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激光快速成型(3D打印)应用技术

2017/7/27    来源:互联网        
关键字:激光打印  

    技术原理:钛合金结构件激光快速成形技术,是以钛合金粉末为原料,通过激光熔化/快速凝固逐层沉积“生长制造”,由零件CAD模型一步完成全致密、高性能钛合金结构件的。传统工艺制造属于“雕刻”,做“减法”,铸锭-制胚-模具-模锻,材料利用率只有7%;增材制造,属于“塑造”,是做“加法”,材料利用率80%以上。激光打印出的零件,超过或者等同于锻件的性能,抗疲劳强度,比锻件高32-53%,疲劳裂纹扩散速率降低一个数量级,常规性能和锻件差不多,但高温、持久、抗疲劳性能比锻件好很多。这种加工方法,不能包打天下,适合难加工的、高性能的、贵的、别的方法做不出来的零件,优势是成本、周期、性能,这个方面我们走到了美国人前面。该技术是一种“变革性”的数字化、先进“近净成形”技术,为大型钛合金结构件的低成本、短周期、近净成形制造提供了一条新的技术途径,在先进战机、大型飞机、高推重比航空发动机、重型燃气轮机等重大工业装备的研制生产中具有重要的应用前景。增材制造,可以说是第三次工业革命。激光快速成形过程中零件变形开裂预防、内部质量(内部缺陷、晶粒及显微组织等)及力学性能控制、工程化成套装备与过程控制、应用技术标准等是制约飞机大型整体钛合金结构件激光快速技术走向工程应用的关键技术难题。金属3D打印所有人都是一样的思路,金属粉末输送,激光烧结成型。但是金属粉末到底颗粒多大,30微米还是50微米,激光到底怎么加,功率多大,什么波长,是持续还是用连续脉冲,脉冲给多长,烧结到多少温度,之后怎么降温,这些才是技术重点,肯定也是无数次实验才得到的结果。至于大功率激光器,那完全就是一通用工具而已。将来增材制造的普及的确会带来巨大的便捷。只要有一台3D打印机,懂得编程的自己DIY,不懂编程的网上搜一下文件,就可以在家里制造出各种形状摆件、用品,满足不同的个性化需求,对家庭日用品制造业将产生一定的冲击。但王华明在讲座中说过,增材制造不能包打天下,适合难加工的、高性能的、贵的、别的方法做不出来的零件,优势是成本、周期、性能,对于一般制造业来说,传统制造的优势依然明显,一套模具开发起来虽然费时费力,不过一旦大规模生产,其效率远非增材制造可比,而且费用也比增材制造大大降低。

    国外进展:最早日本于1979年提出“快速原型”这个概念,经过了将近十年的酝酿,世界上第一台该领域实用设备于1988年诞生于美国,随后增材制造的各种工艺如雨后春笋般层出不穷,累计有十几种之多。受到能量束稳定功率及计算机发展水平的制约,最开始的增材制造工艺只适合于木料、树脂、塑料等原材料的快速成型。随着科技的不断进步,金属材料逐渐进入人们的视线,特别是上世纪90年代初美国率先开展基于激光熔覆成型的工艺研究把增材制造提升到一个全新高度,追求复杂结构、优良力学性能的金属直接成型工艺成为了增材制造领域研究的热点。诚然,美国最早开始研究这一热点方向,1985年就开始偷偷地研究,并很接近成功,干了20多年,只能做小玩艺,大的不行,现在多数只能做激光修复。美国于整体结构件5平方米,美国做不了,f22的机翼和机身连接件,超大超复杂的钛合金构件,因为太复杂20、30万吨的水压机也做不出来,美国人就分成三个铸件,然后热等静压再焊接,铸件的性能很差,但美国人没办法,f22就是这样用的。在解决激光成形过程中零件严重“变形开裂”和内部缺陷和内部组织”控制等长期制约该技术发展的重大“瓶颈难题”上,除北京航空航天大学取得了可喜突破外,国内外迄今一直未能取得实质性进展,致使目前大型金属构件激光快速成形技术研究在国际上落入“低潮”,国际上大部分从事激光快速成形技术研究的单位大多转向零件“激光修复”领域。2012年奥巴马在卡内基梅隆大学,宣布创立美国“制造创新国家网络”计划,成立15个制造创新中心组成网络,投资10亿美元。经过5个多月的论证最后还是选了“增材制造”作为第一个中心的研究方向。

