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高性能金属构件激光直接成形技术
作者:   时间:2013年11月01日 【字号: 】【打印本页】【关闭】
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北京航空航天大学  航空科学与技术国家实验室(筹)

  

大型整体金属构件激光直接制造教育部工程研究中心

  

北京市大型关键金属构件激光直接制造工程技术研究中心

  

王华明(教授、长江学者、工程研究中心主任,从事激光直接制造技术研究,wanghm@buaa.edu.cn

 
 

1、高性能金属结构件激光直接成形原理及特点

 

  高性能金属结构件激光熔化沉积“近净成形”(也常称作“激光增材制造”Laser Additive  Manufacturing, LAM、“激光直接制造”Laser Direct Manufacturing,  LDM等),利用快速原型制造的基本原理,以金属粉末或丝材为原材料,采用高能量密度激光束对金属原材料进行逐层熔化/快速凝固逐层沉积,直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”(如图1所示)[3-15],是一种将“高性能材料制备”与复杂金属零件直接“近净成形”有机融为一体的的数字化、短周期、低成本、绿色、“变革性”先进制造新技术,在航空、航天等装备研制与生产中具有广阔的应用前景。

 

  与传统大型金属构件制造技术(锻压+机械加工、锻造+焊接等)相比,大型高性能金属结构件快速凝固激光直接成形技术,具有以下突出优点:

 

(1)   高性能金属材料的快速凝固制备与大型复杂零部件的“近净成形”同步完成,零件制造工艺流程短;

 

(2)   零件具有晶粒细小、成分均匀、组织致密的快速凝固组织,综合力学性能优异;

 

(3)   与传统锻造成形技术相比,无需零件毛坯制备和锻压成形模具加工、无需大型或超大型锻铸工业装备及其相关配套设施;

 

(4)   直接实现零件的少无余量近净成形,后续机械加工余量小、材料利用率高、机加时间短;

 

(5)   零件生产工序少、制造周期短、成本低并具有高度的柔性和对构件设计变化的“超常”快速响应能力;

 

(6)    激光束能量密度高,可以方便地实现对包括W、Mo、Nb、Ta、Ti、Zr等各种难熔、难加工、高活性高性能金属材料的快速凝固材料制备和复杂零件的直接“近净成形”;

 

(7)   可根据零件的工作条件和服役性能要求,通过灵活改变局部激光熔化沉积材料的化学成分,实现多材料梯度复合高性能金属材料构件的直接近净成形。

 

 

 

图1、金属零件激光熔化沉积直接成形原理(a)及零件成形过程示意图[](b)。

 

采用快速凝固激光材料制备的致密高性能金属零件激光熔化沉积直接成形技术的“原创性”思想,最早是由美国联合技术研究中心(United  Technologies Research Center,UTRC)的Breinan等人在19  78年提出的[6-7],当时他们给该基于激光熔化逐层沉积的金属零件直接成形工艺技术命名为“逐层上釉”工艺(“LayerglazingTM Process”  [7]),并以镍基高温合金为对象开展了初步工艺探索研究,制备出了直径为132mm的双高温合金模型涡轮盘样件(图2)。

 

由于当时激光技术尚不发达、激光器功率较低,激光材料加工技术作为“新兴高技术”尚未被人们广泛了解和接受,数控技术也尚未普及,所以,该创新的研究并未引起人们应有的注意,但Breinan等人却明确地指出了金属零件快速凝固激光直接成形技术的几乎全部优点和进行连续沉积、检验、热机械处理的直接制造技术思路(图3所示)。之后,随着快速原型制造技术的发展,美国滨州州立大学、海军应用研究实验室等单位1985~1992年期间以实现激光直接成形钛合金结构件在飞机等装备的应用为目标,开展了近8年的秘密应用基础研究,1994年对外解密并引起人们的关注。 

 

 

图2、金属零件激光熔化沉积成形(LayerglazingTM)工艺原理图(a)及采用该工艺直接成形的双高温合金模型涡轮盘样件(b)[6]

