金属增材制作技能在航空范畴的展开与运用

发布时间:2021-11-24 03:33:54 来源:火狐体育电竞 字号

  航空工业在上个世纪80时代就开端运用增材制作技能,之前增材制作在航空制作业只扮演了做快速原型的小角色。最近的展开趋势是,这一技能将在整个航空航天产业链占有战略性的方位。 包含波音、空客、Lockheed Martin, 霍尼韦尔以及普惠都做出了榜样举动。

  新一代飞行器不断向高功能、高可靠性、长寿命、低本钱方向展开,越来越多地选用全体结构,零件趋向杂乱化、大型化,然后推进了增材制作技能的展开与运用。增材制作技能从零件的三维CAD 模型动身,无需模具,直接制作零件,能够大大下降本钱,缩短研发周期,是满意现代飞行器快速低本钱研发的重要手法,一起也是满意航空航天超规范、杂乱金属结构制作的要害技能之一。

  电子束熔丝堆积技能又称为电子束自在成形制作技能(Electron Beam Freeform Fabrication,EBF3)。在真空环境中,高能量密度的电子束炮击金属外表构成熔池,金属丝材经过送丝设备送入熔池并熔化,一起熔池依照预先规划的途径运动,金属资料逐层凝结堆积,构成细密的冶金结合,直至制作出金属零件或毛坯。

  (1)堆积功率高。电子束能够很简单完结数10kW 大功率输出,能够在较高功率下到达很高的堆积速率(15kg/h),关于大型金属结构的成形,电子束熔丝堆积成形速度优势非常显着。

  (2)真空环境有利于零件的保护。电子束熔丝堆积成形在10-3Pa真空坏境中进行,能有用防止空气中有害杂质(氧、氮、氢等)在高温状况下混入金属零件,非常适合钛、铝等活性金属的加工。

  (3)内部质量好。电子束是“体”热源,熔池相对较深,能够消除层间未熔合现象;一起,运用电子束扫描对熔池进行旋转拌和,能够显着削减气孔等缺点。电子束熔丝堆积成形的钛合金零件,其超声波探伤内部质量能够到达AA 级。

  (4)可完结多功能加工。电子束输出功率可在较宽的规模内调整,并可经过电磁场完结对束流运动办法及聚集的灵敏操控,可完结高频率杂乱扫描运动。运用面扫描技能,能够完结大面积预热及缓冷,运用多束流分束加工技能,能够完结多束流一起作业,在同一台设备上,既能够完结熔丝堆积成形,也能够完结深熔焊接。运用电子束的多功能加工技能,能够依据零件的结构方法以及使役功能要求,采纳多种加工技能组合,完结多种工艺协同优化规划制作,以完本钱钱效益的最优化。

  美国麻省理工学院的V.R.Dave等人最早提出该技能并试制了Inconel 718 合金涡轮盘。2002年,美国航空航天局(NASA)兰利研讨中心的K.M. Taminger 等人提出了EBF3 技能,要点展开了微重力条件下的成形技能研讨。同一时期,在水兵、空军、国防部等安排支持下,美国Sciaky 公司联合Lockheed Martin、Boeing 公司等也在一起期协作展开了研讨,首要致力于大型航空金属零件的制作。成形钛合金时,最大成形速度可达18kg/h,力学功能满意AMS4999 规范要求。Lockheed Martin 公司选定了F-35 飞机的襟副翼梁准备用电子束熔丝堆积成形代替铸造,预期零件本钱下降30%~60%。据报道,装有电子束熔丝堆积成形钛合金零件的F-35 飞机已于2013 年头试飞。2007 年美国CTC公司领导了一个归纳小组,针对水兵无人战斗机方案,拟定了“无人战机金属制作技能进步方案”(N-UCASMetallic Manufacturing Technology Transition Program),选定电子束熔丝堆积成形技能作为未来大型结构低本钱高效制作的方案。方针是将无人机金属结构的分量和本钱下降35%。

  中航工业北京航空制作工程研讨所于2006年开端电子束熔丝堆积成形技能研讨作业,开发了电子束熔丝堆积成形设备。开发的最大的电子束成形设备线 轴联动,双通道送丝。在此基础上,研讨了TC4、TA15、TC11、TC18、TC21 等钛合金以及A100超高强度钢的力学功能,研发了许多钛合金零件和实验件。2012 年,选用电子束熔丝成形制作的钛合金零件在国内飞机结构上首先完结了装机运用。

