解析金屬增材制造技術在航空領域的發(fā)展與應用

PAGEPAGE1 解析金屬增材制造技術在航空領域的發(fā)展與應用航空工業(yè)在上個世紀80年代就開始使用增材制造技術，之前增材制造在航空制造業(yè)只扮演了做快速原型的小角色。最近的發(fā)展趨勢是，這一技術將在整個航空航天產業(yè)鏈占據戰(zhàn)略性的地位。包括波音、空客、LockheedMartin,霍尼韋爾以及普惠都做出了表率行動。 新一代飛行器不斷向高性能、高可靠性、長壽命、低成本方向發(fā)展，越來越多地采用整體結構，零件趨向復雜化、大型化，從而推動了增材制造技術的發(fā)展與應用。增材制造技術從零件的三維CAD模型出發(fā)，無需模具，直接制造零件，可以大大降低成本，縮短研制周期，是滿足現代飛行器快速低成本研制的重要手段，同時也是滿足航空航天超規(guī)格、復雜金屬結構制造的關鍵技術之一。 電子束熔絲沉積成形 電子束熔絲沉積技術又稱為電子束自由成形制造技術(ElectronBeamFreeformFabrication，EBF3)。在真空環(huán)境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表面形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置送入熔池并熔化，同時熔池按照預先規(guī)劃的路徑運動，金屬材料逐層凝固堆積，形成致密的冶金結合，直至制造出金屬零件或毛坯。 電子束熔絲沉積快速成形技術具有一些獨特的優(yōu)點，主要表現在以下幾個方面： (1)沉積效率高。電子束可以很容易實現數10kW大功率輸出，可以在較高功率下達到很高的沉積速率(15kg/h)，對于大型金屬結構的成形，電子束熔絲沉積成形速度優(yōu)勢十分明顯。 (2)真空環(huán)境有利于零件的保護。電子束熔絲沉積成形在10-3Pa真空壞境中進行，能有效避免空氣中有害雜質(氧、氮、氫等)在高溫狀態(tài)下混入金屬零件，非常適合鈦、鋁等活性金屬的加工。 (3)內部質量好。電子束是“體”熱源，熔池相對較深，能夠消除層間未熔合現象;同時，利用電子束掃描對熔池進行旋轉攪拌，可以明顯減少氣孔等缺陷。電子束熔絲沉積成形的鈦合金零件，其超聲波探傷內部質量可以達到AA級。 (4)可實現多功能加工。電子束輸出功率可在較寬的范圍內調整，并可通過電磁場實現對束流運動方式及聚焦的靈活控制，可實現高頻率復雜掃描運動。利用面掃描技術，能夠實現大面積預熱及緩冷，利用多束流分束加工技術，可以實現多束流同時工作，在同一臺設備上，既可以實現熔絲沉積成形，也可以實現深熔焊接。利用電子束的多功能加工技術，可以根據零件的結構形式以及使役性能要求，采取多種加工技術組合，實現多種工藝協同優(yōu)化設計制造，以實現成本效益的最優(yōu)化。 美國麻省理工學院的V.R.Dave等人最早提出該技術并試制了Inconel718合金渦輪盤。2002年，美國航空航天局(NASA)蘭利研究中心的K.M.Taminger等人提出了EBF3技術，重點開展了微重力條件下的成形技術研究。同一時期，在海軍、空軍、國防部等機構支持下，美國Sciaky公司聯合LockheedMartin、Boeing公司等也在同時期合作開展了研究，主要致力于大型航空金屬零件的制造。成形鈦合金時，最大成形速度可達18kg/h，力學性能滿足AMS4999標準要求。LockheedMartin公司選定了F-35飛機的襟副翼梁準備用電子束熔絲沉積成形代替鍛造，預期零件成本降低30%——60%。據報道，裝有電子束熔絲沉積成形鈦合金零件的F-35飛機已于2013年初試飛。2007年美國CTC公司領導了一個綜合小組，針對海軍無人戰(zhàn)斗機計劃，制定了“無人戰(zhàn)機金屬制造技術提升計劃”(N-UCASMetallicManufacturingTechnologyTransitionProgram)，選定電子束熔絲沉積成形技術作為未來大型結構低成本高效制造的方案。