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北京精密不鏽鋼零件加工價格前沿應用激光增材(cái)製造鈦

時間:2022-09-02 09:33:47 點擊:681次

激光增材製造

鈦合金前景廣(guǎng)闊(kuò)

陳(chén)靜  張國豪

金屬高性能增材製造(zào)與創新設計工業(yè)和(hé)

信息化部重點(diǎn)實驗室

西北工業大學(xué)材料學院

鈦是繼鋼(gāng)、鋁(lǚ)、鎂之後正(zhèng)在蓬勃發展的(de)21世紀(jì)新型金屬。鈦的(de)密度僅為鋼(gāng)的60%,其比強度遠高於其他金(jīn)屬結構材料,同時具有無毒、無磁性、耐高溫、抗腐蝕、生物相容性好等特點。鈦合金(jīn)所具有的這些獨特特性(xìng),使其在航空航天、化工、電力、汽車、生物醫學等領域得到廣泛應用。另一方麵,由於鈦合金性質活潑,冷(lěng)熱加工困難,原材料及製品往往價格高昂。鑒於此,擺脫了模具(jù)、工裝(zhuāng)夾具束縛的(de)自由成形3D打印技術為鈦合(hé)金帶來了廣闊而光明的發展前景。

激光增材製造迎(yíng)來飛速

發展

增材(cái)製造(也被稱為3D打印)技術在過去三十年裏得到了快速發展,基於分層切片的逐層堆積(jī)成形技術,增材製造能夠方(fāng)便地實現從CAD模型到零部件實體的快速近淨成形。這一技術目前所使用的原材料(粉末,絲材,液體)和載能束(激光,電子束,電(diàn)弧等)較多,其中以激光為載能束,以金屬粉末或絲(sī)材為(wéi)原材料的激光增材製造技術被西方發達******列為重(chóng)點發展領域。

由於(yú)鈦合金本身具有(yǒu)導熱係數小(xiǎo)、激光吸收率大、凝固相結構簡(jiǎn)單的特點,使得激(jī)光增材(cái)製造鈦合金具有易熱累積、熱應力和(hé)相變應力小等特點,因此激光增材製造技(jì)術首先在鈦合金中獲得了應用突破。當前(qián)兩種主流的(de)激光增材製造鈦合金技術主要是激光立體成形(Laser Solid Forming, LSF)技術和選(xuǎn)區激光熔化(Selected Laser Melting, SLM)技術,其成形示意圖如圖1。

圖1. 兩種典型的(de)激光增(zēng)材製造技(jì)術原理圖

a.激光立體成形技(jì)術

b.選(xuǎn)區激光熔化技術

激光(guāng)增材製造鈦合金

組(zǔ)織性能特點

在激光增材製造過(guò)程中, 高能量密度的激光束在很短的時間內作用於很小的區域(yù),導致激(jī)光熔池(chí)及其熱影響區通常具有高的冷卻速率,通常可以達到102∼ 106 K/s左右,呈現典型的近快速凝固和固態相變特征。激光(guāng)增材(cái)製造的優異鑄態組織特(tè)征為成形構件表現出極高的力學性(xìng)能奠定了重要的技術基(jī)礎。

然(rán)而,在激光增材製造過程中,熔池中固液界麵前沿存在很大的正溫(wēn)度梯度,凝固組織宏觀上表現為貫穿多個沉積層呈外延生長的(de)粗大柱狀β晶(jīng)。此外,逐層沉積的工藝特(tè)點使成形件每一點所經曆的熱曆史複雜,晶內(nèi)亞結構的析出表現出(chū)明顯的不均勻性。這種組織特征導致3D打印結構件在承受載荷時表現(xiàn)出各向異(yì)性,損傷容限性能(néng)、疲勞(láo)性能等較鍛件低。

為(wéi)了促進激光增材製造鈦合金在實際(jì)生產中的有序應用,美國賓夕(xī)法尼亞州立(lì)大學、俄亥俄州立大學、英國伯明翰大學和諾丁漢大學、比利(lì)時魯汶大學、德國弗勞恩(ēn)霍夫激光(guāng)技術(shù)研(yán)究所、澳(ào)大利亞皇(huáng)家墨爾本理工大學和莫納什大(dà)學,以及中國西北工業大學、北京(jīng)航空航天大(dà)學、南京航空(kōng)航天大學、華中科技大學等針對激光增(zēng)材製造鈦合金展開了係統深入的研究。

激光增材製造鈦合金成形件的宏觀(guān)組(zǔ)織由貫穿多個熔覆層呈外延生長的粗大柱狀(zhuàng)胞晶組成, 胞晶間距達到百微米, 柱狀晶主(zhǔ)軸垂直於激光束掃描方向(xiàng)或略向光束(shù)掃描方向傾斜。初(chū)生柱狀(zhuàng)晶內微觀組織是由極(jí)少量針狀、大量的魏氏板條及一(yī)定體積分數的板條間β相組成。這種組織在承受載(zǎi)荷時往往表現(xiàn)出較明顯的各向(xiàng)異性,沿(yán)沉積高度方向拉伸時其強度低(dī)而塑性高,垂直於沉積高度方向拉伸(shēn)時則強度高而塑性低。

