金属激光选区熔化在航空领域的应用研究与展望

作者:未知

  摘  要:激光选区熔化技术是增材制造技术的一个重要分支,加强对激光选区熔化技术的工作原理、工艺影响因素、成形材料种类的研究十分必要。本文介绍了选区激光熔化技术的工艺原理及成形特点,针对金属激光选区熔化技术在航空领域研制生产过程及应用中存在的问题,提出了对策与建议,并对金属激光选区熔化技术在飞机研制生产过程应用进行了展望。旨在优化和提升航空领域零件的质量和稳定性,了解未来航空领域金属激光选区熔化技术的发展趋势,为其零件制造以及应用提供强有力的保障。
  关键词:增材制造  激光选区熔化  应用问题  材料
  中图分类号:V25                                文献标识码:A                    文章编号:1674-098X(2020)12(b)-0100-03
  Abstract: Laser selective melting technology is one of the additive manufacturing technologies. It is necessary to strengthen the research of the working principle of laser selective melting technology, process influencing factors, and the types of molding materials. This paper introduce the technological principle and forming characteristics of selective laser melting technology, and put forwards some countermeasures and suggestions aiming at the   problems in the application of the laser melting technology in the aviation field, and put forward the application of the laser melting technology in the aircraft development and production process. It aims to optimize and improve the material quality and stability in the aviation field, to understand the technical trend of metal laser selection in the aviation field in the future, and provide a strong guarantee in the manufacturing process.
  Key Words: Additive manufacturing; Laser selective melting; Application problems; Materials
  传统的金属零件制造方式共经历了三个阶段,即等材制造、減材制造以及增材制造。等材制造,是指运用传统的铸造、锻造等成形方式生产产品,其制造的零件重量基本保持不变。减材制造,是指使用车、铣、刨、磨等设备对原材料进行加工以达到设计要求的既定形状,其制造过程中原材料不断减少。增材制造,俗称3D打印,是一种“自上而下”通过软件切片以及材料逐层累加的制造方法进行零件生产,为采用传统制造方式无法实现加工制造的复杂结构件提供了一种新的途径。
  增材制造俗称3D 打印技术,是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进技术。利用离散/堆积的成形思想为核心,采用计算机专用处理软件对零件三维数模进行切片分层,获得各截面的轮廓数据后,利用高能量激光束逐层选择性地熔化金属粉末,通过逐层铺粉,逐层熔化凝固堆积的方式,实现三维实体零件制造。3D 打印原材料可以是粉末、线材、液体等;成形加工过程中采用的能量主要有激光束、电子束等。采用较多的三种直接成形技术主要包含:激光近净成形技术,激光选区熔化技术(SLM)以及电子束快速制造技术[1]。
