金属激光增材制造技术发展研究
激光增材制造(LAM)是一种以激光为能源的增材制造技术,可以彻底改变传统金属零件的加工方式。LAM主要分为以粉末床为特征的激光选择性熔化(SLM)和以同步送粉为特征的激光直接沉积(LDMD)。比如通用电气公司(GE)SLM航空发动机燃油喷嘴、北航LDMD飞机钛合金框就是典型的应用案例。
从目前国内外金属LAM技术的发展来看,产业化的技术方向还是少数,因为基础理论的积累、关键技术的突破、工程应用技术的成熟、技术研发的商业化和推广都不同程度地制约了LAM技术的产业化应用。目前国内外的研究主要集中在控制性研究上,集中在孔隙率、裂纹、微观结构特征和各向异性等基础研究上[5~9]。关于板形控制、测试和产品标准的研究报道较少,这也说明金属LAM正处于从技术研究向工业应用过渡的发展阶段。
通过文献资料、实地调研和问卷调查,系统梳理了金属LAM领域研究和应用的发展现状和趋势,分析了国内外差距、理论研究和应用需求,提出了产业化应用涉及的核心关键技术和瓶颈工艺,以期推动我国金属LAM技术产业化应用的发展。
二、金属激光增材制造需求分析
LAM基于数模切片,通过逐层叠加实现金属零件的近净成形制造,特别适用于复杂零件、梯度材料和性能构件、复合材料零件和难加工材料的制造,在航空航天等先进制造方向备受青睐。一方面,相关零件形状复杂多变,材料性能要求高,加工难度大,成本高;另一方面,新型飞机正朝着高性能、长寿命、高可靠性、低成本的方向发展,迫切需要采用复杂大型的总体结构。
SLM成形的零件精度高,但零件尺寸受加工间的限制,所以SLM主要用于中小尺寸的复杂精密结构的精密成形,相应产品结构的功能属性一般大于承载属性。为满足整体性能要求,航空发动机的燃油喷嘴(内部油路、气路、腔室复杂)、轴承座、操纵室、叶片、飞机舱门支架、铰链、辅助动力舱格栅结构进气阀、排气阀、卫星支架等零部件需要进行结构创新设计,成为SLM技术的适宜应用对象。
LDMD成形的零件机械性能较好,但尺寸精度相对较低。LDMD主要用于制造中型或大型复杂承载结构,相应产品结构的承载性能一般大于功能性能。各种类型的航空发动机机匣、压气机/涡轮整体叶盘等结构形状复杂,甚至需要异质或功能梯度材料来提高效率。为了减轻重量和提高承载效率,需要对飞机接头、起落架、承载架、滑轮架、高速飞机机翼/气动舵的网格结构承载骨架等承载部件进行结构拓扑优化设计。这种结构突出的复杂性和制造难度对LDMD技术提出了明确的需求。
此外,采用锻造工艺很难保证局部凸台、耳片等特殊结构的飞机、发动机某些承载部件的局部构型和性能。大飞机的超大钛合金承力框已经超过了现有锻造设备的加工能力上限。这对锻造+增材制造/增材连接的复合制造技术提出了明确的需求。
三、国外金属激光增材制造的发展现状
(一)技术研究现状
1.激光选择性熔化技术
相关企业通过真空诱导气体雾化(VIGA)、无坩埚电极诱导熔化气体雾化(EIGA)、等离子旋转雾化(PREP)、等离子炬(PA)等方法制备了SLM粉末,具备批量供应能力,占据全球主要市场[10]。
LAM工艺研究的重点主要是微观结构和性能的控制,对于SLM的微观结构、缺陷和性能及其与工艺参数的关系已经做了很多研究。比如不锈钢零件SLM,提高激光功率,降低扫描速度,有利于提高密度[11];表面粗糙度和孔隙率高会降低AlSi10Mg铝合金SLM的耐蚀性,形成的氧化膜可以提高耐蚀性;AW7075铝合金的SLM试样产生垂直于添加材料方向的裂纹,但预热铝粉对裂纹控制没有作用,内部裂纹引起的疲劳寿命远低于传统工艺引起的疲劳寿命[7]。