目標是將無人機金屬結構的重量和成本降低35%。 中航工業(yè)北京航空制造工程研究所于2006年開始電子束熔絲沉積成形技術研究工作，開發(fā)了電子束熔絲沉積成形設備。開發(fā)的最大的電子束成形設備真空室46m3，有效加工范圍1.5m×0.8m×3m，5軸聯動，雙通道送絲。在此基礎上，研究了TC4、TA15、TC11、TC18、TC21等鈦合金以及A100超高強度鋼的力學性能，研制了大量鈦合金零件和試驗件。2012年，采用電子束熔絲成形制造的鈦合金零件在國內飛機結構上率先實現了裝機應用。 激光直接沉積增材成形 激光直接沉積技術是在快速原型技術和激光熔覆技術的基礎上發(fā)展起來的一種先進制造技術。該技術是基于離散/堆積原理，通過對零件的三維CAD模型進行分層處理，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成加工路徑，在惰性氣體保護環(huán)境中，以高能量密度的激光作為熱源，按照預定的加工路徑，將同步送進的粉末或絲材逐層熔化堆積，從而實現金屬零件的直接制造與修復。 激光直接沉積技術的特點如下：(1)無需模具;(2)適于難加工金屬材料制備;(3)精度較高，可實現復雜零件近凈成形;(4)內部組織細小均勻，力學性能優(yōu)異;(5)可制備梯度材料;(6)可實現損傷零件的快速修復;(7)加工柔性高，能夠實現多品種、變批量零件制造的快速轉換。 在我國，西安鉑力特的LSF設備就是這類技術的代表。除此之外，典型企業(yè)還有美國的OPTOMEC公司，法國BeAM公司，德國通快以及專為CNC機床公司提供增材制造包的HYBRID公司。 激光直接沉積技術是20世紀90年代首先從美國發(fā)展起來的。1995年，美國Sandia國家實驗室開發(fā)出了直接由激光束逐層熔化金屬粉末來制造致密金屬零件的快速近凈成形技術。此后，Sandia國家實驗室利用LENS技術針對鎳基高溫合金、鈦合金、奧氏體不銹鋼、工具鋼、鎢等多種金屬材料開展了大量的成形工藝研究。1997年，OptomecDesign公司獲得了LENS技術的商用化許可，推出了激光直接沉積成套裝備。1995年，美國國防部高級研究計劃署和海軍研究所聯合出資，由約翰霍普金斯大學、賓州州立大學和MTS公司共同開發(fā)一項名為“鈦合金的柔性制造技術”的項目，目標是利用大功率CO2激光器實現大尺寸鈦合金零件的制造?；谶@一項目的研究成果，1997年MTS公司出資與約翰霍普金斯大學、賓州州立大學合作成立了AeroMet公司。為了提高沉積效率并生產大型鈦合金零件，AeroMet公司采用14——18kW大功率CO2激光器和3.0m×3.0m×1.2m大型加工艙室，Ti-6Al-4V合金的沉積速率達1——2kg/h。AeroMet公司獲得了美國軍方及三大美國軍機制造商波音、洛克希德·馬丁、格魯曼公司的資助，開展了飛機機身鈦合金結構件的激光直接沉積技術研究，先后完成了激光直接沉積鈦合金結構件的性能考核和技術標準制定，并于2002年在世界上率先實現激光直接沉積Ti-6Al-4V鈦合金次承力構件在F/A-18等飛機上的裝機應用。 自“十五”開始，在國家自然科學基金委員會、國家863計劃、國家973計劃、總裝預研計劃等國家主要科技研究計劃資助下，北京航空航天大學、西北工業(yè)大學、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所等國內多個研究機構開展了激光直接沉積工藝研究、力學性能控制、成套裝備研發(fā)及工程應用關鍵技術攻關，并取得了較大進展。 C919大客翼身組合體大部段中的關鍵零部件鈦合金上、下翼緣條是由西安鉑力特激光成形技術有限公司使用金屬增材制造技術(3D打印)所制造，上、下翼緣條中最大尺寸3070mm，最大重量196kg的左上緣條，僅用25天即完成交付，大大縮短了航空關鍵零部件的研發(fā)周期，實現了航空核心制造技術上一次新的突破。 