    中国领先:最终将“增材制造”发扬光大并占领制高点的却是来自中国的研究人员。我国钛合金激光快速成形技术,2012年,北京航空航天大学王华明教授,在中科院“科学与技术前沿论坛”上作了一次《飞机钛合金激光快速成型的应用》的讲座,这是中科院院士搞的一系列讲座,曝出一个石破天惊的巨大秘密――中国的激光快速成型(3D打印)应用技术领域已经走在了美国人的前面,成为世界唯一掌握并实现装机工程的国家。建立了工程化成套装备和标准体系(9种材料,57个标准),2004年开始全面运用。已经解密的王华明工艺进展:

    ①突破了飞机大型主、次承力钛合金结构件激光熔化沉积制造关键技术。在国家自然科学基金“重点”及“杰出青年基金项目”、国家973计划专题、国家863计划课题、国防基础科研重大项目等的重点支持下,自1998年以来一直致力于钛合金、高温合金、耐热高强度钢、超高强度钢、金属间化合物合金等先进航空金属结构材料及其梯度材料激光熔化沉积成形工艺、成套工艺装备及工程化应用关键技术的研究,自主研制成功国内首套、具有自主知识产权的“自由平面接触/动态密封/惰性气氛保护”钛合金结构件激光快速成形成套工艺装备系统。突破了飞机钛合金次承力结构件激光熔化沉积制造工艺及装机应用关键技术,激光熔化沉积制造TC4、TA15、BT22、TC2等钛合金室温及高温拉伸、光滑疲劳等力学性能达到钛合金锻件水平,而高温持久及缺口疲劳等力学性能显著超过锻件,特别是激光熔化沉积制造角盒等飞机构件疲劳寿命大幅超过钛合金锻件对比件,独立制定出了我国首套激光熔化沉积制造飞机钛合金结构TAl5钛合金角盒、飞机座椅上下支座、腹鳍接头等飞机钛合金结构件,已成功实现在多种重点型号飞机上的应用,零件材料利用率提高了5倍、制造周期缩短了2/3、制造成本降低了1/2以上!使我国成为继美国之后(2001年)、世界上第2个掌握飞机钛合金结构件激光熔化沉积制造及装机应用技术的国家!近期在飞机大型主承力钛合金结构件激光熔化沉积制造工艺、过程控制、长期工艺稳定性及构件质量保障等系列核心关键技术上取得了突破性进展,成功激光快速成形制造出了零件单件重量逾46kg的多种飞机大型关键钛合金结构件及尺寸达1700x360x240mm的飞机大型复杂主承力关键钛合金全尺寸构件。此外,还掌握了多性能梯度材料零件激光熔化沉积制造关键技术,激光熔化沉积制造出了Ti/TA15、TA15/TiAL、TC4/TA15/BT22、GH4141/1CR12Ni2WMoVNb、Rene95/1Crl 8Ni9Ti等多种梯度材料钛合金及TiAI金属间化合物零件样件及直径达550mm、具有快速凝固径向定向微细柱状晶梯度组织的镍基高温合金发动机涡轮盘样件。

    ②突破了难熔金属材料激光约束熔化沉积制备与成形技术。W、Mo、Nb、Ta等难熔金属合金及MoSi2、Nb5Si3、W5si3、T如Si3等难熔金属间化合物基合金等熔点极高的金属材料,往往只能采用粉末冶金方法制备与成型。本实验室利用激光束能量密度高而集中的特点,发明了适用于难熔金属材料铸锭与零件快速熔化沉积成形、具有无接触污染、无电极污染、合金元素无烧损、无夹杂物、无缩孔及疏松、组织致密、无宏观偏析等突出优点的“激光约束熔铸成型新工艺”并成功应用于W基合金及W/W5Si3、W/W2Ni3Si、Mo/MoSi2等难熔金属增强难熔金属硅化物基高温及超高温“原位”复合材料的制备及铸锭的激光约束熔炼与成型,该技术可望为难熔、高活性、高纯净合金材料的制备与零件成型开辟一条新途径。