能量密度对Ti-6Al-4V钛合金的SLM组织和缺陷有明显影响[5,12,13]:低能量密度导致片状α+β相组织,易造成气孔和熔合不良;高能量密度导致针状马氏体的α′结构,促进了铝的偏析和α2 -Ti3Al相的形成。沉积态Ti-6Al-4V合金的疲劳强度比锻件低约80%[6]。热等静压可以降低孔隙率,改善性能。对于CMSX486单晶合金SLM,低能量密度减少裂纹,高能量密度减少孔隙率[8]。CM247LC合金SLM纵截面主要由柱状γ晶粒组成,Hf、Ta、W、Ti的偏析增加了析出物和残余应力,导致零件内部开裂[14]。IN738LC高温合金SLM中的微裂纹与Zr在晶界的富集和偏聚有关[15]。添加适量Re可以细化IN718合金的枝晶,但过量Re对疲劳强度不利[14]。SLM的Hastelloy-X合金热处理后形成等轴晶,屈服强度下降。热等静压后,抗拉强度恢复到沉积态水平,延伸率可提高15% [16]。
对于金属LAM工艺,国外已经进行了许多细致的研究。据了解,德国设备制造商开发一种新材料的SLM技术需要6~8个月,调整的参数超过70个。通过拓扑优化实现结构轻量化设计也是SLM应用研究的重点,国外提出了设计指导制造、功能优先等新概念。还开发了特殊的支架设计技术,无需从基板上切割零件,有效缩短了拣货周期。
此外,金属LAM标准的研究和制定一直与技术应用同步发展。2002年,美国发布了《退火Ti-6Al-4V钛合金激光沉积产品》,随后又发布了19相关标准,涵盖了产品退火和热等静压制度、时效制度、制造过程中的应力消除退火制度等诸多方面。标准的及时形成对LAM技术的产业化应用起到了基础性的支撑作用。
2.激光直接沉积技术
1995年,约翰霍普金斯大学、宾夕法尼亚州立大学和MTS系统公司联合开发了基于高功率CO2激光的大型钛合金零件LDMD技术,沉积速率为1~2 kg/h,促进了LDMD零件在飞机上的应用[12]。
LDMD技术的研究主要包括成形工艺和组织性能。桑迪亚国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室制备的LDMD成形零件的机械性能接近甚至优于传统锻造零件。瑞士洛桑联邦理工学院研究了单晶叶片LDMD修复过程中稳定性、零件精度、显微组织、力学性能与工艺参数之间的关系,形成的修复技术已应用于工程。
Ti-6Al-4V合金的LDMD技术已被国外学者深入研究,揭示了工艺参数与增材制造组织和力学性能的关系,阐明了工艺调整和热等静压对组织和性能的调整作用[13,17~19]。LDMD技术为控制材料的微观结构提供了更大的自由度:通过调整镍基高温合金LDMD的形核和生长条件,获得预期的单晶和多晶结构[9];美国国家航空航天局(美国国家航空航天局)开发的LDMD技术可以使零件的性能随着零件的不同而变化。德国企业通过将LAM技术与传统切割方法相结合,可以加工传统工艺难以制造的形状复杂的零件,产品精度和表面粗糙度得到提高[11]。
(二)设备发展现状
经济高效的LAM设备是LAM技术推广应用的基础。SLM装备发展集中在德国、法国、英国、日本、比利时等国家,而LDMD装备发展国家主要有美国和德国。
1.激光选择性熔化设备
德国是第一个研究SLM技术和设备的国家。EOS公司推出的SLM设备具有一定的技术优势。将相关设备应用于GE公司LEAP航空发动机燃油喷嘴的制造,通过对增材制造过程的监控,进一步提高了制造产品的质量。Realizer GmbH的全方位设计和零件堆叠技术方案独树一帜;Concept Laser的设备以建筑尺寸大著称;SLM Solutions在激光技术和气流管理技术方面处于领先地位。美国3D系统公司依靠其特殊粉末沉积系统的技术优势,形成精确的细节特征。英国Renishaw PLC公司在材料使用的灵活性和更换的方便性方面具有技术特点。
2.激光直接沉积设备
美国EFESTO公司在大尺寸金属LAM方面具有技术优势,开发的LDMD设备工作室尺寸可达1500mm 1500mm 2100mm。美国Optomec公司引进的LDMD设备,工作室空间900 mm 1500 mm 900 mm,配备5轴移动工作台,最大成型速度1.5 kg/h..德国企业提供的激光综合加工系统也是主流的LDMD设备。
