起落架制造技术的融合创新：复合材料成形、增材制造与精密锻造的交叉赋能趋势

起落架系统是飞机结构中最关键的承载部件之一。在起飞滑跑、着陆冲击以及地面停放等工况下，起落架需承受数倍于飞机自重的动态冲击载荷，同时还要兼顾气动外形、收放机构动作以及刹车系统的协调运行。其服役工况的极端性与功能的复杂性，决定了起落架的制造必须具备极高的材料性能保证、工艺精度控制和结构完整性要求。随着全球航空运输量的持续增长和航空装备更新换代步伐的加快，起落架制造技术已成为衡量一国航空工业水平的重要标志。

从产业视角看，全球飞机起落架市场规模在2025年约为149.8亿美元，预计到2034年将增长至382.1亿美元，复合年增长率达10.2%。这一强劲增长背后，既有民用航空机队规模扩张的驱动，也有军用航空装备升级的刚性需求。中国和美国共同占据了全球商用飞机起落架更换市场的43%以上份额，凸显了两国在该领域的核心地位。与此同时，航空业对燃油效率和碳排放的要求日益严苛，轻量化设计已成为起落架制造的核心导向之一——每减轻1千克结构重量，每年可节省燃油约数十升，这在高频次运营的商用航空中意义尤为显著。

从技术演进脉络来看，起落架制造经历了三个重要阶段。第一阶段以传统金属锻造为主导，采用超高强度钢和钛合金通过自由锻与模锻制造主要承力件，该技术路线至今仍是大型客机起落架的主流方案。第二阶段始于复合材料在航空结构中的规模化应用，热固性和热塑性复合材料凭借其高比强度、优异的抗疲劳性能和耐腐蚀特性，逐步进入起落架次承力结构乃至主承力结构的制造领域。第三阶段则是增材制造技术的介入，以选区激光熔化和激光熔化沉积为代表的新兴工艺，正在从原型验证走向小批量生产，为起落架复杂结构的一体化成形提供了全新可能。当前，上述三条技术路线并非相互取代，而是呈现出并行发展、交叉融合的态势——锻造技术仍承载着大型客机起落架的“骨骼”功能，复合材料成形不断拓展轻量化边界，增材制造则在复杂功能集成和快速响应方面展现独特优势。

一、复合材料成形技术及其在起落架中的应用

1.1 技术路线全景：从材料选择到成形工艺的多元演进

复合材料在航空结构中的应用经历了从次承力件到主承力件、从军用到民用的渐进式拓展。与传统金属材料相比，复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能优异、耐腐蚀、可设计性强等突出优势，尤为契合起落架对轻量化和长寿命的双重需求。研究表明，采用复合材料替代传统金属材料制造起落架构件，可在保持同等承载能力的前提下实现减重15%–30%，部分案例甚至达到50%以上。

当前应用于起落架制造的复合材料主要包括两大体系。其一为热固性复合材料，以环氧树脂基碳纤维增强复合材料（CFRP）为代表，因其工艺成熟、力学性能优异，在航空结构领域占据主导地位。其二为热塑性复合材料，以聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）等高性能热塑性树脂为基体，具有可重复成形、抗冲击韧性好、预浸料可室温储存等优势，近年来在起落架次承力件和中小型飞机起落架中应用日益广泛。值得关注的是，天然纤维（如亚麻纤维）增强聚合物也开始进入起落架应用领域，Biogear项目采用80%亚麻纤维增强聚合物作为直升机起落架的支撑结构，实现了54%的整体减重效果，展示了生物基复合材料在该领域的潜力。

成形工艺的选择直接决定了复合材料构件的最终性能和制造成本。根据工艺原理和适用场景的不同，目前用于起落架制造的复合材料成形技术主要包括预浸料/热压罐成形、非热压罐成形、充气成形和树脂传递模塑成形等。这些技术各有其技术边界和适用条件，共同构成了从高价值小批量到低成本大批量的成形能力谱系。