    ③突破了定向柱晶高温钛合金激光约束熔铸成形技术。由于高温下钛的高度化学活泼性,定向凝固过程中高温钛合金熔体几乎会与所有高温耐火材料模壳发生严重的化学反应,再加上钛合金的导热系数很低,难以抑制凝固界面前沿熔体自型壁表面的形核和难以稳定地在液一固界面前沿建立并维持定向凝固所需的冷却速度与温度梯度,迄今为止,国内外均无法实现钛合金的定向凝固。王华明的实验室发明了国际首创的“激光区域约束熔铸定向凝固柱状晶钛合金制备与成形新方法”,制备出具有几乎无发散度或低发散度挺直柱状晶组织和优异高温力学性能的定向生长柱状晶高温钛合金新材料,与等轴晶变形钛合金相比,激光约束熔铸成形柱晶钛合金高温持久寿命最大提高幅度超过一个数量级。对于王华明讲座中讲到的“整体叶盘”是真正意义上的整体叶盘,而不是传统定义的“整体叶盘”,传统定义的整体叶盘是指涡轮盘(或压气机盘)通过粉末冶金整体成型,涡轮叶片单独定向凝固成型,然后用线性摩擦焊将叶片焊接在涡轮盘上,由于这种工艺未采用榫固定叶片,看起来叶片和涡轮盘像是一体的,因此称为整体叶盘,而王华明教授说的发动机整体叶盘是典型的梯度功能材料应用,所谓梯度功能材料就是指一个构件的不同部位力学性能要求不一,其组成成分呈现明显的梯度过渡分布,说得直白一点,就是一件东西的不同部位使用不同材料,叶盘(包括叶片)一体成型,不同部位用不同材料,通过控制晶体生长的方式,逐渐平滑过渡,这才是真正意义上的整体叶盘。

    ④突破了钛合金激光表面改性技术。钛合金具有密度低,比强度高,屈强比高,耐蚀性优异、高温力学性能优异、生物相容性好等突出性能特点,在航空、航天、船舶、兵器、石化、海洋、电力、生物医学工程等具有广阔的应用前景。但钛合金也存在着摩擦系数高、耐磨性低、易粘着、高温高速摩擦易燃(“钛火”)等固有缺点,严重限制了钛合金在航空发动机等先进国防装备中作为高温摩擦磨损运动副零部件的应用和钛合金优异力学性能潜力的发挥,由于摩擦、粘着、磨损、氧化等失效行为均起源于钛合金零件表面,因此,采用先进的表面工程技术,直接在钛合金零件表面制备一层有低摩擦系数、优异粘着磨损及磨料磨损性能、优异抗氧化性能、涂层同钛合金零件基材之问为牢固冶金结合、涂层性能及涂层厚度根据需要可灵活控制的特殊材料表面改性层,无疑是在保持钛合金固有性能优点的条件下,有效解决钛合金摩擦系数高、摩擦系数不稳定、室温耐磨性及高温耐磨性低、高温抗氧化性能低等固有性能缺点最有效的方法之一。北京航空航天大学“激光材料加工制造技术实验室”,针对航空发动机等国防装备关键钛合金零部件的工作条件,近年来一直从事钛合金激光表面合金化及激光熔覆技术表面改性技术的研究及应用,成功研究出同时具有低摩擦系数、优异耐磨性能、NiTi2、Ti5Si3FFi2Ni3Si、Ti2Ni3Si、Cr3NisSi2/Crl3Ni5$i2等金属硅化物增强金属间化合物多功能高温耐磨耐蚀涂层新材料,使钛合金耐磨性大幅提高100~790倍之多、摩擦系数降低近50%,为钛合金在航空航天、海洋、石油化工等机械装备中作为摩擦磨损关键机械运动副零部件应用奠定了耐磨涂层材料与表面工程技术基础,部分成果已在高推重比航空发动机关键高温运动副零部件上得到应用。

