11月12日的珠海航空展拉开了各类先进空中装备的竞技之幕，同时展出的还有制造技术企业，例如可以提供激光制造技术的锐科激光，这让人不由的关注到隐藏在这些装备背后的激光产业带。激光加工技术在工业领域的发展已经如火如荼，而在航空航天领域，尤其是现如今还有低空经济的加持，更大的市场亟待解锁。
图1 珠海航展现场飞行表演（来源：深圳新闻网）
激光切割可实现传统机械加工难以实现的复杂三维结构的精密加工，且无论是金属、非金属或者复合材料都能保证良好的切割效果，对航空航天装备外壳及零部件制造来说，可谓是不二之选。图2为激光切割的发动机叶型结构。
图2 激光切割加工的飞机发动机叶片（来源：迅镭激光）激光切割技术的身影在飞机蒙皮、蜂窝结构、框架、翼桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、发动机机匣和火焰筒等流程中都能见到它的身影，像大型载人飞行器、无人探测器的制造中也有它的参与，具体实例可见表1。表1 激光切割技术在航空航天领域的应用实例
在航空制造业中，激光焊接技术主要应用于机身结构（见图3）、发动机高精度器件等的焊接。例如，采用双光束激光同时焊接解决飞机壁板蒙皮和加强筋之间T型接头的连接；在航空发动机燃烧室的制造中，激光焊接成功解决了复杂薄壁结构的焊接问题。飞行控制系统中的活动翼面和机匣等大型精密零件，也越来越多采用激光焊接，这可以减少变形，保证形位公差，并实现轻量化设计；一些特殊材料的组合焊，如钛合金与不锈钢的混合焊接，也只有激光焊接能做到。此外，航空发动机涡轮叶片、压气机叶片、轴承座环等关键转动部件，需要使用激光焊接技术修复局部损伤，这可以大大延长部件的使用寿命，降低更换成本。不过激光焊接也并非面面俱到，考虑到飞机在使用过程中需要定期维修和更换零部件，因此作为飞机骨架结构的蒙皮通常采用铆接而非焊接的方式进行连接，便于进行内部操作。
图3 激光焊接客机机身（来源：美国空客公司）
据统计，一台飞机的发动机平均要打孔10万个，一年生产的叶片、火箭筒和隔热屏等零件要打孔5000万个，来用于降温散热，这些小孔直径在0.5-2 mm，不仅数量大，精度还高。与传统的机械打孔相比，激光打孔技术具有打孔质量高、加工速度快等优点，能让航空发动机部件的加工成本降低60％以上。因此激光打孔技术在航空航天装备的打孔加工中作为一种高效的手段脱颖而出。与切割和焊接使用的连续激光技术不同，使用飞秒和皮秒级窄脉冲激光技术已成为航空发动机部件打孔的主流技术。这类超短脉冲激光持续时间极短，峰值功率超高，能够实现“冷加工”。在打孔时，超短脉冲激光可以瞬间将金属表面加热到沸点产生微型爆炸，将金属掏空，而周围金属基体不会出现明显的热影响区和热应力，从而保证孔壁质量。冷加工的特性也让激光打工在非金属材料加工中应用颇多，见图4。
图4 激光打孔加工用于CFRP（碳纤维复合材料）飞机部件的打孔（来源：汉诺威激光中心）激光表面处理技术是一种先进的表面功能化技术，它利用激光的热效应，通过对材料表面进行精准的热处理，实现表面微区的快速加热与冷却，从而获得优异的表面性能。激光表面处理主要可以分为两大类：表面改性和表面去除。表面改性是通过激光调控表面微观组织来获得理想性能，主要包括激光淬火、激光合金化和激光熔覆等工艺。（1）激光淬火：通过利用高功率密度的激光束对金属材料进行快速加热，使材料表面温度迅速升高，铁素体材料结构受热变成奥氏体。当激光作用停止后，由于金属良好的导热性，材料基体对热能的扩散使热影响区的温度迅速下降，奥氏体转变成硬度高的马氏体，实现材料表面的硬化处理，在航空航天领域常用于提高关键零部件的耐久性。