近年来,加减料复合加工设备成为市场新热点。日本DMG公司引进LDMD设备,配备2 kW激光器并辅以5轴数控铣床。成型速度比普通粉床高20倍,在制造过程中可以铣削出最终零件难以接近的部分。日本Mazak公司引进的相关设备可以进行5轴车铣复合加工,应用对象包括多边形锻件或铸件、回转体零件、复杂异形零件等。
㈢申请状况
钛合金LAM在航空领域取得了重要的应用。美国率先将LDMD钛合金承力件应用于舰载战斗机;卡彭特科技公司采用增材制造的高强度定制不锈钢,生产先进的航空齿轮;F-22飞机的维修采用SLM耐腐蚀支架,显著缩短了维修时间。英国成功将LDMD技术应用于无人机整体框架制造。
SLM技术已广泛应用于航空发动机复杂零件的制造。美国GE公司率先将SLM技术应用于高压压缩机温度传感器外壳的生产。该产品获得了美国联邦航空管理局(FAA)的批准,装备了400多台GE90-40B航空发动机。GE LEAP系列航空发动机的燃油喷嘴也采用SLM技术生产(2020年生产能力为44000个喷嘴/年)。美国普惠公司采用SLM技术生产管道镜套筒,配备PW1100G-JM航空发动机。特伦特·XWB-97航空发动机的钛合金前轴承组件(包括48个翼型导叶)由英国罗尔斯·罗伊斯公司采用SLM制造。
自2012以来,LAM技术已应用于航天器的制造。美国国家航空航天局使用LAM技术制造RS-25火箭发动机的弯曲接头,零件数量、焊缝和加工工序比传统方法减少了约60%。如果氢氧火箭发动机采用一体化设计制造方式,零件总数将减少80%。法国泰雷兹集团利用SLM技术为Koreasat5A和Koreasat7通信卫星制造了TT&C天线的配套件(铝合金),质量减轻了约22%,经费节省了约30%。
LAM技术的推广应用加速了空天飞行器的结构拓扑优化和网格结构设计。欧洲Astrium公司Eurostar E3000卫星平台遥测/遥控天线的铝合金安装支架由LAM公司制造,质量减轻约35%,结构刚度提高约40%。美国Cobra Aero公司与英国Renishaw PLC公司合作,完成了复杂网格结构的整体发动机部件LAM的制造。此外,加减料复合加工技术开始应用。美国维珍轨道公司使用加/减混合机床制造和精加工火箭发动机燃烧室零件,并在2019年完成了24次发动机试车。
(四)发展经验和启示
回顾世界金属LAM技术的发展历程,以产业发展带动技术研究和装备发展,以产业整合提高市场竞争力是一条重要经验。应用企业关注的是自己产品的制造质量和生产成本。作为技术发展的主体和最大受益者,他们可以整合材料、工艺、设备、验证、标准研究和人员培训,从而更高效地推动LAM产业的发展。如美国GE公司的LAM工业应用处于世界领先地位,主要得益于industry consolidation收购制造品控公司和增材制造设备公司的策略,以加强LAM产业链的完整性;产品制造在全球使用300多种工业级制造设备。外企重视LAM产品制造的人才培养。比如GE公司有增材制造培训中心,配备专用设备,每年可以培训几百名工程师。
四、国内金属激光增材制造的发展现状及差距分析
发展状况
1.金属林技术
国内在LDMD的结构、缺陷、应力和变形控制方面做了很多研究[11,13,14]。北航开发了钛合金大型结构件LDMD内部缺陷和质量控制等一些关键技术[20]。西北工业大学完成了飞机特大型钛合金法兰的LDMD制造,成形精度和变形控制达到了较高水平。沈阳航空航天大学提出了分段扫描成形的方法,有效地控制了LDMD工艺中零件的变形和开裂。优研工程技术研究院有限公司在叶轮和进气道方面突破了TC11、TA15/Ti2AlNb等不同材料的界面质量控制和复杂形状一体化控制问题,产品通过测试。
在中国,形状尺寸和表面粗糙度的精确控制研究是SLM技术的重点方向。Xi安铂激光成形技术有限公司采用SLM方法加工最小孔径约0.3 mm的流道零件,薄壁零件最小壁厚约0.2mm;;零件的整体尺寸精度达到0.2毫米,粗糙度Ra不大于3.2微米米..南京航空航天大学以SLM精密制造为主线,通过全过程控制提高零件的综合性能。Xi交通大学将LAM应用于空心涡轮叶片、航空螺旋桨、汽车零部件等的制造。[11].