  激光直接堆积技能是在快速原型技能和激光熔覆技能的基础上展开起来的一种先进制作技能。该技能是依据离散/ 堆积原理,经过对零件的三维CAD 模型进行分层处理,取得各层截面的二维概括信息并生成加工途径,在惰性气体保护环境中,以高能量密度的激光作为热源,依照预订的加工途径,将同步送进的粉末或丝材逐层熔化堆积,然后完结金属零件的直接制作与修正。

  由激光在堆积区域发生熔池并高速移动,资料以粉末或丝状直接送入高温熔区,熔化后逐层堆积,称之为激光直接堆积增材成形技能。该技能只能成形出毛坯,然后依托数控加工到达其净尺度,因为适合加工大型零件,送粉式的LENS技能在航空航天零件修正范畴有着不行代替的效果。

  激光直接堆积技能的特色如下:(1)无需模具;(2)适于难加工金属资料制备;(3)精度较高,可完结杂乱零件近净成形;(4)内部安排细微均匀,力学功能优异;(5)可制备梯度资料;(6)可完结损害零件的快速修正;(7)加工柔性高,能够完结多品种、变批量零件制作的快速转化。

  在我国,西安铂力特的LSF设备便是这类技能的代表。除此之外,典型企业还有美国的OPTOMEC公司,法国BeAM公司,德国通快以及专为CNC机床公司供给增材制作包的HYBRID公司。

  激光直接堆积技能是20世纪90 时代首先从美国展开起来的。1995 年,美国Sandia 国家实验室开发出了直接由激光束逐层熔化金属粉末来制作细密金属零件的快速近净成形技能。尔后,Sandia 国家实验室运用LENS 技能针对镍基高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、东西钢、钨等多种金属资料展开了许多的成形工艺研讨。1997 年,Optomec Design 公司取得了LENS 技能的商用化答应,推出了激光直接堆积成套配备。1995 年,美国国防部高档研讨方案署和水兵研讨所联合出资,由约翰霍普金斯大学、宾州州立大学和MTS 公司一起开发一项名为“钛合金的柔性制作技能”的项目,方针是运用大功率CO2 激光器完结大尺度钛合金零件的制作。依据这一项意图研讨成果,1997 年MTS 公司出资与约翰霍普金斯大学、宾州州立大学协作成立了AeroMet 公司。为了进步堆积功率并出产大型钛合金零件,AeroMet 公司选用14~18kW 大功率CO2 激光器和3.0m×3.0m×1.2m大型加工舱室,Ti-6Al-4V合金的堆积速率达1~2kg/h。AeroMet 公司取得了美国军方及三大美国军机制作商波音、洛克希德·马丁、格鲁曼公司的赞助,展开了飞机机身钛合金结构件的激光直接堆积技能研讨,先后完结了激光直接堆积钛合金结构件的功能查核和技能规范拟定,并于2002 年在世界上首先完结激光直接堆积Ti-6Al-4V 钛合金次承力构件在F/A-18 等飞机上的装机运用。

  自“十五”开端,在国家自然科学基金委员会、国家863 方案、国家973 方案、总装预研方案等国家首要科技研讨方案赞助下,北京航空航天大学、西北工业大学、中航工业北京航空制作工程研讨所等国内多个研讨安排展开了激光直接堆积工艺研讨、力学功能操控、成套配备研发及工程运用要害技能攻关,并取得了较大展开。

  C919大客翼身组合体大部段中的要害零部件钛合金上、下翼缘条是由西安铂力特激光成形技能有限公司运用金属增材制作技能(3D打印)所制作,上、下翼缘条中最大尺度3070mm,最大分量196kg的左上缘条,仅用25天即完结交给,大大缩短了航空要害零部件的研发周期,完结了航空中心制作技能上一次新的打破。

  电子束选区熔化技能是指电子束在偏转线圈驱动下按预先规划的途径扫描,熔化预先铺放的金属粉末;完结一个层面的扫描后,作业舱下降一层高度,铺粉器从头铺放一层粉末,如此重复进行,层层堆积,直到制作出需求的金属零件,整个加工进程均处于10-2Pa 以上的真空环境中,能有用防止空气中有害杂质的影响。