  近年来,随着航空航天领域对零件轻量化、高效化以及可靠性的要求越来越高,复杂结构件以及精密结构件越来越多,对于这些零件的成形加工方式亦提出了越来越高的要求,传统加工方式已无法满足该类零件的生产要求。由于增材制造可根据零件三维数模,无需采用工装夹具等,其制造自由度高,且材料利用率高,使得其在航空航天领域的应用越来越得到重视,并已有多项零件制造案例。其中最为经典的案例是美国GE公司利用精密激光选区熔化成形技术生产的LEAP引擎内置3D 打印喷嘴,其取代了传统的由20个单独部分通过焊接组装形成的燃油喷嘴,其重量减轻了25%,满足了设计减重要求[1]。另一经典案例为美国F/A-18E/F“大黄蜂”战机翼根吊环的生产,其疲劳寿命可以达到疲劳寿命谱4倍要求,且在静力加载试验中,当载荷过载至225%时零件也未被破坏,完全满足了飞机使用需求; 同时,由于采用了3D打印技术,该零件相比于传统加工方式生产成本降低了20%~40%,零件生产周期缩短了80%[1]。英国也已经在空客A320 飞机上广泛使用3D 打印技术, 其中仅一个活页零件就可以为飞机减重10kg 左右,在保证达到力学性能要求的条件下减轻了飞机重量,节约了飞机制造成本,能够更好地满足飞机减重要求以及使用要求[2-3]。   在国内,金属3D成形技术也同样受到关注,北京航空制造工程研究所、西北工业大学、华南理工大学等单位都相继开展了相关方面的研究并获得一定成功。北京航空航天大学王华明院士进行了飞机大型钛合金结构件3D激光快速成形技术研究,成功制造出飞机结构件并已应用,使我国成为继美国之后世界上第二个掌握大型钛合金结构件激光快速成形技术的国家[4-6];中国商飞生产的C919飞机钛合金机翼梁采用激光近净成形技术3D 打印技术生产,经过各项严格性能测试,其静态力学性能大致等于甚至优于锻件性能。
  1  激光选区熔化技术(SLM)原理、工艺特点及技术控制
  激光选区熔化技术作为应用最为广泛的3D成形技术,整个成形分为前期软件处理和后期成形制造两个部分。首先利用计算机绘图软件(如CATIA ,UG等)绘制所需零件的三维模型,再根据成形需求添加支撑等辅助,对零件三维数模进行完善优化后通过专用软件对模型进行Z 轴方向的切片离散并规划激光束扫描路径,从而获得各个截面的轮廓数据,然后将得到的数据导入到3D 打印设备中,利用水平刮板将金属粉末均匀铺于基板上,设备按照这些轮廓数据,通过控制激光束有选择性地熔化一层金属粉末,使得金属粉末相互粘接并达到冶金结合,随后重复铺粉及成形过程层层堆积最终制得三维金属零件。成形过程全部处在惰性气体?;せ肪诚陆?,以避免金属粉末在高温下与空气发生反应。
  激光选区熔化3D 打印技术工艺特点如下。
 ?。?)成形零件自由度较高,由于成形过程中不需要工装及模具,因此可以不受零件复杂程度的限制,特别适合于小批量、单个个性化定制、异形结构件或薄壁件等采用传统工艺方法难以制造的金属零件。
 ?。?)成形周期短。采用激光选区熔化能直接制成近终端金属零件,不用进行后续处理或者只需进行简单的加工或表面处理即可,大大地缩短了零件的制造周期。
 ?。?)成形零件致密度高。采用激光选区熔化3D 打印技术制造的金属零件具有完全冶金结合的实体,成形零件的機械性能较优。SLM技术在成形过程中运用高能量的激光在较短的时间内对金属粉末进行热量的输入,快速提高金属粉末的温度并达到既定的熔点,实现快速的熔化过程。当高温的激光离开之后,熔化后的金属粉末会快速冷却凝固,实现与固体金属之间的冶金结合,由于粉末经过极热极冷的状态,其显微组织较为细小,从而可以获得良好的力学性能。
 ?。?)成形零件精度高。使用具有光斑小、高密度的激光器打印金属,使得金属零件具有很高的尺寸精度(达0.1mm)以及好的表面质量(Ra30~50μm)。
 ?。?)成形材料种类较多,主要为包含钛合金,铝合金,结构钢,不锈钢,高温合金等。
  采用SLM技术进行零件制造时,对于金属粉末的选择以及成形过程的监测都十分重要。由于金属粉末的制备方法众多,(如水雾化法、气雾化法、热气体雾化等),粉末状态复杂(如预合金粉末、混合粉末、单质粉末),在选用成形粉末的过程中应考虑设计性能要求,成形难度等多方因素,通过控制好粉末的颗粒度、形状、分布、流动性、孔隙率、热导率等,以利于后续成形进行。在成形过程中,可以通过辅助软件进行过程监测,主要监测成形过程中的扫描方式、激光功率、扫描间距、扫描层厚、扫描速度、基板预热温度、金属熔化温度等参数,并对成形后零件的残余应力、孔洞、精度以及组织性能进行测量、收集,两者关联以获得最优的成形工艺参数,在关键技术上做好设计、制造以及质量监督。做好SLM技术的运用和监测,可以拓展金属零件的制造方法,并提升金属零件成形质量的保障。