（2）激光合金化：合金化是指在激光熔化基体材料的同时，通过表面预置合金材料、电镀层等方式引入新的合金元素，从而改变表面化学成分。与直接熔化不同，合金化可以DIY具有特殊性能的复合层，进而获得更佳的材料表面性能。（3）激光熔覆：在航空领域，发动机的备件价格昂贵，因而在很多情况下维修零件比直接换新的划算。但是修复后零件的质量必须满足安全要求。而激光熔覆根据使用条件、基体材料等，把选用的元素喷射到被处理的表面上，然后激光束将合金元素和基体材料表面薄层熔化，经凝固形成涂层和基体材料之间的冶金结合，就是给需要修复的部分换上和原来的“新衣服”，效果可见图5，从而达到修复和延长器件使用寿命的效果。
表面去除处理主要指激光清洗，可以高效无污染地去除表面污染物和涂层，效果可见图6。与传统的机械或化学清洗相比，激光清洗具有无溶剂、不接触、无二次污染等优点。
图6 经过飞秒激光清洗后的飞机过滤网（来源：曹祥东《飞秒激光在航空航天领域的应用》）高速、长续航能力、安全高效低成本运行等苛刻服役条件对飞行器结构设计、材料和制造提出了更高要求。激光增材制造技术可实现重大装备结构设计的变革，制造出一些过去无法实现的功能结构，并且不使用传统制造的工业模具，很大程度上缩短了零件制造周期，同时显著减轻金属结构件的质量，实现航空航天器轻量化的技术需求。例如，美国宇航局（NASA）一直在试验使用激光增材制造火箭部件，其中火箭发动机的燃烧室是使用激光增材制造的，它的制造成本大约是传统加工、连接和组装所需成本的一半，时间只有传统加工、连接和组装所需时间的六分之一；其次，激光增材制造技术可实现异质材料的高性能结合，在传统铸锻或机械加工零件上任意“生长”性能可靠的新结构，给设计者和制造商提供了高效低成本的制造策略选择，图8为利用增材制造技术设计的飞行器整机结构。
图7 美国NASA使用增材制造技术成型的双金属燃烧室（来源：NASA）
图8 增材制造技术在航空上的应用——机身结构设计及制造激光增材制造技术经过近30年的发展，已突破了传统金属材料学的瓶颈制约，是高性能大型、大尺寸金属构件制造的一个基本手段和方向。但由于航空航天装备严苛的工作环境，控制增材制造成形零件的变形开裂是一个永恒问题，不仅要将零部件造出来还要保证它的质量能过关，这一过程还需要大量的研究和工艺积累。从地面到3000 m高度的空域，由这一空域催生的新业态和应用场景，正成为各地争相竞逐的新赛道。据民航局预估，到2025年，低空经济市场规模将达到 1.5 万亿元，到2035年更是有望达到3.5万亿元。激光企业，谁能抓住下一个风口？[1]徐庆仁,刘淑敏.国外激光加工技术的发展及其在航空航天工业中的应用[J].国外航天运载与导弹技术,1986,(12):59-64.[2]陈振强.现代激光技术在航空机械加工中的应用实践[J].中国机械,2024,(07):2-5.[3]贾玉梅.激光增材制造在航空航天领域中的应用[J].新材料产业,2019,(07):52-56.[4]李志勇,韩冬雪,焦世坤,等.激光增材制造在航天领域中的应用[J/OL].http://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1339.TN.20240705.2131.016.html.[5]林碧涓,许国胜,王云鹤.低空经济、智慧政务、智能算力……在“光谷”看见科技新城的“蝶变”[N].通信信息报,2024-10-30(002).[6]曹祥东.飞秒激光在航空航天领域的应用[J].军民两用技术与产品,2018,(13):18-24.
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