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激光增材制造技术在航空航天领域的应用与发展

2016/7/6    来源:互联网    作者:田宗军  顾冬冬  沈理达  谢德巧  王东生      
关键字:激光增材制造  激光熔化  锻压模具  
在简要阐述激光增材制造技术原理和特点基础上,介绍其在航空航天领域应用的主要工艺:激光熔化沉积(Laser Melting Deposition,LMD)技术、激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术,归纳了增材制造材料体系及其在航空航天领域的具体应用,并探讨了激光增材制造技术的研究现状和发展趋势。

    增材制造概念的提出始于20世纪80年代后期,我国则于90年代初期开始相关研究。经过短短20余年的时间,这一技术已取得了飞速发展,在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多领域的应用前景十分广阔。航空航天工业在20世纪80年代末开始使用增材制造技术,最初增材制造在航空制造业只扮演了快速原型的小角色。而最近的发展趋势显示,这一技术将在整个航空航天产业链占据战略性的地位。市场调查公司SmarTech Markets2014年初发布的报告中称,增材制造在航空航天领域未来10年的产业规模将达到12亿美元。增材制造技术之所以能在航空航天领域获得快速发展,主要是因为其不仅在无需模具和锻造的情况下帮助航空航天企业制造极其复杂的零件,一体成形大型承力结构件,减少零部件重量,缩短生产周期,而且能够减少设备所需要的零件数量,从而节省成本,提高可靠性。

    本文在简要阐述激光增材制造技术原理和特点基础上,介绍其在航空航天领域应用的主要工艺:激光熔化沉积(Laser Melting Deposition,LMD)技术、激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术,归纳了增材制造材料体系及其在航空航天领域的具体应用,并探讨了激光增材制造技术的研究现状和发展趋势。

激光增材制造技术原理与特点

    激光增材制造技术是一门融合了激光计算机软件、材料、机械、控制等多学科知识的系统性、综合性技术。采用离散化手段逐点或逐层“堆积”成形原理,依据产品三维CAD模型,快速“打印”出产品零件,彻底改变了传统金属零件,特别是高性能难加工、构型复杂等金属零件的加工模式。

    激光增材制造技术在航空航天领域主要应用于结构和功能性金属部件的快速制造,迄今为止发展比较成熟的工艺有激光熔化沉积技术和激光选区熔化技术。

1 激光熔化沉积(LMD)

    LMD技术作为激光金属增材制造技术的一种典型工艺,是将增材制造的“叠层累加”原理和激光熔覆(Laser Cladding)技术有机结合,以金属粉末为加工原料,通过“激光熔化-快速凝固”逐层沉积,从而形成金属零件的制造技术。其技术原理如图1所示,是利用激光的高能量使得金属粉末和基材发生熔化,在基材上形成熔池,熔化的粉末在熔池上方沉积,冷却凝固后在基材表面形成熔覆层。根据成形件CAD模型的分层切片信息,运动控制系统控制X、Y工作台、Z轴上的激光头和送粉喷嘴运动,逐点、逐线、逐层形成具有一定高度和宽度的金属层,最终成形整个金属零件。

图1 LMD工作原理

图1 LMD工作原理

2 激光选区熔化(SLM)

    激光选区熔化技术是由德国Fraunhofer研究所于1995年最早提出的,它与激光熔化沉积的主要不同点在于激光功率和加工原料供给方式。为了保证金属粉末材料的快速熔化,SLM技术需要高功率密度激光器,使光斑聚焦到几十到几百微米。其技术原理如图2所示,根据成形件的三维CAD模型的分层切片信息,扫描振镜控制激光束作用于成形缸内的粉末,一层扫描完毕后,活塞缸内的活塞下降一个层厚距离,接着送粉缸上升一个层厚的距离,铺粉系统的辊筒铺展一层厚的粉末沉积于已成形层之上。然后重复上述两个成形过程,直至所有三维CAD模型的切片层全部扫描完毕。这样,三维CAD模型经逐层累积方式可直接成形金属零件。

图2 SLM工作原理

图2 SLM工作原理

3 技术特点

    直接沉积增材制造技术具有以下特点:无需零件毛坯制备,无需锻压模具加工,无需大型或超大型锻铸工业基础设施及相关配套设施;材料利用率高,机加工量小,数控机加工时间短;生产制造周期短;工序少,工艺简单,具有高度的柔性与快速反应能。另外,采用该技术还可根据零件不同部位的工作条件与特殊性能要求实现梯度材料高性能金属零件的直接制造,适用于大型结构件或者结构不是特别复杂的功能性零件的加工制造。

    激光选区熔化技术可直接制成终端金属产品,省掉中间众多过渡环节;零件具有很高的尺寸精度及较好表面质量(Ra为10~30μm);适合各种复杂形状的工件,尤其适合内部有复杂异型结构、用传统方法无法制造的复杂工件;适合单件和小批量复杂结构件无模、快速响应制造。

激光增材制造材料体系及应用

1 可用于激光增材制造技术的航空航天材料

    (1)钛合金。航空航天用钛合金零件具有超大外形尺寸、成形加工性能差、制造工艺复杂的特点,且具有多品种、小批量和快速响应等要求,给传统加工带来了很大的困难,而激光增材制造技术恰恰可以满足这些要求。TC4钛合金在航空航天工业中主要用于框架、梁、接头、叶片等部件。该合金具有良好的热塑性和可焊性,非常适合激光增材制造。此外,激光快速成形出的TA15、TC21、TC18、TC2等钛合金先进飞机大型整体主承力关键结构件,TC11、TC17、Ti60等钛合金整体叶盘等航空发动机关键部件也已在飞机研制和生产中得到成功应用。

    (2)铝合金。对于力求减重、降低成本的航空航天领域来讲,铝合金一直是最主要的结构材料之一,特别是飞机制造业。然而,铝合金作为增材制造材料存在工艺难点:导热性能强、粉材质量太轻导致流动性太差、过高的反射率。德国Fraunhofer研究所于2013年已经成功攻克了该项技术难题,并且已经由EOS和Concept Laser等世界一流金属三维打印公司进行推广。现在可进行激光3D打印的铝合金材料有AlSi10Mg、A6061、AlSi12、AlSi12Mg,图3为SLM技术成形的轻质AlSiMg合金零件。另外,AlSi7Mg、AlSi9Cu3、AlMg4.5Mn4和6061等铝合金材料也已被研究和应用。

图3 SLM技术成形的轻质AlSiMg合金零件

图3 SLM技术成形的轻质AlSiMg合金零件

责任编辑:屈婷婷
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