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激光沉積制造技術(shù):沈航增材制造的探索與實(shí)踐

來源:中國(guó)航空新聞網(wǎng) 文章鏈接:中國(guó)機(jī)床商務(wù)網(wǎng) http://ww2017-03-06 我要評(píng)論(0 )   

航空、航天、電力、石化、船舶等現(xiàn)代工業(yè)高端裝備正向大型化、高參數(shù)、極端惡劣條件下高可靠、長(zhǎng)壽命服役的方向快速發(fā)展,致使其鈦合金、高溫合金等關(guān)鍵金屬構(gòu)件尺寸越...

作為增材制造技術(shù)一種典型工藝,激光沉積制造技術(shù)是增材制造技術(shù)的一種。
 

航空、航天、電力、石化、船舶等現(xiàn)代工業(yè)高端裝備正向大型化、高參數(shù)、極端惡劣條件下高可靠、長(zhǎng)壽命服役的方向快速發(fā)展,致使其鈦合金、高溫合金等關(guān)鍵金屬構(gòu)件尺寸越來越大、結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、性能要求日益提高,對(duì)制造技術(shù)及裝備的要求越來越高、挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻。采用鑄錠冶金+塑性成形等傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)大型、整體、高性能金屬構(gòu)件,不僅需要萬噸級(jí)以上的重型鍛造裝備及大型鍛造模具,技術(shù)難度大,而且材料切削量大、材料利用率低、周期長(zhǎng)、成本高。作為增材制造技術(shù)一種典型工藝,激光沉積制造技術(shù)是增材制造技術(shù)的一種,以合金粉末為原料,以粉末同步送進(jìn)為特征,通過激光熔化/快速凝固逐層沉積制造,由零件CAD模型一步完成全致密、高性能金屬結(jié)構(gòu)件的“近凈成形制造”。因其獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì),被譽(yù)為是一種“變革性”“控形/控性”一體化制造技術(shù),在航空、航天等重大裝備制造中具有廣闊發(fā)展前景。該技術(shù)材料利用率高,可實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能與鍛件相當(dāng)?shù)膹?fù)雜高性能構(gòu)件制造,且其同步材料送進(jìn)特征,還可實(shí)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)制造,可用于損傷構(gòu)件的高性能修復(fù)。
 
目前增材制造在向大尺寸構(gòu)件制造方向發(fā)展,如飛機(jī)上的大尺寸鈦合金框梁結(jié)構(gòu)件,隨著科技的進(jìn)步,構(gòu)件尺寸會(huì)越來越大,大型增材制造裝備需要大型機(jī)床,帶來巨大制造風(fēng)險(xiǎn);超長(zhǎng)距離的粉末輸送穩(wěn)定性難以保證,此外通過單純提高成形艙尺寸來滿足構(gòu)件的尺寸規(guī)格是不經(jīng)濟(jì)也是不現(xiàn)實(shí)的。增材制造過程中,不僅要考慮制件的應(yīng)力和變形預(yù)防問題,還要兼顧其成形精度和效率,而增材制造在修復(fù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等大型薄壁(修復(fù)部位最薄處約2mm)零件時(shí),不僅要考慮應(yīng)力集中、零件變形,還要考慮其結(jié)合部位性能弱化問題。此外,當(dāng)前鈦合金、高溫合金激光增材制造基本都是在剛性惰性氣體保護(hù)倉(cāng)中進(jìn)行,此法不能適應(yīng)修復(fù)零件尺寸變化范圍大的特點(diǎn),不利于零件的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù),降低了設(shè)備的利用率,增加了生產(chǎn)成本,因此對(duì)現(xiàn)有裝備也提出了新要求。
 
針對(duì)上述需求,沈陽(yáng)航空航天大學(xué)與中航工業(yè)沈陽(yáng)所、沈飛公司及中國(guó)航發(fā)黎明、東安公司深入開展合作,長(zhǎng)期致力于激光沉積制造技術(shù)研究工作,“十二五”期間得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(973)、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重大科技專項(xiàng)等課題支持,突破鈦合金、高溫合金、鋁合金等大型制件高效高精度制造、減小應(yīng)力和變形、實(shí)現(xiàn)柔性氛圍防護(hù)、保證增材組織一致性和制造結(jié)合區(qū)質(zhì)量等一系統(tǒng)重大難題,已授權(quán)激光沉積制造相關(guān)發(fā)明專利9項(xiàng),獲國(guó)防科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。
 
