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金属材料激光增材制造技术及在航空发动机上的应用(二)

2017/10/23    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。

    2 SLM技术发展现状

    2.1 SLM技术国外发展现状

    SLM技术由SLS技术发展而来,技术较为成熟且已研制出了商用的设备。目前,对SLM 技术的研究主要有德国、日本、比利时、美国等国家,并研制出了可商用的设备,如美国的PHENIX 公司;德国的TRUMPF、EOS、MCP 等公司、日本的MATSUUR 公司等。

    1995 年德国Fraunhofer 研究所首次提出SLM 增材制造技术,经过近7 年的技术研究,于2002 年成功利用SLM 工艺制造出了组织致密、成形精度高、力学性能良好的金属零件,并进行了商业推广。目前,在德国已有多家公司及单位推出了SLM设备。如德国的ILT 与TRUMPF 公司合作开发的SLM 设备。该设备采用半导体泵浦Nd :YAG250W 盘形激光器,激光波长为1030nm,光斑大小可变范围在20~40μm。德国EOS 公司推出的EOS M 400 设备。该设备采用Yb-fibre 激光器,功率为1kW,最小光斑为90μm,最大扫描速度可达7m/s。德国MCP 公司推出的MCP Realizer 设备,该设备采用固体光纤激光器,功率为100W,加工层厚度可达到30μm,可应用于金属片挤压工具、压铸模具、喷射模具和部分金属的快速成型

    日本Osakada 实验室研制的SLM 设备采用Nd :YAG 激光器,值功率3kW,平均功率50W,频率为50Hz,光斑直径为0.75mm。SLM铺层厚度为0.1mm,阵镜扫描速度3~4m/s。研制的金属零件致密度为92% ;抗拉强度较高,但抗疲劳性能较差。另外,MATSUURA 公司制造的SLM 设备采用500W 脉冲式CO :激光器,激光波长10640nm,能量峰值达1.5kW,频率可达100kHz。激光器光斑大小60μm。

    比利时鲁汶大学对SLM技术进行了深入研究,研发的SLM 装备采用300W 连续波或Q 调Nd-YAG 激光器,激光波长为1064nm,振镜扫描速度最高可达5000mm/s ;SLM 最小铺粉层厚可达10μm。

    2.2 SLM技术国内发展现状

    在SLM技术研究方面,在国家的项目支撑下,国内很多高校都开展了相关的研究,如华中科技大学、华南理工大学等,并取得了可喜的成绩。

    华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室及武汉光电国家实验室是国内最早从事SLM 技术的研究工作的单位之一。随着SLM关键技术的不断突破及在SLM 系统制造技术上不断创新,目前两个国家实验室都已成功研制出了自己的SLM 设备,并生产出了高精度的零件。成形与模具技术国家重点实验室先后推出了两套SLM 设备:HRPM-I 和HRPM-IIA。HRPM-I 设备采用IPG 连续模式200W 激光器,三维动态聚焦扫描阵镜,成形空间尺寸为250mm×250mm×250mm ;HRPM-IIA 设备采用IPG 连续模式500W 激光器,三维动态聚焦扫描阵镜,成形空间尺寸为250mm×250mm×250mm。设备制造的镍基高温合金致密度可达到 99% 以上;最大拉伸强度超过100MPa,超过同质锻件标准;零件表面粗糙度Ra达到20μm。另外,还生产出了多孔零件(长136mm× 宽20mm×高25mm 壁厚0.1mm)、发动机叶片、旋流器喷嘴等样件。武汉光电国家实验室自主设计和制造了NRD-SLM- Ⅰ、NRD-SLM- Ⅱ等设备。其中NRD-SLM- Ⅰ型设备成形尺寸范围:80mm×80mm×60mm ;NRD-SLM- Ⅱ型设备成形尺寸范围:320mm×250mm×250。生产的零件最小壁厚可达0.13mm,表面粗糙度Ra 为5~10μm,尺寸精度为±0.05mm,材料的致密度近乎100%。利用SLM技术,武汉光电国家实验室成功实现了多种薄壁网格结构、流道变截面零部件、多层复合整体叶轮、单叶轮零部件等样件3D 打印,如图6 所示。

    6

    图6 采用SLM技术打印的样件

    华南理工大学与北京隆源自动化成型设备有限公司及武汉楚天工业激光设备有限公司合作,在国内选择性激光烧结设备的基础上进行改进,开发了一种SLM 快速成型设备。该设备采用了额定功率200W、平均输出功率100W 的半导体泵浦YAG 激光器,通过透镜组将激光束光斑直径聚焦到100μm 左右。采用高精度丝杆控制铺粉,铺粉厚度控制精确,误差在±0.01mm 以内。采用整体和局部惰性气体保护的方法。所用软件包括AT6400 电机控制软件、Arps2000 扫描路径生成与优化软件、Afswin240 操作系统软件等。该设备的成型空间为80mm×80mm×50mm,制件尺寸精度达到±0.01mm。表面粗糙度Ra 为30~50μm,相对密度接近100%。

    金属材料增材制造在航空发动机上应用及发展趋势

    LMD 和SLM 技术具有高柔性化、设计制造一体化、高度自动化等特点,大大缩短零件的制造周期。材料使用广泛,可用于铝基、铁基、钴基、镍基、钛基、铌基材料;铼、铱、钽、钨等难熔金属;铜- 铝、TiAl 等金属间化合物;NiTi 等高加工硬化率材料,给传统的零件加工开辟出了一条崭新的道路。目前,增材制造技术已广泛应用于飞机零部件制造及零件修复。在飞机零部件制造上,已完成F/A-18E/F 舰载联合歼击/ 攻击机验证机发动机舱推力拉梁、机翼转动折叠接头、翼梁、带筋壁板等,F/A-l8E/F 翼根吊环F-22 接头,C919大飞机翼肋 TC4 上、下缘条、机角盒、飞机座椅支座及腹鳍接头等试制及部分零件装机应用。在零件修复上,成功用于F15 战斗机中机翼梁的检修、T700 美国海军飞机发动机零件的磨损修复、单晶涡轮叶片修复、合金导向叶片修复等。

责任编辑:张纯子
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