 

高性能金属零件激光熔化沉积快速成形装备系统主要包括激光器、激光制冷机组、激光光路系统、激光加工机床、激光熔化沉积腔、送粉系统及工艺监控系统等。目前基于激光熔化沉积的激光快速成形装备已有商业化产品。

 

由于高性能金属零件快速凝固激光熔化沉积“近净成形”技术独特的优点,目前成为国际上材料加工工程与先进制造技术交叉学科前沿领域研究热点,特别是该技术用于制造钛合金等难加工高性能大型金属结构件的突出技术优势及其在飞机等先进国防装备研制和生产中广阔应用前景,过去十几年来成为国际先进制造技术前沿研究领域的热点方向并受到政府和工业部门的高度关注和资助,研究进展迅速。

 


    

 

图3、采用连续结构沉积-检验-机械处理-热处理的金属零件激光熔化沉积直接成形技术思想示意图[6]

 

2、高性能金属结构件激光直接成形国内外研究现状

 

 美国Sandia国家实验室研究开发出了基于激光熔化沉积、称作“LENS  ”(laser engineered net shaping)的激光近净成形技术,其方法是采用光束尺寸较小、激光功率较低(300~750W  的Nd:YAG激光器或1~2kW光纤激光器)的激光束、分别利用金属粉末及金属丝为原材料进行激光逐层熔化沉积直接制造近净成形的金属零件,已制造出了包括IN718、625、690等镍基高温合金、Ti6Al4V钛合金、304、316等不锈钢小型零件(如图3所示),部分零件已在火箭发动机上得到应用。采用LENS工艺成形出的金属零件,具有尺寸精度较高、表面光洁度较好、加工余量较小等优点,但其缺点是生产效率低,成形零件尺寸小,因而该方法主要适合于小型精密金属零件的成形。基于LENS工艺的专用设备已由Optomec公司商业化生产,目前在全世界销售了数百台。 

 

 

图4、美国OPTOMEC公司激光近净成形的316不锈钢(左)及Ti-6Al-4V(右,口径250mm)空心薄壁零件工艺样件

 

  

 

 美国Los  Alamos国家实验室与合成金属公司(SyntheMet Corporation)合作,开发出了金属零件聚能光束制造技术(Directed Light  Fabrication,  DLF),其基本原理与LENS完全相同,并在Re、Ir、W、Ta等难熔金属、MoSi2难熔金属硅化物、镍铝金属间化合物等小型精密零件的直接制造技术及应用上进行了大量的工作,部分难熔金属零件已在火箭上得到应用。

 

 美国Michigan大学、Illinois大学及英国Liverpool大学等研究开发出了直接金属沉积快速制造技术(Direct  Metal Deposition: DMD),在金属模具的快速制造及应用领域进行了大量的研究开发工作,美国精密光学制造公司(Precision Optical  Manufacturing: POM)对Michigan大学的该项研究成果进行了商业化,其工作重点主要集中于铝合金及合金钢等精密压铸金属模具的快速制造。

 

 美国Stanford大学及Carnegie-Mellon大学等单位联合开发出了逐层沉积-逐层铣削加工的形状沉积快速制造技术(Shape  Deposition Manufacturing:  SDM),并在制造各种金属模具、包括具有内部随形冷却通道、高导热铜合金内部吸热陷阱、埋有热电偶及传感器的金属模具上开始得到工业应用,其优点是能直接制造终成形金属零件、且可以制造任意复杂的零件,但其缺点是设备复杂、生产效率较低、辅助工序多及辅助材料消耗大等。

 

