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激光快速成形技术在液体动力领域的应用前景(一)

2017/9/19    来源:互联网    作者:郑伟  李护林  陈新红      
关键字:激光快速成形技术  液体火箭发动机  复杂精密构件  
随着液体火箭发动机性能的不断提高,发动机核心构件呈现复杂、薄壁、多功能、整体化和轻质化等新特征,为发动机的研制与生产带来挑战,急需开展新工艺、新技术的研究来满足发动机的制造需求。激光快速成形技术是近年来迅速发展起来的一种新工艺,该技术使用激光作为热源,将金属粉逐层熔化,可直接制备出形状复杂、尺寸精度高、组织结构致密、性能稳定的金属构件,在液体动力产品制造上具有独特应用优势。介绍了激光快速成形技术的原理及分类,综述了其国内外研究现状及发展趋势,分析了该技术在液体火箭发动机上的应用优势,并阐述了其在液体火箭发动机上的应用前景。

    0 引言

    随着液体火箭发动机性能的不断提高,发动机核心构件呈现复杂、薄壁、多功能、整体化和轻质化等新特征,为发动机的研制与生产带来挑战,急需开展新工艺、新技术的研究来满足发动机的制造需求。20 世纪90 年代以来,随着激光技术、计算机技术、CAD/CAM 技术以及机械工程技术的发展,金属零件激光快速成形技术在激光熔覆技术和快速原型技术基础上应运而生,迅速成为快速成形领域内最有发展前途的先进制造技术之一,为液体火箭发动机复杂精密构件的快速成形带来新的思路。

    1 激光快速成形技术原理及分类

    激光快速成形技术是一种基于快速原型原理的数字化增材制造工艺。它将拟制造零部件的三维图形划分成一系列二维图形薄片,再控制激光的运动方式,通过激光加热产生相变、烧结、熔化等过程,逐层制造并叠加“生长”成为最终的三维零部件。该技术克服了传统制造工艺的限制,整个制造过程无加工废料、无需工装夹具,不需模具即可完成零件的精密成型。目前,激光快速成形技术已形成两类稳定的成形工艺:一类是基于自动送粉的激光熔覆沉积(Laser MeltingDeposition,LMD) 技术,利用激光熔化同步供给的金属粉末,采用特制的喷嘴在沉积基板上逐层沉积而成形零件;另一类是基于自动铺粉的选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM),利用高能激光熔化处于松散状态的粉末薄层(厚度通常<100 μm),通过逐层铺粉、逐层熔凝堆积的方式,成形任意形状高致密度三维零件。表1对SLM和LMD技术的性能参数进行了对比。

    表1 SLM及LMD技术性能参数对比

    1

    从表中可以看出,SLM 技术光斑直径小,成型精度较高,适合尺寸较小、结构复杂的精密构件近净成型,成型构件仅需进行表面光整即可使用。而LMD 技术光斑直径大,成型精度差,适合尺寸较大构件毛坯的成型,成型构件需进行机械加工才可满足最终使用要求。

    2 国内外研究现状

    2.1 SLM技术研究现状

    SLM技术是由德国Fraunhofer研究所于1995年最早提出,在金属粉末选择性烧结基础上发展起来的。作为战略性新兴产业,美国、德国等发达国家高度重视并积极推广SLM技术,由于该技术能解决传统加工技术难以克服的难题,在航空航天和国防等领域受到高度重视。美国政府于2012年启动和联合投资了国家增材制造创新研究院(NAMII)、BAE (英国国防与军工武器生产商)、Pratt & Whitely Rocketdyne (美国火箭发动机制造公司)、GE (美国通用电气)、Rolls-Royce(英国航空航天) 等一大批航天、航空及武器制造企业。如美国著名火箭发动机制造公司Pratt &Whitely Rocketdyne 以SLM 技术为基础对火箭发动机及飞行器中的关键构件制造技术全面重新评估。美国通用电气公司(GE)和英国Rolls -Royce公司用该技术完成了高温合金整体涡轮盘、发动机燃烧室和喷气涡流器等复杂精密构件的制造。目前,SLM的设备制造商主要集中在欧洲,如德国EOS、英国Renishaw、法国Phenix 及Irepa laser。其中,德国EOS公司拥有很大的市场占有率,该公司在全球范围内已经生产了400多套直接金属激光烧结系统。

    国内开展激光精密选区熔化成形技术的单位主要有华中科技大学、西北工业大学、华南理工大学等。各家单位均从材料成形工艺及成形装备的研制等方面展开了大量的研究工作。华中科技大学针对航空航天领域的需求,自主研制出了SLM设备样机,并对不锈钢、钛合金、镍基高温合金和镁合金等材料的成形工艺和性能进行了探索研究,所制造构件的致密度接近100%,最小尺寸精度可达±50μm,许多材料构件的机械性能都优于或与同成分锻件相当。西北工业大学在激光选区熔化成形机理、成形工艺、材料制备、后期处理、性能调控、装备开发方面进行了大量研究,其研制的不锈钢、钛合金等零件已在我国航空航天领域实现应用。

责任编辑:张纯子
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