研制系列化激光沉積制造成套裝備:沈航全面突破了激光沉積制造工程化裝備的設(shè)計(jì)、制造及系統(tǒng)集成等技術(shù)。提出特種能量場(chǎng)融合激光沉積制造技術(shù),將超聲場(chǎng)、電磁場(chǎng)與高能激光有機(jī)耦合,提高增材制造效率的同時(shí),減小制造過程殘余應(yīng)力和冶金缺陷,提高制件精度、調(diào)控制組織提升力學(xué)性能。針對(duì)大型整體結(jié)高質(zhì)高效制造需求,創(chuàng)新性的提出動(dòng)態(tài)惰性氣體保護(hù)方法,突破設(shè)備限制,可成形超大尺寸構(gòu)件、進(jìn)行外場(chǎng)制造。
 
開發(fā)低應(yīng)力小變形激光增材制造工藝:激光沉積過程中劇烈的、循環(huán)加熱/冷卻條件下,在零件內(nèi)產(chǎn)生分布及演化極其復(fù)雜的應(yīng)力,導(dǎo)致零件嚴(yán)重翹曲變形甚至開裂,是制約增材制造的首要技術(shù)瓶頸。沈航提出特種能量場(chǎng)融合增材制造技術(shù)及基于紅外分區(qū)的激光沉積制造動(dòng)態(tài)掃描工藝方法,通過實(shí)時(shí)反饋沉積層面溫度分布,運(yùn)動(dòng)規(guī)劃激光掃描軌跡,顯著減小沉積過程溫度梯度,降低熱應(yīng)力、約束應(yīng)力和晶格儲(chǔ)存能,有效地控制沉積過程零件的變形和開裂,提升工藝穩(wěn)定性,拓寬工藝窗口。由沈航研制的激光沉積制造成套裝備已成功應(yīng)用于科研生產(chǎn)。
 
提出了在位局部熱處理的激光增材制造/修復(fù)制件的應(yīng)力消減和組織調(diào)整新方法,研制了基于感應(yīng)加熱器、紅外熱像儀及專用夾具的局部熱處理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了大型制件在位局部熱處理;顯著降低了殘余應(yīng)力、減小工件變形,保證尺寸精度、形狀精度和位置精度;同時(shí)優(yōu)化了組織,提高了力學(xué)性能。
 
建立全套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范:建立增材制造新技術(shù)在航空裝備應(yīng)用的全流程性能考核和質(zhì)量保障技術(shù)體系。完成了對(duì)增材制造零件試片級(jí)基本力學(xué)性能考核、模擬件的中試考核及全尺寸零件的綜合性能考核,性能指標(biāo)全部達(dá)到或超過鍛造鈦合金。建立從試片級(jí)試驗(yàn)到全尺寸件綜合性能考核、從工藝到裝機(jī)的全套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,為全行業(yè)應(yīng)用打下技術(shù)基礎(chǔ)。
 
研究成果已在承力結(jié)構(gòu)件制造、運(yùn)維方面成功應(yīng)用,保障了批產(chǎn)和科研進(jìn)度,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。激光增材制造法制備的零件與采用傳統(tǒng)“鍛造+機(jī)加”方法相比,結(jié)構(gòu)減重達(dá)25%以上,應(yīng)力水平降低35%;生產(chǎn)周期縮短50%,材料利用率達(dá)到70%,生產(chǎn)成本降低30%。梁構(gòu)件修復(fù)區(qū)的強(qiáng)度指標(biāo)與基體相當(dāng);表面及外形尺寸符合設(shè)計(jì)要求、內(nèi)部質(zhì)量合格;與傳統(tǒng)氬弧焊修復(fù)方法相比,工件變形量減小70%;修復(fù)時(shí)間縮短90%;殘余應(yīng)力降低50%以上;同更換新件相比,激光沉積修復(fù)損傷結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)周期縮短90%;修復(fù)成本費(fèi)用平均僅為生產(chǎn)新件費(fèi)用的20%。

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激光沉積制造技術(shù)增材制造
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