e-works数字化企业网  »  文章频道  »  先进制造技术  »  激光加工

金属材料激光增材制造技术及在航空发动机上的应用(一)

2017/10/18    来源:互联网    作者:刘业胜  韩品连  胡寿丰  柴象海  曹源      
关键字:金属材料  
随着增材制造技术的不断发展及技术的不断突破,研制零件的力学性能、疲劳性能等不断提高,其在工业领域,特别是航空航天领域必将具有非常广阔的应用前景。

    金属材料增材制造技术及其特点

    金属材料增材制造技术,又称3D 打印技术、激光快速成型技术,主要以金属粉末(尺寸小于1mm 的金属颗粒群)、颗粒或金属丝材为原料,通过CAD 模型预分层处理,采用高功率激光束熔化堆积生长(“增材制造”),直接从CAD 模型一步完成高性能构件的“近终成形”。金属材料增材制造技术,可分为激光直接熔化制造技术(Laser Melting Deposition,LMD)和选择性激光熔化技术(Select Laser Melting,SLM)。与传统的金属零件加工技术相比,金属材料增材制造技术有着无法比拟的优点,具体如下:

    (1)零件室温综合力学性能优异;

    (2)复杂零件制造工艺流程较传统工艺大大缩短;

    (3)无模具快速自由成型,制造周期短,小批量零件生产成本低;

    (4)零件近净成型,机加余量小,材料利用率高;

    (5)可实现多种材料任意复合制造;

    (6)激光束能量密度高,可实现传统难加工材料如TC4、Inconel718、17-4PH、38CrMnSiA 等的成型。

    金属材料增材制造技术是一门融合了计算机软件、材料、机械、控制、网络信息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”成型原理,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,在航空航天等装备预研与生产中具有广阔的应用前景,成为当前材料制备科学和先进制造技术学科领域国际前沿研究和竞争热点之一。

    金属材料增材制造基本原理

    1 LMD技术基本原理

    LMD技术作为增材制造技术的一种,是通过快速成型(Rapid Prototyping,RP)技术和激光熔覆技术有机结合,以金属粉末为加工原料,采用高能密度激光束将喷洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积,从而形成金属零件的制造技术。整个LMD系统包括激光器、激光制冷机组、激光光路系统、激光加工机床、激光熔化沉积腔、送粉系统及工艺监控系统等。

    LMD快速成型技术的基本原理为:首先,利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片;第二,提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强度等,并转换成相应的计算机数字控制程序;第三,将激光溶化沉积腔抽真空,并充入一定压力的惰性保护气体,防止粉末熔化时被氧化;第四,计算机控制送粉系统向工作台上的基板喷粉,同时激光器在计算机指令控制下,按照预先设置的扫描程序进行扫描,溶化喷洒出来的粉末,熔覆生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层;最后,激光阵镜、同轴送粉喷嘴等整体上移(或工作台下移)一个切片厚度并重复上述过程,逐层熔覆堆积直到形成CAD 模型所设计的形状,加工出所需的金属零件。

    2 SLM技术基本原理

    SLM技术作为增材制造技术的另外一种实施方式,由粉床选区激光烧结技术(SLS)发展而来,以金属粉末为加工原料,采用高能密度激光束将铺洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积,从而形成金属零件的制造技术。整个SLM 设备包括激光器、激光阵镜、粉末碾轮、粉末储存室、零件成型室等。

    SLM快速成型技术的基本原理为:首先,利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片;第二,提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强度等,并转换成相应的计算机数字控制程序;第三,将激光溶化沉积腔抽真空,并充入一定压力的惰性保护气体,防止粉末熔化时被氧化;第四,计算机控制可升降系统上升,粉末碾轮将粉末从粉末储存室推送到零件成型室工作台上的基板,同时激光器在计算机指令控制下,按照预先设置的扫描程序进行扫描,溶化铺洒在基板上的粉末,熔覆生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层;最后,粉末储存室上移而零件成型室下移一个切片厚度并重复上述过程,逐层熔覆堆积直到形成CAD模型所设计的零件。