  2  金属激光选区熔化应用存在问题
  2.1  设计、验收等标准问题
  虽然金属激光选区熔化技术在航空、航天领域已经得到了一些应用,但目前国内缺乏统一的设计标准、材料标准、工艺标准及成形标准等的支撑。因此,建议行业内广大技术人员大力收集国内外增材制造技术的标准,引进、消化吸收,并通过相互合作积累数据,尽快建立国内3D 打印制造原材料、工艺以及验收标准等顶层体系文件,进而推动国内3D打印技术的发展。
  2.2 工艺技术问题
  行业内目前使用的设备主要有德国、美国以及国产设备,操作工艺相近,但存在如何进行数模参数优化、合理设置工艺支撑、基板处理、后处理以及缺陷预防等方面的数据积累。因此,建议加强企业及院校间的合作,对金属零件激光增材成形内部组织形成规律和内部缺陷形成机理等关键基础问题进行更加深入的研究,加强合金成形共性关键技术研究。
  2.3 与传统锻铸工艺融合不够
  金属激光选区熔化制件没有经过锻造,金属抗疲劳性能不足,制件组织易存在疏松、气孔和未熔合等缺陷,因为以上原因,在小尺寸零件制造中3D打印存在很大优势,但在大尺寸零件的制造上无法与大型锻件相比,因此无法进入大型复杂零件的高端应用。传统锻铸工艺在大型复杂零件的制造方面有着无与伦比的优势,为实现大尺寸复杂零件的制造,可以考虑将增材制造技术与传统锻铸工艺相结合,如零件结构大面积为平面状局部有突出耳片组织时,如采用锻造方法进行制造,则锻造成形材料利用率严重降低,此时可考虑以锻件作为基材进行3D打印,实现材料利用率的提高并可大大提升成形效率。在传统铸造方面,3D打印也大有作为,在铸件产品设计与试制以及快速模具制造方面可以将3D打印引入以实现更全面的应用。
  2.4 适航验证问题
  随着增材制造技术的不断发展和应用,增材制造制件应用在飞机和发动机上的部位越来越多,3D打印在关键部位的应用对飞机安全性影响挑战也越来越大,如何能够通过适航验证以保证3D打印零件在民机上的应用显得十分必要。目前在国内民机上已经开展一部分适航验证工作,但该部分工作仍处于起步阶段,大多都是基于对3D打印成形公司经验积累的参数进行验证,距离更全面的试验验证工作开展还有很大的进步空间。
  3  结语
  随着近些年金属增材制造技术的发展,针对以上问题,已经有大量工作开展。目前,中国航空综合技术研究所已计划开展一系列涉及设计、原材料、工艺、后处理以及成品零件的标准编制计划,且有一部分标准已经下发,这必将对国内增材制造技术的开展起到统领的作用?;锌萍即笱д藕E竿哦幼灾餮蟹⒖沟慕鹗?D打印“微锻铸”技术,将金属锻造、铸造和3D打印相结合以解决大型复杂零件制造。我公司也已开展了3D打印在熔模精密铸造上的应用,采用3D打印设备制造压型模具,可在很短的时间内试制完成铸件,同时也可利用增材制造方法制造复杂内腔的铸件模型,解决传统熔模铸造的一些难题。
  虽然金属增材制造仍然面临着统一标准、工艺成形技术、大型复杂零件应用及适航验证等方面的挑战,但是通过技术的不断进步,这些问题都将一步步被攻克,增材制造应用于设计制造一体化未来可期。
  参考文献
  [1] 刘焕文,张婷.金属增材制造技术在飞机研制生产中的应用综述[J].西飞科技,2017(3): 10-13.
  [2] 谭立忠,方芳.3D打印技术及其在航空航天领域的应用[J].战术导弹技术,2016(4):1-7.
  [3] 张渝,于建华,雷力明,等.航空发动机工艺研究及创新体系构建探讨[J].航空制造技术,2019,62(20):20-26.
  [4] 梁朝阳,张安峰,梁少端,等.高性能钛合金激光增材制造技术的研究进展[J].应用激光,2017,37(3):452-458.
  [5] 任慧娇,周冠男,从保强,等.增材制造技术在航空航天金属构件领域的发展及应用[J].航空制造技术,2020,63(10):72-77.
  [6] 王华明,张述泉,王韬,等.激光增材制造高性能大型钛合金构件凝固晶粒形态及显微组织控制研究进展[J].西华大学学报:自然科学版,2018,37(4):9-14.
  [7] 赵群力.航空科学技术学科发展研究[C].航空科学技术学科发展报告(2010-2011).中国航空学会,2011:14-40+164-169.
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