電子束選區(qū)熔化成形 電子束選區(qū)熔化技術是指電子束在偏轉線圈驅動下按預先規(guī)劃的路徑掃描，熔化預先鋪放的金屬粉末;完成一個層面的掃描后，工作艙下降一層高度，鋪粉器重新鋪放一層粉末，如此反復進行，層層堆積，直到制造出需要的金屬零件，整個加工過程均處于10-2Pa以上的真空環(huán)境中，能有效避免空氣中有害雜質的影響。 電子束選區(qū)熔化技術特點如下： (1)真空工作環(huán)境，能避免空氣中雜質混入材料。 (2)電子束掃描控制依靠電磁場，無機械運動，可靠性高，控制靈活，反應速度快。 (3)成形速度快，可達60cm3/h，是激光選區(qū)熔化的數倍。 (4)可利用電子束掃描、束流參數實時調節(jié)控制零件表面溫度，減少缺陷與變形。 (5)良好的控溫性能使其能夠加工TiAl等金屬間化合物材料。 (6)尺寸精度可達±0.1mm，表面粗糙度約在Ra15——50之間，基本近凈成形。 (7)真空環(huán)境下成形，無需消耗保護氣體，僅消耗電能及不多的陰極材料，且未熔化的金屬粉末可循環(huán)使用，因此可降低生產成本。 (8)可加工鈦合金、銅合金、鈷基合金、鎳基合金、鋼等材料。 電子束選區(qū)熔化技術源于20世紀90年代初期的瑞典，瑞典Chalmers工業(yè)大學與Arcam公司合作開發(fā)了電子束選區(qū)熔化快速成形(ElectronBeamMelting，EBM)技術，并以CAD-to-Metal申請了專利。2003年，Arcam公司獨立開發(fā)了EBM設備。目前以制造EBM設備為主，產品已成系列，兼顧成形技術開發(fā)。美國、日本、英國、德國、意大利等許多研究機構、工廠、大學從該公司購置了EBM設備，在航空、航天、醫(yī)療、汽車、藝術造型等不同領域開展研究，其中，生物醫(yī)學植入物方面的研究較為成熟。近年來，在航空航天領域的應用也迅速興起，美國波音公司、Synergeeringgroup公司、CalRAM公司、意大利Avio公司等針對火箭發(fā)動機噴管、承力支座、起落架零件、發(fā)動機葉片等開展了大量研究，有的已批量應用，材料主要銅合金、Ti6Al4V、TiAl合金等。由于材料對電子束能量的吸收率高且穩(wěn)定，因此，電子束選區(qū)熔化技術可以加工一些特殊合金材料。 電子束選區(qū)熔化技術可用于航空發(fā)動機或導彈用小型發(fā)動機多聯葉片、整體葉盤、機匣、增壓渦輪、散熱器、飛行器筋板結構、支座、吊耳、框梁、起落架結構的制造，其共同特點是結構復雜，用傳統(tǒng)方法加工困難，甚至無法加工。其局限在于只能加工小型零件。目前世界上最大的電子束選區(qū)熔化設備是Arcam公司的A2XX型設備有效加工范圍為φ350mm×380mm。 清華大學在國內較早開展了相關研究，并開發(fā)了裝備。近年來，西北有色金屬研究總院、中科院金屬研究所、北京航空航天大學、北京艾康儀誠等單位利用Arcam公司生產的設備開展了研究，涉及多孔材料、醫(yī)學應用等領域。自2007年以來，在航空支撐及國防預研基金等項目支持下，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所針對航空應用開展了鈦合金、TiAl合金的研究。開發(fā)了電子束精確掃描技術、精密鋪粉技術、數據處理軟件等裝備核心技術。針對飛行器結構輕量化需求，重點研究了鈦合金的力學性能及空間點陣結構的承載性能和變形失效行為，目前正進行飛機復雜鈦合金接頭及TiAl葉片的電子束選區(qū)熔化制造技術研究， 激光選區(qū)熔化增材成形技術 激光選區(qū)熔化成形技術原理與電子束選區(qū)熔化技術類似，通過把零件3D模型沿一定方向離散成一系列有序的微米量級薄層，以激光為熱源，逐層熔化金屬粉末，直接制造零件。利用該技術可以制造出傳統(tǒng)方法無法加工的任意形狀的復雜結構，如輕質點陣夾芯結構、空間曲面多孔結構、復雜型腔流道結構等。