    金属材料增材制造发展现状

    1 LMD技术发展现状

    1.1 LMD技术国外发展现状

    增材制造技术发展经历了3 个阶段,1892~1988 年的技术孕育期、1988 年开始的快速原型技术及20世纪90 年代初期以来的直接增材制造。1979 年,UTRC 提出激光立体成形技术概念并制作出航空发动机涡轮盘模拟件;1994 年起,Rolls-Royce探索航空发动机零件激光成形,另外英国利物浦大学和美国密西根大学、加拿大国家研究委员会集成制造技术研究所、瑞士洛桑理工学院、美国Sandia 国家实验室、美国Los-Alamos国家实验室、美国Aeromet 公司、美国宾州大学、英国伯明翰大学等都相继开展研究。由于LMD 同轴送粉效率高,材料致密性好,因此,越来越多的用于大型零件的增材制造及零件修复工作。

    国外有关大型零件增材制造技术的研究主要集中在美国。1995~2005 年间,在美国国防部先进研究计划署及海军研究办公室等部门的巨额资助下,美国约翰哈普金斯大学、宾夕法尼亚州立大学及MTS公司等对飞机钛合金结构件激光快速成形技术进行了大量研究并取得重大进展,在此基础上,1998 年由MTS 公司独资成立了专门从事飞机钛合金结构件激光快速成形制造技术研发和工程化应用的AeroMet公司,与波音、洛克希德· 马丁及诺斯罗普· 格鲁曼等美国三大军用飞机制造商合作,在美国空军“锻造计划”(Air Force’s Forging Initiative)、陆军制造技术计划(Army’s Mantech Program)、国防部“军民两用科技计划”(Dual Use Science and Technology Program)等资助下,致力于飞机钛合金结构件激光快速成形技术研究及其在飞机上的应用关键技术研究。2000 年9 月在波音和洛克希德· 马丁公司完成了对激光直接成形钛合金全尺寸飞机机翼次承力结构件研究,构件静强度及疲劳强度达到飞机设计要求;2001 年为波音公司F/A-18E/F 舰载联合歼击/ 攻击机验证机小批量试制了发动机舱推力拉梁、机翼转动折叠接头、翼梁、带筋壁板等飞机钛合金次承力结构件,其中F/A-l8E/F 翼根吊环满足疲劳寿命谱4 倍要求,随后静力加载到225% 也不破坏; 2002 年实现激光快速成形钛合金次承力结构件在F/A-18 验证机上的装机应用。此外,美国还将应用于F-22 接头的制造,试验结果表明其疲劳寿命高出寿命谱的两倍。

    在LMD技术取得一定突破的时候,国外还将该技术广泛用于损伤零件的修复,包括飞机零部件腐蚀零件、航空发动机磨损等零件的修复。美国AeroMet 公司采用激光成形技术完成了F15 战斗机中机翼梁的检修;美国Optomec Design 公司,采用激光成形技术进行了T700美国海军飞机发动机零件的磨损修复;瑞士洛桑理工学院采用激光成形技术修复单晶涡轮叶片。

    1.2 LMD技术国内发展现状

    我国在金属材料增材制造领域研究起步较早,技术研究及应用方面具有良好的基础,特别是在国家自然科学基金“重点项目”、国家“973”项目、国家“863”等重要研究计划重点支持下,增材制造技术得以快速发展。整个研究工作主要集中于北京航空航天大学、西北工业大学、北京有色金属研究总院、华中科技大学、清华大学等单位。其中在LMD 技术领域上主要以北京航空航天大学、西北工业大学等少数几家单位。

    在“十五”期间,北京航空航天大学突破了飞机钛合金次承力结构件激光快速成形工艺及应用关键技术,构件疲劳、断裂韧性等主要力学性能达到钛合金模锻件水平,2005年成功实现激光快速成形TA15 钛合金飞机角盒、TC4 钛合金飞机座椅支座及腹鳍接头等4 种飞机钛合金次承力结构件(如图1所示)在3种飞机上的装机应用。

    1

    图1 TC4钛合金座椅上下支座(上)和TA15腹鳍接头(下)零件实物照片

责任编辑:张纯子
本文来源于互联网,e-works本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载,为网友免费提供,并以尽力标明作者与出处,如有著作权人或出版方提出异议,本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们,以便我们及时纠正。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