圖2. 激光增材製造鈦合金宏觀晶粒形(xíng)態的主動調控

西北工業大學和北京航空(kōng)航天大學(xué)深度挖掘激光增材製造工(gōng)藝特點,通過增大液固兩相區形核位數,使液態熔池等軸晶區增大,從而獲得全(quán)等軸晶,實現(xiàn)激光增材製(zhì)造全柱(zhù)狀晶到(dào)全等軸晶的可控轉變。圖2所示(shì)為激光增材製造高強(qiáng)鈦合金宏觀晶粒形態的主(zhǔ)動調控結果。隨後,進一步通過沉積過程(chéng)中對工藝參數的(de)調控以及(jí)後熱處理製度研究,基本實現了(le)晶內亞結(jié)構的均勻化和等軸化調控(kòng)。這些研究工作(zuò)努力的方向(xiàng)是提升激(jī)光增材製造鈦合金的綜合力學性能。

激(jī)光增材製造鈦合金

工程應用

鈦合金激光增材製造技術(shù)首先

航空航天領域(yù)得應用突破(pò)

中國在激光增材製造技(jì)術的(de)研究方麵(miàn)與歐美發達******同步,特別是在飛機大型複雜鈦合金構件的激光增材製造研究(jiū)和應用方(fāng)麵居於國際領先地(dì)位。

西(xī)北工業大學已(yǐ)建立了包括材(cái)料、工藝、裝備和應(yīng)用(yòng)技術在內的完整的激光增材(cái)製造技術體係,針對大型鈦合金構件的激光(guāng)增材(cái)製造(zào)服務於中國商飛C919、歐洲Airbus A380大(dà)型客機和(hé)美國(guó)GE 公司(sī)航空發動機研製(zhì),實現了一次性整體激光增材製造國際***大尺寸(3100mm)鈦(tài)合金構件,如圖3所示。2018年秋西北工業大(dà)學-空中客車增材(cái)製造聯合(hé)實驗室順利揭牌,這是Airbus公司首(shǒu)次(cì)與中國高校在增材製(zhì)造領域設立聯合實驗室,旨在為增材製造技術進一步應用在飛機製造領域奠定堅實技術基礎。

北京航空航天大(dà)學突破飛機鈦合金等高性能難加工金(jīn)屬大(dà)型整體主承力結構件激光(guāng)增(zēng)材製造工藝、裝備及應用關鍵技術,並已經在多個型號中獲得應用。南京航空航天大學和華中科(kē)技大學重點(diǎn)針對選區激光熔化裝備研發、專(zhuān)用材料設計和(hé)成形工藝及機理等方麵開展了較為係統的研究。

圖3. 激光增材製(zhì)造C919飛機中央翼緣條(tiáo)

激光(guāng)增材製造邁(mài)進批量定製化時代

近幾年來,隨著3D打印技術的長足發(fā)展,其應(yīng)用逐漸從傳統製造技術的替(tì)代者轉變為行業發展的引領者和驅動者,迎來了批量(liàng)化定製時代。質量、成本、效率成(chéng)為激光增材製造(zào)技術麵向工程應用的新一輪聚焦熱點。例如美(měi)國AMERICA MAKES確定的(de)增材製造目標為(wéi):完全按照設計(jì)要求實現一致的、可重複的產品組(zǔ)織和(hé)性能。

西北工業大學開(kāi)展了多層(céng)沉積條件下激光-粉末流-熔池耦合的匹配生長(zhǎng)穩定(dìng)特(tè)性研究,解(jiě)決了同步送粉激光增材製造高效、高精度(dù)、長時穩定沉(chén)積控製的國際性難題,顯著改善了尺寸精度和一致性,尺寸精度達到(dào)0.8mm/3000mm,尺寸精度離散(sàn)度<5%,力學性能離散度(dù)<5%。

鉑力特公司為推進選區激(jī)光熔化技術應對批量化(huà)需求,研發多光源SLM設(shè)備,與Airbus公司簽訂四激光器打印(yìn)飛機產品研發科研合作項目,將測試使用鉑力特自主研發的大尺寸(cùn)激光選區熔覆設備BLT-S500打印飛機結構件的能力(lì)。德國Flaunhofer激光技(jì)術研(yán)究所也在(zài)開發多光源SLM設備,以期顯著提升打印效率。

歐洲航天局提出了以實現高技術金屬產品(pǐn)的高效生產(chǎn)與零浪費(fèi)為目標的增材製造( AMAZE) 項目,以實現熔點在3500 ℃以下的金屬粉體在24 h內(nèi)增材製(zhì)造出高強度、輕質、大型金屬結構件,其沉積效(xiào)率高(gāo)達數kg/h。

德國EOS公司聯合Daimler AG(戴姆勒汽車)、Premium Aerotec(飛機零配件製造商)發起名為NextGenAM的新一代增材製造試驗性生產(chǎn)線項目,旨在探索金屬3D打印在批量生產中的自動化(huà)潛力。今年5月該項目成功完成,證明激(jī)光增材(cái)製造可以自動化的實現(xiàn)經濟、高效的批量生產,全自動化(huà)使製造成本降低了(le)50%。

結語(yǔ)

鈦合金激光增材製造技術首先在航空(kōng)航天領域(yù)獲得應用突破。當前,其應用逐漸從傳統製造技術的替代者轉變為(wéi)行業發展的引領者和驅動者,迎來了批量化定製時代。質量、成本、效率成(chéng)為激光(guāng)增材製造技(jì)術麵向工程應用(yòng)的新一輪聚(jù)焦熱點。

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END

公司在國內知名專家教授的引領帶動下,組建了一支國內******的超(chāo)精密技術研發團隊,研發團隊在超(chāo)精(jīng)密(mì)機床的單元技術、切削機理和工藝、成套技術及應(yīng)用工藝(yì)方麵具備豐富的技術經驗和實踐積累(lèi)。可為北(běi)京精密零件加(jiā)工北京鋁合(hé)金異型(xíng)件加工製造相關產業提供優質的技術服務。

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文/選自《中國激光界》

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