中国航发北京航空材料研究院完成了LAM技术的全面研究:LDMD制造的镍基双合金涡轮整体叶盘通过了过转试验,通过添加材料修复的伊尔-76飞机起落架批量应用;研制了LAM超声扫描评价系统,建立了检测标准和对比试块。评定和无损检测技术成果应用于飞机滑轮架、框等安装件的批量检验。
SLM粉方面,国内产品基本满足成型工艺要求。中科院金属所突破了SLM用超细钛合金和高温合金粉末的清洁制备技术,性能达到进口产品水平。Xi安欧众材料科技有限公司开发的钛合金和高温合金粉末产品已在工程中得到应用。
2.金属LAM设备
国产LDMD和SLM器件具有较强的R&D能力,获得了一定的市场应用份额。Xi安博利特激光成形技术有限公司自主研发了SLM系列设备和激光高性能修复系列设备。南京中科陈余激光技术有限公司研发了自动变焦同轴送粉机、远程送粉机、高效惰性气体循环净化箱等核心设备。,并形成了金属LDMD系列化设备。此外,北京一加3D科技有限公司和北京星航机电设备有限公司在工业和小型金属SLM设备的小批量生产方面取得了良好的进展,上海航天装备制造总厂有限公司在标准大幅面SLM设备和机器人LDMD设备的开发方面取得了良好的进展。
3.金属LAM应用
LDMD主要用于制造承重结构。北航制造的主承力架、主起落架等部件已用于空天飞行器、燃气涡轮发动机等设备。航空工业沈阳飞机设计研究院通过工程应用验证,促进了LDMD技术的成熟,实现了8种金属材料、10类结构件的飞机应用。航空工业第一飞机设计研究院实现了大飞机外主襟翼滑轮架和尾舵臂LDMD零件的安装应用。大型薄壁骨架舱体结构的LDMD制造和应用已由北京机电研究所实现。
SLM主要用于复杂零件的制造。在航空领域,中国航空制造技术研究院实现了SLM产品的装机应用;航空工业成都飞机设计研究院已经在飞机上使用了SLM辅助动力舱格栅结构进/排气阀。航空工业直升机设计研究院在通风格栅结构、防雨密封结构、进气道多腔结构等方面实现了SLM零件的安装应用。在航天领域,上海航天装备制造总厂有限公司的坦克间歇支架、空间散热器、导向装置等SLM产品已安装应用;北京星航机电设备有限公司的客舱结构件、操纵面等SLM产品已经过地面试验和飞行试验验证。北京机电学院实现了小型复杂零件的SLM制造,控制面、支架等产品技术成熟度达到5级;新景和激光技术发展(北京)有限公司利用SLM制造了大尺寸薄壁钛合金点阵夹层结构(集热窗框),满足了深空探测飞行器严格的技术要求。
此外,Xi安铂激光成形技术有限公司利用SLM技术每年可为航空航天领域提供8000多个零件;华中科技大学通过加减材料的方法制造了具有共形冷却通道的梯度材料模具,在工业上得到广泛应用。
(二)面临的差距
1.金属LAM材料的设计和制备技术存在差距。
我国LAM专用材料的设计理论和方法体系还比较薄弱,专用材料的设计工作少而散。材料基因组学技术缩短了研发周期,降低了研发成本,在国外已成功应用于相关材料设计。材料基因组技术的研究及其在提高LAM专用材料性能方面的应用在国内相对薄弱。
在粉末制备方面,国内真空氩气雾化技术相对成熟,制备的不锈钢和镍基合金粉末性能基本满足成形工艺要求。而在钛合金和铝合金超细粉末的制备方面,差距较大。主要问题是粉末球形度差,细粉产率低,不能满足SLM成形的要求,使得实际应用仍依赖进口。
2.金属LAM设备的设计和制造技术存在差距。
中国与美国、德国等LAM技术强国的差距主要在于技术和装备。我国使用的SLM设备多为德国进口,而大型工程使用的SLM设备主要依赖进口。国内企业在激光器、振镜等核心部件方面缺乏自研能力,国产设备的加工尺寸、稳定性和精度亟待提高。国内对粉末流动状态、熔池状态等过程监控和成形的控制软件还不完善。
3.对金属LAM工艺研究不足