    ⑤突破了过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层技术。航空、航天、兵器、船舶等先进国防装备中,大量关键高温运动副零部件,在高温氧化、腐蚀、热腐蚀等恶劣环境条件下承受强烈摩擦磨损作用,服役条件十分恶劣,对材料性要求十分苛刻,急需同时具有优异高温耐磨性能、优异高温抗氧化与抗热腐蚀性能、低摩擦系数、优良高温自润滑性能、优异高温摩擦学相容性及优异高温长期组织稳定性等性能配合的高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及其优质涂层(组织完全致密、涂层与基材问完全冶金结合)制备新技术。目前国内外广泛研究和应用的NiCr-Cr3C2,Co—WC,NiCr-Cr203,CoCr-Cr203,NiCr-A1203等热喷涂涂层,由于其材料脆性较大、对配偶摩擦副的磨损严重、摩擦学相容性差、另外,上述涂层都只能采用热喷涂等方法制备,由于涂层组织中不可避免地存在一定量的疏松、微裂纹、孔隙等缺陷、特别是涂层与零件基材之间实际上是机械结合,在接触机械应力及热应力联合作用下容易脱落现象,难以满足高推比发动机等先进国防装备中大量关键高温耐磨运动副零部件的性能要求。北京航空航天大学“激光材料制各与成形实验室”,针对高温耐磨运动副零部件的工作条件与性能要求,从摩擦学、耐磨材料与表面工程观点出发,利用过渡金属硅化物的独特物理化学性质,在国际上提出了“过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及其优质涂层激光熔覆制备技术”研究新领域,成功研究出了Cr3Si/Cr2Ni3Si、CrsSi3/CrSi、M02Ni3Si/NiSi,Ti2Ni3Si/NiTi, Crl3NisSi2,Ti5Si3/NiTi2、Ni2Si/NiSi等同时具有优异耐磨、耐蚀、耐热腐蚀、耐氧化、低摩擦、不粘金属、“反常磨损载荷特性” (磨损量几乎不随磨损载荷的的增加而变化)、“反常磨损速度特性”(磨损量随磨损滑动速度的增加而减小)、“反常磨损温度特性”(磨损量随磨损试验温度的增加而减小)等特殊性质的多元多相过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层材料新体系及其优质涂层激光熔覆制备新技术,在航空发动机、石油、化工、船舶等机械装备耐磨运动副中具有广阔的应用前景,部分研究成果已在多种先进航空发动机关键高温耐磨运动副零部件上得到应用。王华明的增材制造工艺是一项革命性的技术,这项工艺已经应用到中国多个型号新型飞机的研发,突破了原有诸多工艺瓶颈,同时极快地加大了飞机的装备速度,原来许多做不了的,现在能做了,而且做得更快、做得更好、更省费用。如果说北航之前其他所有技术都是点的突破,那么这项工艺就是面的突破,对中国甚至世界高端制造业的影响重大而深远,毫不夸张地说,这是航空制造业的工业母机。目前我国的激光快速成形技术至少在以下领域得到了实际应用:已经在11B上成功应用了;用于各型航空发动机(当然包括四代动力了);加工国产大飞机C919大型客机部件;在飞机大型主承力钛合金结构件激光熔化沉积制造上,用于歼20战机上某重要承力部件,技术冻结状态就是采用激光快速成形技术制造,根本没考虑锻件替补备选,因为目前国内还没有制造如此大尺度整体钛合金构件的模锻能力。我国取得这么大进展,应该得益于“产学研”结合,2009年7月8日中航工业与北航签署战略合作框架协议,中航工业每年将出资1000万元,贵发与王华明开展先进中推涡扇发动机、风扇钛合金整体叶盘、激光近净成形及应用关键技术研究。