在航空、航天領域，可用于制造火箭發(fā)動機燃料噴嘴、航空發(fā)動機超冷葉片、小型發(fā)動機整體葉輪、輕質接頭等，同時還可用于船舶、兵器、核能、電子器件、醫(yī)學植入等各個領域，具有廣泛的應用前景。相較于電子束選區(qū)熔化技術，激光選區(qū)熔化由于所使用的粉末尺寸小，因此具有很高的尺寸精度和表面質量。 激光選區(qū)熔化增材成形技術由激光選區(qū)燒結技術發(fā)展而來。20世紀80年代以來，經歷了低熔點非金屬粉末燒結、低熔點包覆高熔點金屬粉末燒結、高熔點金屬粉末直接熔化成形等階段。激光選區(qū)燒結成形主要用于蠟模、砂模等制造，為精密鑄造提供模型。這種原型表面粗糙，疏松多孔，還需要經過高溫重熔或滲金屬填補孔隙等以后才能使用。隨著激光技術的發(fā)展以及高亮度光纖激光器出現，國內外金屬激光選區(qū)熔化增材成形技術發(fā)展突飛猛進。近幾年來，英國、德國、法國、美國、瑞典等國外發(fā)達國家先后開GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4等合金金屬復雜結構的激光選區(qū)熔化增成形設備，并開展應用基礎研究。國外著名R-R、GE、P&W、MTU、Boeing、EADS、Airbus等航空航天武器裝備已利用此技術開發(fā)商業(yè)化的金屬零部件。 需要關注的方面 增材制造技術以其與傳統(tǒng)去除成形和受迫成形完全不同的理念迅速發(fā)展成了制造技術領域新的戰(zhàn)略方向。金屬零件的高能束流增材制造在航空航天領域的研究和應用也越來越廣泛，在先進制造技術發(fā)展的同時，也促進了結構設計思想的解放和提升，兩者的相互促進必將對未來飛行器制造技術領域造成深刻影響。隨著我國綜合國力的發(fā)展，包括航空在內的國防武器裝備的開發(fā)逐漸加速，增材制造技術迎來了高速發(fā)展的階段，未來的應用前景十分廣闊。但目前實際應用還比較少，尚處于技術成長期，為了推進技術的應用和發(fā)展，需要關注以下幾個方面。 (1)內部質量和力學性能的均勻性、穩(wěn)定性和可靠性。由于高能束流增材制造過程集材料制備和零件成形于一體，零件的尺寸、形狀、擺放位置、熱參數、加工路徑等對內部缺陷和組織的形成具有重要影響，每個零件的形成過程都具有一定的特殊性，因此，需要經過多批次、大量的試驗考核，確定并固化從材料、成形到后處理的各個技術環(huán)節(jié)，以實現零件性能的穩(wěn)定性。 (2)與用戶的充分溝通，形成獨立的標準。增材制造技術實現過程不同于傳統(tǒng)的制造技術，其制備的零件性能也與傳統(tǒng)的鍛件、鑄件有明顯差異，不能完全用傳統(tǒng)技術的評價方法對增材制造技術進行評定。通過溝通讓用戶充分了解增材制造技術的優(yōu)缺點，獲得用戶對產品性能的具體要求并有針對性的進行滿足，形成針對增材制造的零件質量評價標準，對于促進增材制造技術的應用十分重要。 (3)成本、效益的兼顧。并非所有的零件都適于采用增材制造方法，在進行應用技術開發(fā)時，需要選擇合適的應用對象。綜合考慮成本、效益與周期等因素，在航空領域，適宜采用高能束流增材制造技術加工的零件種類主要有復雜形狀結構、超規(guī)格結構、需要快速研制的結構以及可明顯降低成本的結構等。 作為補充，根據市場研究，近幾年國內在以金屬絲為原材料的加工工藝上出現了更多的設備制造廠商，包括武漢天昱、西安智熔。 面向未來 由于增材制造所具有的極大靈活性，未來的飛機設計可以實現極大的優(yōu)化，更加仿生力學的結構。市場研究機構SmarTECH曾經從4個角度來探索3D打印技術如何推動航空航天制造技術的發(fā)展。包括縮短交貨期、減輕零件重量、降低生產和運營成本、有利于環(huán)境保護。 增材制造在新的零件和備品備件制造方面對于縮短交貨期有著顯著的優(yōu)點。航空專家認為比傳統(tǒng)方式縮短80%的制造時間，同時還可以顯著提高零部件的性能。 將來增材制造方式可以顯著改變目前航空零部件的庫存狀態(tài)。把設計圖紙輸入到打印機