1.2 预浸料/热压罐成形技术

预浸料/热压罐成形是航空航天复合材料制造领域应用最为广泛的工艺技术。该工艺首先按照设计要求将预浸渍树脂的半固化片材（预浸料）在模具上逐层叠放，然后用真空袋密封后置于热压罐内，在加热与加压的共同作用下使树脂熔融流动、充分浸润纤维，最终固化形成致密的复合材料构件。热压罐工艺的核心优势在于能够实现温度、压力和真空度的精确协同控制，从而确保纤维体积分数均匀、孔隙率极低、层间结合强度高。据行业统计，热压罐工艺在航空航天复合材料构件制造中的比重超过80%，至今仍是飞机蒙皮、翼肋、起落架等高承载零件的首选成形方法。

在起落架制造领域，热压罐工艺已取得若干典型应用。福克50支线客机的主起落架翼肋与加强筋即采用热塑性复合材料PPS（聚苯硫醚）通过热压罐工艺制造。PPS树脂具有低黏度特性，可在较低成形压力下实现良好的纤维浸润，因而特别适合热压罐成形的工艺条件。此外，在无人机全复合材料起落架支柱的研制中，热压罐工艺也展示了其在复杂几何构型和高承载要求下的技术适应性。

然而，热压罐工艺存在两个显著的技术经济制约。第一，预浸料对储存条件要求极为苛刻，通常需在-18℃以下的低温环境中储存，且从冷库取出后需在限定时间内完成铺贴，否则树脂体系将发生不可逆的化学变化。第二，热压罐设备投资巨大，单个大型热压罐的购置和运行成本可达数百万元人民币，加之成形周期长、能耗高，使得该工艺更适用于附加值高、批量小的航空主承力件制造，在大批量生产场景中经济性欠佳。

1.3 非热压罐成形技术

非热压罐成形技术是指仍使用预浸料进行固化成形，但不依赖热压罐设备、仅在真空压力下完成固化的工艺方法。该技术的核心理念在于，通过开发可在较低压力和温度条件下充分流动浸润的专用预浸料体系，实现与传统热压罐工艺相近的构件质量，同时大幅降低设备投资和运行成本。

非热压罐预浸料技术具有多项技术优势。首先，可确保树脂在纤维层间的均匀分布，有效避免灌注工艺中常见的干斑和富树脂区缺陷。其次，成形压力和温度要求显著降低，对模具材料和工装夹具的热匹配性要求也随之放宽，从而简化了工装设计与制造。再者，该技术非常适合复合材料零件的原位修补作业，在起落架外场维护中具有实用价值。

然而，非热压罐工艺也面临内在的技术挑战。由于成形压力仅为一个大气压，远低于热压罐工艺的数个甚至十几个大气压，夹杂气体的排除驱动力不足，容易在构件内部残留孔隙和微裂纹，影响最终力学性能。此外，专用预浸料的有效使用期限也是制约该技术推广的关键因素。在起落架制造中的典型应用案例是V-280“勇士”倾转旋翼直升机——其主起落架复合材料舱门采用非热压罐技术制造，在保证结构完整性的同时显著降低了制造成本。

1.4 充气成形技术

充气成形技术是一种利用充气囊作为内腔成形工具的复合材料制造工艺。其基本流程是：将浸渍专用树脂的碳纤维片材铺放入模具后，在纤维层之间或中空腔内放置柔性气囊，然后充入压缩空气使气囊膨胀，迫使纤维材料紧贴模具型面成形，从而获得高精度、轻量化的中空结构零件。相比传统金属构件，通过充气成形制造的碳纤维零件重量更轻、减震效果更好，特别适合制造起落架中具有管状或中空结构的部件。

UAVOS公司基于充气成形技术开发了碳纤维增强复合材料（CFRP）主起落架弹簧。该弹簧在1800 kg载荷下表现出优异的抗扭转能力和较高的耐用性，与同等功能的钢制弹簧相比，重量大幅降低，同时减震性能和疲劳寿命得到显著提升。在无人机起落架领域，HRC公司采用内部充气袋与外部金属组合模的共固化工艺，制造了碳纤维机体结构的整体化起落架，在实现结构轻质、高效益的前提下，材料利用率和结构效率大幅提升。