“十五”期间,北京航空航天大学与沈阳飞机设计研究所等单位“产学研”紧密结合,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7月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在3种飞机上的装机应用,成为当时继美国原AeroMet公司之后世界上第二个实现激光快速成形钛合金结构件在飞机上实际装机应用的研究团队。“十一五”期间,北京航空航天大学在飞机钛合金大型整体主承力结构件激光快速成形工艺研究、工程化成套装备研发与装机应用关键技术攻关等方面取得了突破性进展[8],为有效解决激光快速成形钛合金大型整体主承力结构件“变形开裂”预防、“凝固组织和内部缺陷”控制和“力学性能”优化等一直制约该技术发展的 “瓶颈难题”找到了一条新路。我们激光成型就可以直接加工出大的零件,性能甩铸件几条街,可以毫不谦虚地说,这是迄今世界上性能最好的、结构最复杂的构件,美国人也只能是铸造,锻是不可能的,焊也不可能,因为焊出来的性能不行。航空发动机就是一肚子的整体叶盘,叶片和盘子分开来做重量太重,而我们现在可以叶片和盘子同时出来,而且叶片我们可以随心所欲控制组织,让它长成柱状晶,他的高温性能就很好,这里我们让它长成等柱晶,抗疲劳度就很好,如果温度再高,我们就可以换材料,它可以做到随心所欲,一种零件可以用很多种材料来做。2007年前王华蝗曾经和某飞机总设计师聊天,说我们可以快速设计飞机,都是整体、大型、超长的结构,在2、3个月内就把飞机造出来,不开一套模具,不打一个锻件,不做一个焊缝,也许有人认为这是个梦想,但实际上这已经不是梦想了,我们已经有这样的潜力,只是目前能力有限。这件事中国肯定在做。航空航天和大型机械装备关键零件的高性能修复,是激光立体成形技术的又一个重要应用领域,成都飞机公司、西安航空发动机公司和某飞机修理厂都已购买了西工大为他们的重要产品专门研制的激光修复设备,其中有的设备可以修复数米大的飞机零件。再回头看看知识产权、自主创新的价值:王华明团队与中航工业合作,成立了中航激光,面向军用领域,王华明团队持有30%股份,目前厂房已经完成,等待军工资质审批。此前,王华明依托北航大学的一级军工资质给军方提供大型钛合金构件,2011年实现收入7600万、利润3600万,2012年预计实现收入1.1亿、利润6000万,这还只是实验室的产能;王华明团队与南风股份合作,成立了“重型金属构件电熔精密成型技术项目”,面向民用领域,王华明团队持有31%股份,项目总投资1.68亿元,资金由南方风机研究所自筹,预计2014年量产。到2015年,王华明的身家将过亿,这就是知识创造财富啊。此外,西北工业大学黄卫东团队的激光立体成形技术助推我国大飞机钛合金零件制造,西工大工程中心最近通过激光立体成型技术为将于2014年投产,并在2016年投入运营的国产客机 COMAC C919 制造翼梁,使用钛金属制造,长度超过5米。

    激光设备:设备用的激光器我国目前主要还是进口,担心被美国人卡脖子,希望国家在大功率激光器上重视。全球最大的光纤激光制造商是美国IPG Photonics公司始创于1990年,2007年进入中国市场,是唯一能够量产数万瓦光纤激光器的公司,目前安装的最大功率高达36kW,应用在核工业领域,现在正在开发的升级版已经把功率提高到了50 kW,IPG光纤激光器之所以能够被市场快速接受,是因为其高达30%的电光转换效率,以及其产品免维护和长寿命。目前最大功率的工业用CO 2 激光器是法国焊接研究所研制的,功率为45kW。国内光纤激光器的研究始于上世纪90年代后期,南开大学在国内率先开展了光纤激光器方面的研究,随后上海光机所、中国兵装院、中电11所、西安光机所等单位在此方面进行了很多试验研究,但这些研究基本全都停留在实验室阶段,离产品化相去甚远。

责任编辑:张纯子
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