 得一提的是,由于钛合金具有密度低、比强度高等突出优点,被广泛用作飞机机身加强框、主承力梁、接头、航空发动机整体叶盘等大型关键结构件,但采用整体锻造等传统方法制造上述大型钛合金结构件,工序长、工艺复杂,对制造技术和制造装备的要求高,成形技术难度大,不仅需要万吨级以上的重型液压锻造工业装备、大规格锻坯加工及大型锻造模具制造,而且零件加工去除量大、数控加工时间长、材料利用率低、生产周期长、制造成本高(例如,美国F-22飞机中尺寸最大的Ti6Al4V钛合金整体加强框,零件重量不足144kg,而其毛坯模锻件重达2796kg,材料利用率不到4.90%,制造周期长达半年以上)。大型整体钛合金关键结构件成形制造技术,被国内外公认为是对飞机、发动机、燃气轮机等重大装备研制与生产具有重要影响的核心关键制造技术之一[1-3]。金属零件快速凝固激光直接近净成形技术的独特优点,为钛合金等高性能难加工金属材料大型结构件制造技术提供了一条新途径,钛合金等高性能金属结构件激光直接成形技术成为本领域国际研究的焦点之一。

 


     

 

 

图5、美国F/A-18飞机激光直接成形Ti6Al4V发动机推力拉梁地面试验件

 

   1995~2005年期间,在美国国防部先进研究计划署(DARPA)及海军研究办公室(ONR)等部门的巨资资助下,哟翰哈普金斯大学、宾夕法尼亚州立大学及MTS公司等对飞机钛合金结构件激光直接成形技术进行了大量研究并取得重大进展[1-2]。1998年MTS公司出资与宾州州立大学、约翰哈普金斯大学合作成立了专门从事飞机钛合金结构件激光直接成形技术研发和工程化应用的AeroMet公司,与波音、诺克希德.马丁及诺斯罗普.格鲁曼等美国三大军用飞机制造商合作,在美国空军“锻造计划”(Air  Force Forging Initiative)、陆军制造技术计划(Army’s Mantech Program)、国防部“军民两用科技计划”(Dual  Use Science and Technology  Program)等计划的资助下,对飞机钛合金结构件激光直接成形技术研究及其在飞机上的应用关键技术进行了大量研究。

 

   2000年9月在波音和诺克希德.马丁公司完成了对激光直接成形钛合金全尺寸飞机机翼次承力结构件的地面性能考核试验,构件静强度及疲劳强度达到飞机设计要求。2001年AeroMet公司开始为波音公司F/A-18E/F舰载联合歼击/攻击机验证机小批量试制了发动机舱推力拉梁(图4)、机翼转动折叠接头(图5)、翼梁(图6)、带筋壁板(图7)等飞机钛合金次承力结构件。2002年制定出了“Ti6Al4V钛合金激光快速成形产品”宇航材料标准(ASM  4999)并于同年在世界上率先实现激光快速成形钛合金次承力结构件在F/A-18验证机上的装机应用。

 


     

 

 

图6、F/A-18E/F飞机激光直接成形Ti6Al4V机翼折叠接头地面试验件

 

,激光直接成形Ti6Al4V翼梁试验件(左:激光成形态;右:机加工态

 

  

 

然而,令人遗憾的是,由于尚未有效解决激光直接成形钛合金结构件内部缺陷、内部组织等质量和力学性能控制等关键技术难题,其激光快速成形Ti6Al4V等钛合金结构件,即使再经热等静压(HIP)、开模锻造(open-die  forging)等后续致密化加工,其疲劳等关键力学性能仍然显著低于钛合金锻件(如图8所示,优于铸件而低于锻件),致使其激光直接成形钛合金构件难以取代锻件实现在飞机关键主承力构件上的应用,限制了激光快速成形钛合金结构件在飞机上的应用范围并导致AeroMet公司最终于2005年12月被迫破产倒闭。

 

 

图7.F/A-18飞机激光直接成形Ti6Al4V带筋壁板地面试验件

 

 

图9.美国AeroMet公司激光成形Ti6Al4V合金的疲劳性能(激光成形态、激光成形+HIP、激光成形+开模锻造态疲劳性能均低于钛合金锻件而优于铸件)[9]

 