充气成形技术的工艺难点主要在于气囊材料的选择与成形压力曲线的精确控制。气囊需要在高温高压环境下保持尺寸稳定性和气密性，同时还要具备良好的脱模性能。柔性气囊可实现复杂型面的贴合，但使用寿命有限；硬体气囊重复使用性好，但仅适用于规则几何构型。此外，充气压力过高可能导致纤维滑移或褶皱，过低则无法保证充分压实，需针对具体构件进行工艺参数优化。

1.5 树脂传递模塑成形技术

树脂传递模塑（Resin Transfer Molding，RTM）是航空航天复合材料低成本制造的关键技术之一。其工艺原理是：将纤维增强材料预先铺放在闭合模具型腔内形成预成型体，利用专用注射设备在低压条件下将液态树脂注入模腔，使其充分浸润纤维增强材料后，在一定温度条件下固化脱模成形。RTM技术的突出优势在于增强材料可按任意方向铺放，纤维取向设计与载荷分布相匹配，从而实现受力均匀、结构高效的设计目标；闭模操作不污染环境，降低了工人的职业健康风险。

在起落架制造领域，荷兰航空宇航研究院采用三维编织预成型体结合RTM工艺，成功制造了NH90直升机的起落架摇臂和扭力臂。三维编织工艺整体性强，可有效提升复合材料的层间剪切强度，解决传统层合板易发生分层破坏的痛点。然而，三维编织设备的研制难度大、购置成本高昂，目前仍主要限于高端航空构件的制造应用。

RTM工艺在起落架大型复杂构件制造中也面临若干技术瓶颈。树脂在固化过程中的体积收缩不均匀，可能导致缩孔、缩水等缺陷，需要精确控制树脂配方体系和固化工艺参数。纤维预成型体的渗透率预测和树脂流动前沿的模拟控制，是确保充分浸润、避免干斑缺陷的关键。此外，模具设计、密封和脱模技术也是制约RTM工艺在起落架制造中规模应用的重要因素。

RTM技术还衍生出多种改进型工艺，如真空辅助树脂传递模塑（VARTM）、可控大气压力树脂浸渍（CAPRI）等，这些技术通过在传统RTM基础上引入真空辅助或压力可控机制，进一步降低了设备门槛，拓宽了在中等复杂程度起落架构件制造中的应用前景。

1.6 复合材料应用研究新进展

近年来，复合材料在起落架领域的应用研究呈现出材料体系多元化、结构设计一体化和功能集成智能化的显著趋势。柯林斯宇航公司持续聚焦短纤维增强热塑性复合材料及热塑性原位复合材料的研究，这类材料兼具良好的抗冲击性和抗疲劳性，已在eVTOL（电动垂直起降）飞行器的CFRP管状起落架结构中实现应用——该结构能有效吸收坠撞冲击能量，减少加速度峰值，大幅提升整机适坠性能。王翔华等设计的三维机织复合材料板簧式起落架，在满足强度与挠度要求的前提下，较强度相近的4340钢板簧式起落架减轻30%。GKN Fokker公司则专注于增强型CFRP起落架部件的开发，以推动航空制造的绿色可持续发展。小鹏汇天“旅航者”采用玻碳混编板簧式起落架，兼顾起降所需的高强度与减震缓冲所需的韧性。

在天然纤维复合材料方面，Biogear项目将CFRP应用于起落架与直升机连接的弯曲上部，用于抵抗变形并保持结构完整性，同时采用80%亚麻纤维增强聚合物作为支撑结构，实现了整体减重54%的突破性效果。这一案例表明，天然纤维增强复合材料在起落架次承力件和支撑结构中具有可观的轻量化潜力，同时也为航空制造业的低碳化和循环经济转型提供了可行路径。

SAE International于2025年发布了关于复合材料在起落架次承力结构中应用的设计考量标准AIR6827，以及关于厚截面复合材料起落架结构件开发与认证的信息报告AIR5552A，标志着复合材料起落架的应用正从探索性研究走向规范化工程实践。这些标准体系的建立，将为复合材料起落架的适航认证和批量生产提供重要支撑。

二、增材制造技术在起落架领域的应用

2.1 技术概览：从粉末到构件的数字制造革命

增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术通过逐层堆积材料的方式直接成形三维实体零件，突破了传统“减材制造”对几何构型的限制，为起落架复杂构件的设计制造提供了全新的技术范式。在航空制造领域，增材制造技术的应用价值主要体现在三个方面：一是实现复杂内流道、拓扑优化结构和多零件集成设计，显著降低构件重量和装配复杂度；二是大幅缩短研发试制周期，加速设计迭代；三是在高价值零件的修复与再制造中展现独特优势。

