4V轴承座，可集成螺旋式内部冷却通道，同时消除焊缝隐患，经有限元分析验证，构件最大应力仅521kPa，远低于Ti6Al4V的屈服强度（820MPa），可适配1900K以上高温工况。316不锈钢药型罩、航空发动机超薄叶片等构件，也通过SLM一体化成型技术，解决了传统工艺难以实现的异形结构加工难题，材料利用率从传统工艺的30%以下提升至85%以上。

（二）材料性能优化：兼顾强度与环境适应性

钛合金（Ti6Al4V）具备优异的比强度、耐高温性与抗腐蚀性能，316不锈钢则以良好的耐腐蚀性、韧性及成本优势，成为航空航天领域非承力构件、特殊工况构件的核心材料。SLM技术可精准控制激光功率、扫描速率等参数，使两种材料成型件致密度接近100%，力学性能达到或超越传统锻件水平。

Ti6Al4V钛合金经SLM成型后，抗拉强度可达900-1100MPa，断后伸长率≥12%，相较于传统铸造件，强度提升30%以上，且能保持优异的高温稳定性，适配航空发动机、航天器机身等高温、高压核心部件。316不锈钢SLM成型件密度可达7.92-7.93g/cm³，纵向生长成型件抗拉强度660MPa、断后伸长率38%，横向生长成型件抗拉强度734MPa、断后伸长率29%，凭借良好的力学性能与耐腐蚀性，可用于航空发动机叶片、军机药型罩等构件。此外，SLM技术可通过拓扑优化设计，在钛合金构件中集成晶格结构，实现30%以上的轻量化提升，同时保持结构稳定性，完美契合航空航天轻量化需求。

（三）快速迭代量产：缩短研发与生产周期

航空航天装备研发周期长、构件定制化需求高，传统工艺需投入大量时间与成本制作模具，且模具修改难度大，制约研发迭代效率。SLM技术无需模具，可直接根据三维数模快速试制钛合金、316不锈钢构件，将研发周期缩短30%-50%，同时支持小批量、定制化量产，兼顾研发与生产需求。

在国产军机核心构件研发中，采用SLM技术试制Ti6Al4V燃油喷嘴，仅需72小时即可完成从数模优化到成品试制的全流程，相较于传统模具制造工艺的30天，效率提升80%以上；对于316不锈钢航空发动机小型超薄叶片等批量构件，SLM技术可实现自动化连续生产，年量产能力达25000件以上，且能保持一致的尺寸精度与性能稳定性。

二、 核心技术壁垒：钛合金与316不锈钢的SLM成型控制

尽管SLM技术优势显著，但航空航天构件对性能一致性、可靠性的严苛要求，使得钛合金与316不锈钢的SLM成型面临诸多技术壁垒，核心在于极端工艺环境的精准控制与材料特性的适配优化。

（一）设备与工艺参数精准管控

钛合金与316不锈钢的物理特性差异较大，需针对性优化SLM工艺参数，才能避免成型缺陷。钛合金熔点高、易氧化，需控制激光功率波动范围在±1%以内，铺粉层厚≤20μm，同时采用高纯度氩气惰性气体保护，氧含量控制在500ppm以下，防止成型过程中氧化开裂；316不锈钢成型易出现孔隙、微裂纹及各向异性，需精准匹配激光功率、扫描速率与铺粉厚度，常用参数为激光功率220-380W、扫描速率1000-1200mm/s、铺粉厚度20-40μm，搭配合理的扫描策略降低缺陷风险。

例如，316不锈钢航空发动机超薄叶片成型中，采用激光功率380W、扫描速度1200mm/s、扫描间距100μm的参数组合，搭配棋盘式扫描策略，可使叶片表面粗糙度Ra≤1.6μm，尺寸偏差控制在0.25mm以内，同时减少贯穿性微裂纹的产生。而Ti6Al4V轴承座成型中，需通过四激光协同扫描与自研校准算法，确保全幅面性能一致性，避免局部应力集中。

（二）温度场与残余应力控制

SLM成型过程中，激光局部高温熔化与快速冷却形成剧烈温度梯度，易在钛合金、316不锈钢构件中产生残余应力，导致构件变形、开裂。针对钛合金，需采用预热基板（温度200-300℃）、分层保温等策略，搭配成型后的去应力退火处理（400-500℃保温1-2h），释放残余应力；316不锈钢构件成型后，同样需经400℃保温1h的去应力退火工艺，避免精加工后出现变形开裂，尤其对于纵向生长的药型罩构件，退火处理可显著提升其塑性与成型稳定性。