 我国钛合金等高性能金属零件激光直接成形技术的研究,从2001年开始一直受到政府主要科技管理部门的高度重视,国家自然科学基金委员会、国家“863”计划、国家“973”计划等国家主要科技研究计划,均将激光直接成形技术作为重点和重大项目予以持续资助。研究工作主要集中在北京航空航天大学、西北工业大学、北京有色金属研究总院、华中科技大学、清华大学等单位。但开展钛合金结构件激光快速成形技术研究的却只有北京航空航天大学、西北工业大学、北京有色金属研究总院等很少几家单位,在钛合金结构件激光直接成形工艺研究、成套装备研发及工程应用关键技术攻关等方面取得了可喜进展[3-5,12-14]。

 

 

 

图10.激光快速成形TC4钛合金座椅上下支座(上)和TA15腹鳍接头(下)装机零件实物照片(北京航空航天大学)

 

 在“10.5”期间,北航团队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四种飞机钛合金次承力结构件(图10)在三种飞机上的装机应用。

 

“11.5”期间,北航团队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[3-5],提出了大型金属构件激光直接成形过程“内应力离散控制”新方法,初步突破大型金属构件激光快速成形过程零件翘曲变形与开裂“瓶颈难题”;突破激光快速成形钛合金大型结构件内部缺陷和内部质量控制及其无损检验关键技术,飞机构件综合力学性能达到或超过钛合金模锻件,例如,激光快速成形TA15钛合金缺口疲劳极限超过钛合金模锻件32~53%、高温持久寿命较模锻件提高4倍(500oC/480MPa持久寿命由锻件不足50小时提高到激光成形件230小时以上),特别是经后续特种热处理新工艺获得  “特种双态组织”(图11a所示)后,其综合力学性能进一步显著提高,疲劳力纹扩展速率降低一个数量级以上(图11b)。

 

 


  图11.激光快速成形TA15钛合金飞机大型结构件特种热处理“特种双态显微组织”

 

(a)及特种热处理对疲劳裂纹扩展速率da/dN的影响(b)[3]

 

 此外,还研制出具有原创核心技术、迄今世界最大的飞机钛合金大型结构件激光快速成形成套装备(激光熔化沉积真空腔尺寸达4000×3000×2000mm)并初步建立起全套飞机钛合金大型整体主承力构件激光快速成形技术标准,激光快速成形出TA15、TC4、TC21、TC18、TC2等钛合金先进飞机大型整体主承力关键结构件、A-100等超高强度钢起落架等飞机关键构件、TC11、TC17、Ti60等钛合金整体叶盘等航空发动机关键部件并在大型客机C919等飞机研制和生产中得到成功应用(图12)。

 


     

 

图12.  激光快速成形TA15钛合金飞机大型关键主承力构件(北京航空航天大学)

 

 (a)飞机接头1900×650×450mm;(b)飞机框梁1740×380×230mm

 

3.大型金属结构件激光直接成形技术发展须认识的基础问题

 

钛合金等大型整体高性能金属关键结构件的激光快速成形,通过长期逐层逐点激光熔化沉积/快速凝固(“材料添加”)实现零件的“近净成形”,材料物理冶金和非稳态热力耦合过程复杂,同时发生着“激光/粉末交互作用”、“移动熔池的形成及其激光超常冶金与非稳态热质传输”、超高温度梯度和边界条件不断变化条件下“移动熔池熔体的快速凝固”、三维零件“内部凝固组织和内部缺陷的形成”、复杂约束和非平衡相变条件下零件“内应力的形成和演化”等材料冶金和热力耦合等极其复杂的过程,成形时间很长、技术难度很大,成形过程物理、化学和冶金现象复杂,零件在激光成形过程中经历了高能激光束的长期周期性剧烈加热和冷却、移动熔池在池底强约束下的快速凝固收缩及其伴生的短时非平衡循环固态相变,在零件内部产生很大、极其复杂的热应力、组织应力和机械约束应力及其强烈非稳态交互作用和应力集中,导致零件严重变形与开裂,事实上零件“变形开裂预防”是制约该技术发展和应用、迄今世界上尚未有效解决的“第一大”瓶颈难题。