当前，应用于起落架制造的增材制造技术主要包括选区激光熔化、激光熔化沉积和电弧增材制造等，其中前两种工艺的技术成熟度较高，已在起落架关键构件的制造和修复中获得工程验证。不同增材制造工艺在成形精度、沉积效率、适用材料等方面的技术特性差异显著，需根据具体应用场景进行选择。

2.2 选区激光熔化技术

选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术利用高能激光束按照预设扫描路径精确熔化金属粉末床中的粉末颗粒，使其在高能量密度下逐层熔凝成形，最终构建出三维实体零件。SLM技术的核心优势在于成形精度高（可达±0.1 mm）、表面质量好、构件致密度高，能够直接制造具有复杂内部结构和精细特征的金属零件。

在起落架制造领域，SLM技术已在多个层面实现工程应用突破。Safran公司采用SLM技术整体成形了大尺寸商用飞机前起落架的关键部件，将原本由3个锻件组合焊接而成的组件一体化制造，实现了约15%的减重效果。在起落架液压系统的歧管零件制造中，Arena团队通过SLM结合拓扑优化与流道集成设计，将传统多组件焊接结构重构为单件整体式歧管，在保证承压性能的前提下减少冗余材料，减重超过40%。在轻量化设计方面，研究人员将拓扑优化与SLM工艺相结合，实现了无人机起落架承载接头的轻量化设计与制造一体化，制造周期大幅缩短。

SLM技术在起落架应用中也面临若干技术制约。首先，粉末床尺寸限制了单次成形的构件尺寸，目前主流SLM设备的成形幅面约为250–500 mm，难以直接制造大型起落架主承力件。其次，成形过程中的快速熔凝循环导致构件内部产生较高的残余应力，需通过热处理等后处理工序进行应力释放。此外，粉末材料的成本较高，且粉末回收利用中的污染控制也是影响经济性的关键因素。

2.3 激光熔化沉积技术

激光熔化沉积（Laser Metal Deposition，LMD）技术通过激光束在基体表面形成微小熔池，同时将金属粉末或丝材同步送入熔池，按照CAD模型逐层堆积成形。LMD属于定向能量沉积（DED）类增材制造技术，与SLM相比，其突出优势在于沉积效率高、不受粉末床尺寸限制，且可在既有零件表面进行材料添加，因而在起落架零件的修复和表面改性领域具有独特价值。

在起落架修复应用中，LMD技术展现出显著的技术经济优势。航空起落架构件在长期服役中可能出现表面磨损、腐蚀坑点或疲劳裂纹，传统修复方式涉及大面积焊接或整体更换，成本高昂。LMD技术可精确控制热输入，在损伤区域局部沉积材料，最大程度减少热影响区和变形，实现高精度修复。北京航空航天大学采用LMD技术将A-100超高强度钢应用于飞机起落架的增材制造和修复，所制备构件的力学性能达到材料锻件水平，验证了LMD工艺在超高强度钢起落架制造中的可行性。

LMD技术还可用于起落架表面耐腐蚀涂层和耐磨涂层的施加。通过精确控制粉末成分和沉积参数，可在起落架关键摩擦副表面沉积功能梯度涂层，提升表面硬度和抗腐蚀性能。然而，LMD技术也面临若干技术挑战：大功率激光设备增加了制造成本；受热应力影响易产生气孔等内部缺陷；沉积态表面粗糙度较高，需进行打磨、抛光等后处理工序。

2.4 电弧增材制造技术的探索性应用

电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）利用电弧作为热源熔化金属丝材并逐层沉积成形。WAAM技术的核心优势在于沉积效率高（数倍于粉末床熔融工艺）、设备成本低、原材料利用充分，具备制造大尺寸金属零件的能力。该技术特别适合小批量大型构件的制造场景。