随着涡轮发动机、飞机等重要装备材料性能的不断提高,材料的工艺性有所下降。国内对航空骨干材料LAM技术研究不足,没有形成应力变形、开裂控制等有效方法。零件内部组织缺陷问题未得到根治,零件力学性能均匀一致,批量稳定性不好。而先进航空发动机和高速飞机所需的超高温结构材料的LAM工艺研究更是缺乏。
4.产品的尺寸精度和表面粗糙度不符合技术要求。
LDMD飞机结构件一般都有加工余量,尺寸精度和表面粗糙度不一定是关键约束。而涡轮发动机零件多为内部有流道和型腔的复杂结构零件,对应的SLM成形尺寸精度约为0.1 mm,表面粗糙度Ra约为6.3,与精密铸件仍有较大差距。相关产品也面临着成型和内表面加工研究不足的问题。
5.缺乏金属LAM的指导标准
目前,我国LAM行业面临着质量控制标准缺失的问题,导致金属LAM产品在设计、材料、工艺、检测、组织性能、尺寸精度等方面缺乏验收依据。作为零件的应用基础,无损检测、力学性能、金相图谱等基础数据。,由于缺乏整理,产品标准难以制定,工业应用和推广保障不足。
5.我国金属激光增材制造关键技术分析
1.激光加工头等核心设备的设计与制造。
发展具有自主知识产权的核心器件,重点提升处理器、存储器、工业控制器、高精度传感器、数/模转换器等基础器件的质量和性能,设计制造过程装备的核心器件和关键部件;研发高光束质量激光及光束整形系统、高功率激光扫描振镜、动态聚焦镜等精密光学器件、高精度喷嘴加工等核心部件。
2.扫描策略、参数编程和在线监控。
在数据设计、数据处理、工艺库、工艺分析与工艺智能规划、在线检测与监控系统、成形过程自适应智能控制等方面突破软件技术。,构建具有自主知识产权的LAM核心支撑软件系统。
3.基于材料基因组的LAM材料设计优化
开发了远离平衡条件的特殊物质高通量技术模型,开发了适用于高通量计算的多尺度模拟算法。研究了成分和微观结构可控的粉末材料制备技术,并通过高通实验建立了材料基因库。通过高通计算、实验和数据库的合作,迅速开发出性能优异的LAM专用材料。
4.主要材料典型结构的LAM可控性和形状控制
针对一些关键材料和典型零件,研究了LAM可控性和形状可控性的关键技术以及零件的工程应用。掌握零件制造过程中影响最终质量的因素及解决方案,形成可用于工程的LAM技术体系,涉及原材料控制、工艺装备、成形工艺、热处理、机械加工、表面处理、无损检测和验证试验。注意LAM零件的均匀性和批次稳定性,符合工程实际应用要求。
不及物动词结论
为赶超金属LAM技术及其工程应用,我国LAM发展应遵循“技术-产品-产业”的客观规律,夯实组织性能控制的技术基础,补齐核心设备在硬件/软件R&D和集成方面的短板,加强产品质量控制、标准和验证,稳步推进产业化应用。
(1)夯实激光增材制造的研究基础,充分发挥高校和科研院所的技术探索和攻关作用。工业部门或应用单位将牵头进行LAM工艺开发和产品性能验证,本着先易后难的原则,从常规金属逐步扩展到金属间化合物、铌硅超高温合金等先进材料。
(2)有序推进工程应用研究。提前选择航空、航天领域具有代表性的产品,开展LAM质量控制、标准和验证,尽快实现产品批量生产和工程应用;然后逐渐扩展到结构复杂、工作条件恶劣、加工性能差的高价值产品,并在核工业、兵器、汽车、电气设备等先进制造领域推广应用。
(3)开展林姆产品质量控制标准的研究和制定。积累LAM缺陷无损检测、力学性能、金相图谱、疲劳寿命等基础数据。,确定材料、工艺、无损检测、显微组织和力学性能、尺寸精度、表面粗糙度等的验收依据。,并制定中国LAM产品的技术标准。
(4)结合行业实际需求,在高等院校和职业技术学院增设LAM相关专业,为企业培养专业技术人才。LAM培训中心设立在技术优势企业,为国内多个行业的设计人员、技术人员和设备操作人员提供专项培训,为LAM产业的发展提供智力支持。