 

在大型整体金属构件长时间激光熔化沉积成形过程中,移动熔池激光超常冶金动力学行为及其在超高温度梯度作用下非平衡快速凝固形核和长大过程,直接决定了最终零件的晶粒形态、尺寸、晶体取向、晶界结构、化学成分均匀性并表现出对激光快速成形过程的高度敏感性及复杂多变性,给成形零件内部组织和力学性能一致性控制带来巨大困难。与此同时,在大型整体金属构件长期循环往复激光熔化逐点逐层局部沉积成形过程中,主要工艺参数、外部环境、熔池熔体状态的波动、扫描填充轨迹的变换等一切不连续和不稳定现象,都可能在零件内部沉积层与沉积层之间、沉积道与沉积道之间、单一沉积层内部等局部区域产生各种特殊的内部冶金缺陷(如层间未熔合、道间局部未熔合、气隙、卷入性和析出性气孔、加杂物、内部特殊裂纹等)并影响最终成形零件的内部质量、力学性能和使用安全。事实上,内部组织和内部缺陷控制是一直是制约大型整体金属结构件激光快速成形技术发展和应用的又一重大“瓶颈难题”。

 

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,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。

 

迄今国内外一直未能找到解决零件“变形和开裂”预防和“内部质量”控制等重大“瓶颈难题”的主要原因,是目前对该技术的研究尚处于工艺尝试探索阶段,对其共性关键基础问题还缺乏认识和深入研究。

 

大型金属构件激光快速成形技术研究能否得到持续发展,在很大程度上将取决于人们对激光快速成形过程内应力演化行为规律、内部缺陷形成机理和内部组织形成规律等关键基础问题的研究深度和认识程度。要实现对大型整体钛合金结构件激光快速成形过程内应力的有效控制和零件变形开裂的有效预防,有效解决一直制约大型金属结构件激光快速成形技术发展的“第一大瓶颈难题”,须认识清楚(1)周期性长期激光剧烈热循环作用下零件“热应力”的演化规律及其与激光快速成形工艺条件与扫描填充模式及零件结构的关系、(2)周期性、高温度梯度、剧烈加热和冷却过程中材料的短时非平衡固态相变“组织应力”形成规律及其和激光快速成形工艺条件和零件结构的关系、(3)超高温度梯度作用下移动熔池“强约束凝固收缩应力”形成机理、演化规律及其与激光快速成形工艺条件和零件结构之间的关系以及(4)热应力、组织应力、凝固收缩应力和外约束应力的非稳态耦合行为演化规律和零件变形开裂之间的关系。而要实现对激光快速成形大型钛合金结构件“内部质量”的有效控制,须深入研究(1)移动熔池激光超常冶金动力学及其快速凝固形核、生长、局部凝固组织特征及其与激光快速成形工艺参数和激光成形条件之间的相互关系、(2)移动熔池局部快速凝固行为和三维成形零件凝固组织形成规律之间的关系和(3)移动熔池局部凝固过程和零件特有内部冶金缺陷形成规律间的关系。

 

4. 结束语

 

(1)高性能金属大型整体关键结构件激光直接成形技术是一种“变革性”的短流程、低成本、数字化、先进“近净成形”制造新技术,与传统整体锻造等成形制造技术相比,具有突出的技术和经济优势,在大型飞机、高推重比航空发动机、重型蒸汽轮机及燃气轮机等重大工业装备研制生产中具有广阔应用前景。

 

(2)零件“变形和开裂”预防和“内部质量”控制是制约高性能金属大型整体构件激光直接成形技术发展和应用的关键“瓶颈难题”。

 

(3) “变形开裂”和“内部质量”控制等两大“瓶颈难题”的有效解决和大型整体金属结构件激光快速成形技术的发展,有赖于对零件“内应力演化规律与变形开裂行为”及“凝固组织形成规律及内部缺陷形成机理”等基础问题的深入认识。

 

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