在英国航空航天技术研究所资助的空客A380起落架I-Break项目中，WAAM3D公司的WAAM技术被用于开发和制造主起落架结构部件，目标是替代传统大型锻件，将交付周期从数月压缩至数周，同时减少材料浪费和缩短生产周期。该项目计划于2026年完成，是WAAM技术在航空主承力构件制造中最重要的工程验证之一。然而，WAAM制造的零件可能因热输入不均匀而产生内部孔隙、残余应力等缺陷，对工艺参数的精确控制和在线监测提出了较高要求。

三、锻造技术在起落架制造中的持续演进

3.1 材料体系：超高强度钢与钛合金的双轨并行

尽管复合材料和增材制造技术快速发展，锻造工艺仍是大型客机和军用飞机起落架核心承力件不可替代的制造手段。起落架主支柱、外筒、活塞杆、扭力臂等部件几乎全部采用大型模锻件制造——这些构件需承受着陆时高达飞机自重数倍的冲击载荷以及长寿命周期内数百万次交变应力循环，对材料的强度、韧性和疲劳性能提出了极高要求。

超高强度钢是起落架锻造最核心的材料体系。其中300M钢因其优良的横向塑性、断裂韧度和抗疲劳性能，被广泛应用于航空航天起落架等高应力构件。300M钢的拉伸强度可达1.69 GPa，压缩强度达2.0 GPa，硬度约为52–55 HRC。然而，300M钢在大型复杂零部件锻造中面临变形抗力大、材料利用率低等挑战。国内用于起落架制造的国产超高强度钢有时会出现点状缺陷、硫化物夹杂、粗晶、内部裂纹等问题，反映出冶炼纯净度和过程控制的不足。300M钢的锻造温度通常需精确控制在1100–1250℃范围内，以达到目标强度和韧性组合，温度窗口的精细化控制是工艺优化的重点方向。

钛合金在起落架锻造中的应用日益广泛。钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、与复合材料结构相容性强等优势。F-35B/C型战斗机的钛合金锻件起落架在减重45 kg的同时提升了战场适应性。AG600水陆两栖飞机采用100级超高强钢锻件制造的起落架实现了2100 MPa强度要求。钛合金锻造面临的主要技术挑战在于其锻造温度窗口窄、变形抗力随温度变化敏感，需采用等温锻造或近等温锻造工艺以保证成形质量和微观组织控制。

3.2 工艺优化：从经验试错到科学控形控性

锻造工艺的核心在于通过塑性变形消除铸态疏松、气孔等缺陷，优化微观组织结构，使金属流线沿构件受力方向合理分布，从而提高材料的韧性和抗冲击性能。对于形状复杂的起落架构件，需在终锻前进行多步预锻工艺以逐步逼近最终形状，避免单次大变形成形导致的折叠和裂纹缺陷。

中国二重依托全球最大的8万吨模锻压机，实现了C919大型客机起落架外筒的30秒内一次锻造成形，并完成了新舟700起落架全套锻件的试制，奠定了国产民机核心部件自主化的装备基础。在工艺优化方面，二重万航公司开发了预锻件优化设计及局部控温控流技术，成功应用于主/前起落架外筒及活塞杆等的全流程制坯-模锻。德阳万航模锻的T字形荒坯倒角专利技术将打磨量降低30%以上，工序缩减20%，显著提升了生产效率。武汉天昱公司自主研制的“铸锻铣一体化”技术，成功制备了全球首款增材制造飞机起落架活塞杆轮轴，展示了增材制造与锻造技术融合的创新潜力。

在数值模拟与微观组织预测方面，研究人员针对300M钢大型飞机起落架锻件结构复杂导致微观组织难控的问题，开展了全流程数值模拟研究。结果表明，起落架锻件晶粒尺寸分布不均匀，端部中心和凸起部分区域发生动态再结晶且晶粒细化明显，而杆部动态再结晶程度较低、平均晶粒尺寸粗大。这些研究为锻件微观组织的精细化控制提供了科学依据。

3.3 等温锻造与精密模锻的技术突破

等温锻造是一种将模具和坯料维持在相同高温条件下进行塑性成形的精密锻造工艺。该技术消除了模具对坯料的激冷影响，使坯料在应变过程中的应变硬化基本消失，特别适合成形低温塑性差、锻造温度范围窄、变形抗力大的钛合金和镍基高温合金材料。在起落架制造中，等温锻造技术已成功应用于铝合金轮毂和钛合金关键构件的精密成形，实现了近净成形——成形后只需少量或无需加工即可达到零件最终尺寸要求，有效节约了贵重材料并缩短了制造周期。