  (7)真空环境下成形,无需耗费保护气体,仅耗费电能及不多的阴极资料,且未熔化的金属粉末可循环运用,因而可下降出产本钱。

  电子束选区熔化技能源于20世纪90 时代初期的瑞典,瑞典Chalmers 工业大学与Arcam 公司协作开发了电子束选区熔化快速成形(Electron BeamMelting,EBM)技能,并以CAD-to-Metal 申请了专利。2003 年,Arcam 公司独立开发了EBM设备。现在以制作EBM 设备为主,产品已成系列,统筹成形技能开发。美国、日本、英国、德国、意大利等许多研讨安排、工厂、大学从该公司置办了EBM 设备,在航空、航天、医疗、轿车、艺术造型等不同范畴展开研讨,其间,生物医学植入物方面的研讨较为老练。近年来,在航空航天范畴的运用也敏捷鼓起,美国波音公司、Synergeering group 公司、CalRAM 公司、意大利Avio 公司等针对火箭发动机喷管、承力支座、起落架零件、发动机叶片等展开了许多研讨,有的已批量运用,资料首要铜合金、Ti6Al4V、TiAl 合金等。因为资料对电子束能量的吸收率高且安稳,因而,电子束选区熔化技能能够加工一些特别合金资料。

  电子束选区熔化技能可用于航空发动机或导弹用小型发动机多联叶片、全体叶盘、机匣、增压涡轮、散热器、飞行器筋板结构、支座、吊耳、框梁、起落架结构的制作,其一起特色是结构杂乱,用传统办法加工困难,乃至无法加工。其限制在于只能加工小型零件。现在世界上最大的电子束选区熔化设备是Arcam 公司的A2XX 型设备有用加工规模为φ 350mm×380mm。

  清华大学在国内较早展开了相关研讨,并开发了配备。近年来,西北有色金属研讨总院、中科院金属研讨所、北京航空航天大学、北京艾康仪诚等单位运用Arcam 公司出产的设备展开了研讨,触及多孔资料、医学运用等范畴。自2007 年以来,在航空支撑及国防预研基金等项目支持下,中航工业北京航空制作工程研讨所针对航空运用展开了钛合金、TiAl 合金的研讨。开发了电子束准确扫描技能、精细铺粉技能、数据处理软件等配备中心技能。针对飞行器结构轻量化需求,要点研讨了钛合金的力学功能及空间点阵结构的承载功能和变形失效行为,现在正进行飞机杂乱钛合金接头及TiAl 叶片的电子束选区熔化制作技能研讨。

  激光选区熔化成形技能原理与电子束选区熔化技能相似,经过把零件3D 模型沿必定方向离散成一系列有序的微米量级薄层,以激光为热源,逐层熔化金属粉末,直接制作零件。运用该技能能够制作出传统办法无法加工的恣意形状的杂乱结构,如轻质点阵夹芯结构、空间曲面多孔结构、杂乱型腔流道结构等。在航空、航天范畴,可用于制作火箭发动机燃料喷嘴、航空发动机超冷叶片、小型发动机全体叶轮、轻质接头号,一起还可用于船只、武器、核能、电子器件、医学植入等各个范畴,具有广泛的运用远景。相较于电子束选区熔化技能,激光选区熔化因为所运用的粉末尺度小,因而具有很高的尺度精度和外表质量。

  激光选区熔化增材成形技能由激光选区烧结技能展开而来。20 世纪80 时代以来,阅历了低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点金属粉末烧结、高熔点金属粉末直接熔化成形等阶段。激光选区烧结成形首要用于蜡模、砂模等制作,为精细铸造供给模型。这种原型外表粗糙,疏松多孔,还需求经过高温重熔或渗金属添补孔隙等今后才干运用。跟着激光技能的展开以及高亮度光纤激光器呈现,国内外金属激光选区熔化增材成形技能展开日新月异。近几年来,英国、德国、法国、美国、瑞典等国外发达国家先后开GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4 等合金金属杂乱结构的激光选区熔化增成形设备,并展开运用基础研讨。国外闻名R-R、GE、P&W、MTU、Boeing、EADS、Airbus 等航空航天武器配备已运用此技能开发商业化的金属零部件。