（三）性能一致性与可靠性验证

航空航天构件需通过严苛的强度、疲劳、耐温等性能测试，SLM成型的钛合金与316不锈钢构件，需解决性能各向异性问题。316不锈钢成型件因柱状晶结构影响，平行于Z轴方向的强度约为垂直方向的95%，需通过优化扫描方向与热处理工艺降低各向异性；Ti6Al4V构件则需通过热等静压处理（HIP），使抗拉强度进一步提升15%-20%，同时消除内部微小孔隙，满足航空发动机核心部件的疲劳寿命要求。

三、 典型应用场景：钛合金与316不锈钢的实战落地

依托SLM技术的工艺突破，钛合金（Ti6Al4V）与316不锈钢已广泛应用于民航、军机、火箭、兵器等航空航天相关领域，实现从研发试制到批量量产的全覆盖，打造了多个标杆应用案例。

（一）钛合金Ti6Al4V构件：轻量化与高温适配的核心选择

1. 民航客机轻量化构件量产

在国产大飞机领域，中国商飞C929宽体客机项目中，超过30%的非承力结构件采用SLM技术制造的Ti6Al4V钛合金构件，其中钛合金舱体支架通过拓扑优化与SLM一体化成型，重量较传统铝合金支架减轻30%，结构稳定性提升25%，可承受客机飞行过程中的振动与压力载荷，目前已实现年批量生产25000个零件，大幅降低制造成本与装配难度。

此外，Ti6Al4V钛合金还用于制造客机座椅滑轨、起落架连接件等构件，SLM技术集成复杂镂空结构，在保证强度的前提下进一步实现轻量化，助力客机提升航程与燃油效率。

2. 军机核心构件自主化制造

军机发动机燃油喷嘴、涡轮叶片外环等关键构件，对耐高温性与结构精度要求极高，传统依赖进口高温合金构件，而SLM技术制造的Ti6Al4V构件实现了自主化替代。某型号军机燃油喷嘴通过SLM一体化成型，将传统20个零部件的焊接结构整合为单一部件，重量减轻15%，燃油喷射精度提升10%，同时消除焊缝故障风险，经测试可适配发动机高温高压工况，使用寿命较传统构件延长30%。

在航天器领域，Ti6Al4V钛合金支架、连接件通过SLM技术制造，集成晶格轻量化结构与内部走线通道，满足航天器对重量控制与空间利用率的严苛需求，已应用于国产卫星、载人飞船等装备。

3. 火箭发动机高温构件制造

火箭发动机喷管、燃烧室等构件需耐受极端高温与压力，Ti6Al4V钛合金凭借优异的高温稳定性，成为SLM技术的核心应用材料。某型号火箭发动机喷管（直径510mm、高度800mm）采用SLM技术一体化成型，集成复杂内部冷却通道，搭配Ti6Al4V的耐高温特性，冷却效率较传统分段焊接喷管提升40%，可耐受1800K以上高温，生产周期从传统工艺的60天缩短至15天，大幅加速火箭研发迭代进程。

（二）316不锈钢构件：耐腐与成本平衡的优选方案

1. 航空发动机辅助构件制造

316不锈钢凭借良好的耐腐蚀性与韧性，用于制造航空发动机小型超薄叶片、管路接头、支座等辅助构件。某国产航空发动机小型超薄叶片采用SLM技术成型，叶片基体由鱼鳞状微熔池组成，表面粗糙度Ra1.6μm，尺寸偏差小于0.25mm，可满足发动机高速旋转的动平衡要求；通过优化扫描策略与热处理工艺，叶片的疲劳寿命达10⁴次以上，完全适配航空发动机的长期工作需求。

2. 军机药型罩与战斗部构件

在军机兵器配套领域，316不锈钢药型罩通过SLM技术实现异形结构制造，解决了传统工艺加工周期长、材料利用率低的难题。某型号药型罩采用弧锥结合结构，通过SLM技术制备纵向生长与横向生长两种构件，经脉冲X光试验与侵彻试验验证，纵向生长的药型罩在50μs时刻可保持完整形态，25倍炸高下对钢靶的侵彻深度较横向生长构件提升21.1%，200倍炸高下仍能保持飞行稳定性，为复杂结构MEFP战斗部的制备提供了新方案。