精密模锻技术的核心追求在于减少锻后切削加工量、提高材料利用率和保证金属流线的连续性。大型航空关键构件整体精密模锻成形技术的研究进展表明，通过优化飞边桥部尺寸、合理设计荒坯形状、精确控制锻造温度和应变速率，可大幅减小锻造成形载荷，同时提高材料利用效率。C919起落架锻件的材料利用率已从传统工艺的约30%提升至65%以上。

四、飞机起落架材料挑战与发展展望

4.1 复合材料成形技术的待解难题

复合材料在起落架领域的规模化应用仍面临多重技术挑战。在高温高压和极端环境下，复合材料性能会出现显著下降，包括韧性退化、树脂与纤维界面浸润特性变差以及整体工艺性能波动等。起落架在着陆冲击和刹车热传导过程中所经历的瞬态高温和动态载荷，对复合材料的耐热性能和长期服役稳定性提出了严苛要求。此外，当前高性能复合材料（如高等级碳纤维预浸料）的原材料成本仍然偏高，限制了其在成本敏感型航空产品中的推广应用。天然纤维复合材料虽然在减重和环保方面具有优势，但其力学性能的批次稳定性和吸湿特性仍需进一步验证和改进。

4.2 增材制造技术走向工程化的关键瓶颈

增材制造在起落架领域的工程化应用面临三大核心障碍。其一，成形过程中的快速热循环导致零件内部产生残余应力和微缺陷，短时间内温度剧烈变化也会导致性能下降，在零件表面出现气孔或裂纹。其二，增材制造专用金属粉末价格昂贵，先进加工设备的一次性投入远超传统工艺，经济性优势尚不明显。其三，增材制造零件的适航认证难度大，相应标准体系、工艺评估方法和质量认证流程等仍有待完善。对于航空级安全关键部件而言，如何建立从原材料到成形工艺再到后处理的完整认证链条，是增材制造起落架走向批产必须跨越的壁垒。

4.3 锻造技术的精细化与智能化转型

锻造技术在起落架制造中的进一步优化，需在三个维度上持续突破。第一，锻造温度与模具材料的协同优化：开发新型热作模具钢和表面处理技术，延长模具使用寿命，降低模具更换频率和成本。第二，锻压设备的数字化与智能化升级：建立锻造全过程参数在线监控和数据采集系统，基于工艺大数据实现锻件质量的实时预测和工艺参数的智能调整。第三，超大吨位锻压装备的持续投入：大型模锻压机不仅可生产起落架锻件，还可同时生产机身整体框梁等大型结构件，减少焊接连接带来的性能劣化，提升飞机结构的整体性和可靠性。

4.4 技术融合发展与人才培养

展望未来，起落架制造技术将向多技术融合、全流程智能化和全生命周期绿色化的方向发展。在复合材料领域，应加强新型低成本复合材料体系研发，通过规模化生产降低材料成本，同时探索复合材料循环利用和再生制造模式，降低环境影响。在增材制造领域，需加快建立增材制造起落架专用标准体系，覆盖材料选择、工艺参数、质量控制和认证流程等环节，确保产品符合航空航天行业的认证要求；同时在增材制造过程中引入可在线检测气孔和缺陷的自动化监测设备，保障零件质量的稳定性和一致性。在锻造领域，应着力提升锻压设备的自动化水平和全流程数据采集能力，为工艺优化提供数据支撑；持续推进大型锻压装备能力建设，实现起落架与机身关键结构件的一体化锻造。

人才培养是支撑起落架制造技术持续创新的基础保障。应加强航空复合材料技术、增材制造技术和精密锻造技术的跨学科人才培养，建立产学研用协同的人才培养机制，为航天航空领域提供高素质的工程技术人才队伍。通过制造技术的持续创新与优化，飞机起落架的综合性能与市场竞争力有望实现质的跃升，为更加安全、高效、绿色的航空运输体系提供坚实的制造支撑。

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