  增材制作技能以其与传统去除成形和受迫成形彻底不同的理念敏捷展开成了制作技能范畴新的战略方向。金属零件的高能束流增材制作在航空航天范畴的研讨和运用也越来越广泛,在先进制作技能展开的一起,也促进了结构规划思维的解放和进步,两者的相互促进必将对未来飞行器制作技能范畴构成深刻影响。跟着我国归纳国力的展开,包含航空在内的国防武器配备的开发逐步加快,增材制作技能迎来了高速展开的阶段,未来的运用远景非常宽广。但现在实践运用还比较少,尚处于技能成长期,为了推进技能的运用和展开,需求重视以下几个方面。

  (1)内部质量和力学功能的均匀性、安稳性和可靠性。因为高能束流增材制作进程集资料制备和零件成形于一体,零件的尺度、形状、摆放方位、热参数、加工途径等对内部缺点和安排的构成具有重要影响,每个零件的构成进程都具有必定的特别性,因而,需求经过多批次、许多的实验查核,确认并固化从资料、成形到后处理的各个技能环节,以完结零件功能的安稳性。

  (2)与用户的充沛交流,构成独立的规范。增材制作技能完结进程不同于传统的制作技能,其制备的零件功能也与传统的锻件、铸件有显着差异,不能彻底用传统技能的点评办法对增材制作技能进行鉴定。经过交流让用户充沛了解增材制作技能的优缺点,取得用户对产品功能的具体要求并有针对性的进行满意,构成针对增材制作的零件质量点评规范,关于促进增材制作技能的运用非常重要。

  (3)本钱、效益的统筹。并非一切的零件都适于选用增材制作办法,在进行运用技能开发时,需求挑选适合的运用目标。归纳考虑本钱、效益与周期等要素,在航空范畴,适合选用高能束流增材制作技能加工的零件品种首要有杂乱形状结构、超规范结构、需求快速研发的结构以及可显着下降本钱的结构等。

  因为增材制作所具有的极大灵敏性,未来的飞机规划能够完结极大的优化,愈加仿生力学的结构。商场研讨安排SmarTECH从前从4个视点来探究3D打印技能怎么推进航空航天制作技能的展开。包含缩短交货期、减轻零件分量、下降出产和运营本钱、有利于环境保护。

  - 增材制作在新的零件和备品备件制作方面关于缩短交货期有着明显的长处。航空专家以为比传统办法缩短80%的制作时刻,一起还能够明显进步零部件的功能。

  -将来增材制作办法能够明显改动现在航空零部件的库存状况。把规划图纸输入到打印机就能够快速制作出零部件将大大下降航空零部件的库存。

  -商用飞机的运用寿命在30年,而保护和保养飞机的原制作设备是非常贵重的。依据空客,经过增材制作技能,测验和替换零部件能够在2周内完结,这些零件能够被快速运到需求修理的飞机所在地,省时省力的协助飞机从头起飞。

  -别的,不再需求保有许多的零部件以防飞机有修理需求,这些许多的零部件的出产也是非常贵重和浪费资源的。当然,关于旧的机型,尤其是数据丢掉的类型,保有本来的零部件仍是需求的。

  -当时的飞机制作商并不了解增材制作设备,也很难提出对设备怎么晋级的要求,下一步飞机制作商需求更多的参加到增材制作设备的开发中来。

  -增材制作设备厂商有必要进步做工程的才干和进步资料专业度。当时增材制作设备厂商缺少开发高端航空航天零部件的才干,缺少开发质量盯梢和操控设备的才干。增材制作设备厂商不能限制于做设备制作,而应该展开围绕着增材制作、增材制作资料一系列的体系服务商的才干。

  -增材制作设备厂商需求开源设备资料,尽管承受其他的资料会带来竞赛,但灵敏性进步了才干使得航空航天制作商开发更多的运用。开源设备资料也会使得设备自身更简单受商场欢迎。

  -软件之间需求更好的联接。现在脱节的当地许多,使得做出一个完好的零件进程变得磕磕绊绊,这不利于职业的绩效。

  -需求集成操控体系到增材制作设备里。现在商场上很少有体系的东西来监测和盯梢增材制作的进程,这导致需求许多的测验件,并且需求贵重的后处理。回来搜狐,检查更多