此外，SLM技术制造的316不锈钢预控破片战斗部壳体，预控破碎效果优于传统加工壳体，已在国产军机配套装备中实现应用。

3. 航天器非承力结构件应用

航天器舱体附件、管路支架、防护构件等非承力结构，对耐腐蚀性与成本控制要求较高，316不锈钢SLM构件成为优选。某型号卫星的管路支架通过SLM一体化成型，集成复杂管路固定结构，重量较传统机加工构件减轻20%，同时具备良好的空间环境耐腐蚀性，可抵御太空中的高温差与辐射影响，经在轨测试，性能稳定可靠。

四、 技术突破与发展趋势：赋能航空航天产业升级

随着SLM技术的持续迭代与材料工艺的不断优化，钛合金与316不锈钢在航空航天领域的应用正向高效率、大尺寸、智能化、标准化方向演进，核心技术突破与行业趋势日益清晰。

（一）工艺优化：提升效率与成型质量

多激光协同加工技术加速渗透，四激光及以上SLM设备占比已达18%，可实现钛合金、316不锈钢构件的大尺寸高效成型，成形尺寸突破800×800×1500mm，加工效率较单激光设备提升3-4倍。同时，扫描策略持续优化，棋盘式扫描、分区协同扫描等技术的应用，进一步降低316不锈钢构件的各向异性，提升钛合金构件的全幅面性能一致性。

热等静压（HIP）与热处理工艺的配套升级，成为性能提升的关键。针对Ti6Al4V构件，HIP处理后抗拉强度提升15%-20%，残余孔隙率降至0.1%以下；针对316不锈钢构件，优化后的去应力退火与固溶处理工艺，可消除微裂纹与残余应力，使构件韧性提升20%以上。

（二）材料国产化：降低成本与打破依赖

国产钛合金、316不锈钢粉末逐步替代进口，成为行业发展的核心趋势。Ti6Al4V钛合金粉末的国产化率已达60%以上，粉末粒度控制在15-53μm，化学成分与力学性能达到国际同类产品水平；316不锈钢粉末的国产化工艺日趋成熟，成本较进口粉末降低30%-40%，为规模化应用奠定基础。

政策层面，2024年钛合金粉末已纳入重点新材料补贴范畴，预计2026年国产钛合金、316不锈钢粉末的市场占有率将突破50%，进一步降低SLM制造的材料成本，推动航空航天构件的批量应用。

（三）智能化升级：实现全流程质量管控

数字孪生与AI技术深度融合，赋能SLM制造全流程智能化。通过构建钛合金、316不锈钢SLM成型的数字孪生模型，可模拟激光熔化、冷却凝固过程，预判残余应力与缺陷位置，提前优化工艺参数；AI视觉监测系统实时捕捉成型过程中的熔池状态、粉末铺撒均匀性，实现孔隙、裂纹等缺陷的实时预警与参数动态调整，使构件合格率提升至95%以上。

此外，自动化粉末回收与处理系统的应用，提升了316不锈钢、钛合金粉末的利用率，降低了生产成本，同时减少人为干预，保证批量生产的一致性。

（四）标准化完善：加速规模化应用落地

行业标准体系逐步完善，为SLM技术的规模化应用提供支撑。目前，《航空钛合金零件激光选区熔化增材制造制件热处理》行业标准已正式推进，明确了Ti6Al4V构件SLM成型后的热处理工艺要求、性能检测标准，规范了生产流程。未来，针对316不锈钢航空航天构件的SLM成型标准、质量检测规范将逐步出台，推动两种材料的SLM构件纳入航空航天装备的标准化采购体系。

五、 结语

SLM技术正以颠覆性的制造模式，重构航空航天高端构件的生产体系，钛合金（Ti6Al4V）与316不锈钢凭借各自的材料特性，成为SLM技术落地应用的核心载体。从民航客机的轻量化支架到军机的核心战斗部构件，从火箭发动机的高温喷管到航天器的防护结构，两种材料的SLM构件已实现全场景覆盖，为航空航天装备的性能提升与自主化发展提供了核心支撑。

随着国产SLM设备核心组件自给率提升（2023年已达62%）、材料国产化进程加速、智能化与标准化体系完善，钛合金与316不锈钢的SLM制造将进一步降低成本、提升效率，推动航空航天产业向高端化、自主化、规模化方向迈进。未来，SLM技术与两种核心材料的深度融合，将持续突破制造瓶颈，助力国产航空航天装备实现跨越式发展。