激光制造技術(shù)已成為新一代高端制造技術(shù)之一，增材制造(3D打印)，是運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)高端裝備制造突破的關(guān)鍵技術(shù)。但同時，工業(yè)上無法大面積推廣，卻讓浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院姚建華教授敏銳地察覺到“這里面一定有文章可做。”
作為浙江省高端激光制造裝備協(xié)同創(chuàng)新中心執(zhí)行主任，姚建華在激光技術(shù)領(lǐng)域早有建樹。幾年前，通過引進(jìn)烏克蘭的單元技術(shù)，該中心研發(fā)出了通過激光強(qiáng)化汽輪機(jī)葉片防水蝕能力，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化的汽輪機(jī)葉片防水蝕能力的重大突破，徹底地打破國外壟斷。而今，在國家自然科學(xué)基金-浙江“兩化融合”基金的推動下，姚建華團(tuán)隊(duì)提出了“基于超音速激光沉積的金屬增材制造技術(shù)基礎(chǔ)研究”，將目光瞄準(zhǔn)了“超音速冷噴涂+激光技術(shù)”這種新型的3D打印技術(shù)。
姚建華說，高端裝備制造是浙江省和國家未來發(fā)展的重要方向，但目前我國存在基礎(chǔ)研究薄弱、先進(jìn)制造手段缺乏、制造過程能耗大等問題，嚴(yán)重制約其發(fā)展，而作為實(shí)現(xiàn)這一突破的關(guān)鍵技術(shù)，3D打印由于存在著效率低、成本高及質(zhì)量難以控制三大難題，成為了現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸。
浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院姚建華教授介紹相關(guān)技術(shù)
瞄準(zhǔn)三大難題，結(jié)合先前經(jīng)驗(yàn)，姚建華團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新的將3D打印與超音速冷噴涂技術(shù)相融合，提出了超音速激光沉積技術(shù)，該技術(shù)利用了超音速激光沉積技術(shù)和激光熔覆技術(shù)的各自優(yōu)勢，具有沉積效率高、溫度低、成本低、性能高等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具潛力的新型金屬3D打印技術(shù)。
“就以汽輪機(jī)葉片為例，這項(xiàng)技術(shù)又可以讓它的防水蝕能力實(shí)現(xiàn)突破。”指著實(shí)驗(yàn)室里躺著的一個葉片，姚建華向記者介紹起來。具備高度防水蝕的汽輪機(jī)葉片在國際市場上單價賣到2-3萬歐元，相當(dāng)于一臺奧迪車的價格，而國內(nèi)一個百萬發(fā)電機(jī)組里面就需要用到一千多個不同型號的葉片。隨著使用時間的增加，葉片迎風(fēng)的部位會出現(xiàn)破損，這勢必要讓發(fā)電機(jī)組停機(jī)后進(jìn)行維修或者葉片的更換。
但是有了新型金屬增材制造技術(shù)后，這一現(xiàn)象就能得到根本的改觀。一方面，對現(xiàn)有葉片的維修成本能夠大大降低，將破損的葉片用強(qiáng)度更高的材料進(jìn)行金屬3D打印即可修復(fù);另一方面，在全新葉片的制造過程中，除了運(yùn)用激光表面強(qiáng)化外，在關(guān)鍵部位能夠用強(qiáng)度更高的材料進(jìn)行一體化打印制造，極大地提升葉片的使用壽命，預(yù)計(jì)用新型增材制造技術(shù)，其效率和性能比目前單一的激光3D打印至少增加數(shù)倍，而且成本不增反降。
姚建華說，目前課題組是國際上首個提出將超音速冷噴涂沉積與激光技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)金屬3D打印的觀點(diǎn)。在前期基礎(chǔ)研究基礎(chǔ)上，協(xié)同創(chuàng)新中心將聯(lián)合劍橋大學(xué)合作等國內(nèi)外頂級團(tuán)隊(duì)，通過對超音速動量場與高能激光束溫度場等多能量場耦合關(guān)系、沉積層顆粒和沉積層之間的固態(tài)結(jié)合機(jī)理以及增材制造形成過程中缺陷及應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制等科學(xué)問題的研究，獲得實(shí)現(xiàn)增材制造必須的工藝及質(zhì)量控制方法，打破現(xiàn)有金屬零部件增材制造技術(shù)瓶頸，最終利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)高端裝備關(guān)鍵零部件的高效率、高品質(zhì)、低成本智能化增材制造，為浙江乃至全國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
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