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e键打印 钛合金3D打印有哪些你不知道的工艺

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发表时间:2015-12-04 15:10:17


  e键打印(ejdyin.com)平台上,使用的是德国EOS金属M280机器,使用工业级激光烧结技术,这个型号的设备可以打钴铬钼合金、不锈钢、铝合金,主要用于功能零部件和样品模具零件生产。高强度、生物相容性、抗酸性和耐腐蚀性模型制造、特定应用领域的零部件生产,例如汽车工业、医疗设备、珠宝首饰和模具组件等。钴铬合金零部件,通过金属激光烧结熔铸后,具有结构均匀,无孔的特点。完全可以满足航天航空要求。


钛合金超塑成形/ 扩散连接技术(SPF/DB)


  超塑成形/扩散连接(SPF/DB)是一种把超塑成形与扩散连接相结合用于制造高精度大型零件的近无余量加工方法,在现代航空航天工业发展的推动下,经过30多年的开发研究和验证试验,已进入了实用阶段。


  20 世纪70 年代早期,美国洛克威尔公司首先将超塑成形技术应用到飞机结构件制造中,使钛合金制造工艺发生了技术变革。随后,欧美将钛合金SPF、SPF/DB 技术列为重点研究项目,促使超塑成形整体钛合金结构件已获得工程应用,并产生了巨大的技术经济效益:联合战斗机(JSF)的后缘襟翼和副翼、F-22后机身隔热板等重要结构均采用了钛合金超塑成形/ 扩散连接的整体结构。英国罗·罗公司采用SPF/DB 技术研制出了第二代钛合金宽弦无凸肩空心风扇叶片,每个叶片实现减重35%~40%,处于世界领先地位。欧盟采用超塑成形的Ti-6Al-4V 合金高度控制仪气瓶还应用于阿里安Ⅴ火箭,国外一些导弹上用的钛合金蜂窝结构的翼面也采用SPF/DB技术成形。


  国内对SPF/DB技术的研究开始于70 年代末,经过30 多年的发展,我国SPF/DB 技术取得了很大的进步。近年来,我国新机研制及改进机型中,前缘襟翼、鸭翼、整体壁板和腹鳍等大尺寸钛合金构件采用SPF/DB技术。针对航天型号对金属防热结构的需求,航天材料及工艺研究所开展了钛合金波纹板SPF 技术研究,成功制备出TC4 钛合金防热瓦等热结构部件。

 

  SPF/DB 应用于航空航天具有两方面的优势,一方面是满足航空航天复杂几何形状零件的要求,另一方面可以不用接头(紧固件或铆钉等)获得整体结构。SPF/DB 技术的应用方向为:大型结构件、复杂结构件、精密薄壁件的超塑成形;高速超塑成形技术的研究与开发。SPF/DB 技术应用表明:尽管钛合金成本高,但成本效益、可靠性、长寿命和重量轻量化对航空航天的吸引力更大。

 

钛合金精密旋压技术


  旋压成形技术制造的薄壁回转体壳体构件解决了在车削加工时存在的刚度低、颤动大、加工精度低等技术问题或根本无法加工的技术难题,应用于航天领域具有诸多优势。


  美国强力旋压生产的φ3900mm大型导弹壳体,径向尺寸精度达到0.05mm,表面粗糙度R a 为1.6~3.2μm,壁厚差≤0.03mm。美国钛制造公司采用1.5m 立式旋压机旋压φ 1524mm 的Ti-6Al-4V钛合金导弹压力容器封头,每个封头的旋压时间为5min。民兵洲际导弹第二级固体发动机壳体采用了Ti-6Al-4V 钛合金,并用强力旋压成形,成形后的钛合金壳体重量减轻30%。围绕航天型号对轻质、高强、大型化航天需求,德国MT 宇航公司采用旋压工艺制备出φ 1905 mm 的高强Ti-15V-3Cr合金推进系统贮箱,并应用于欧洲阿尔法通信卫星巨型平台,实现了卫星平台的大幅度减重、增加有效载荷。

 

  我国的旋压工艺与设备的研究源于60 年代初期,钛合金的旋压研究始于上世纪70 年代,经过40 多年来的发展,基本形成了从设备的研制到工艺开发一套成熟的体系。国内航天所用钛合金及旋压制品,如火箭发动机外壳、叶片罩、陀螺仪导向罩、内蒙皮等,Ti8Al1Mo1V 高钛合金用于发动机叶片热处理强化钛合金旋压成形;TB2 钛合金用于小型喷管旋压等。

  

  中国航天科技集团公司第703 研究所采用普旋与强旋相结合的技术,以TC3、TC4 2 种钛合金板材为坯料,热旋压制备出了2 种钛合金半球形(φ 内522mm×2.0mm)、圆柱形储箱壳体(φ 163mm×2.0mm×200mm 的杯形件,φ 163mm×2.0mm×360mm 及φ 112mm×6.0mm×1000mm 的筒形件)。


  近几年来,随着计算机模拟技术的发展,数值模拟已广泛应用于金属部件旋压成形过程的分析。航天材料及工艺研究所对TC4筒形件进行了计算机模拟,分析了旋轮攻角、旋轮运动轨迹、普旋道次等工艺参数对旋压成形的影响规律,成功旋制了高深径比的TC4 钛合金筒形件。尽管钛合金精密旋压技术为航天领域提供了各类合金普旋成形高深径比旋压件,但从零件的工程化应用和旋压成形的复杂性分析,还需进一步加强。总的来说,旋压技术在国内航天工业获得广泛应用,但大直径、薄壁整体钛合金热旋压成形工艺尚无应用实例,直径2.25 m 贮箱箱底整体旋压技术、直径5 m 低温贮箱箱底瓜瓣成形、钛合金及高温合金复杂结构件成形等技术还处在工艺摸索阶段。

 

钛合金激光直接快速成形技术


  自20世纪90年代开始,随着计算机技术的飞速发展,激光直接制造技术逐渐成为制造领域研究的热点。激光直接快速成形技术中有2 种方法可以用于直接制造金属零件,即区域选择激光熔化(SelectiveLaserMelting, SLM)技术和近净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)技术。国外有关大型钛合金结构件激光直接快速成形技术的研究主要集中在美国。美国AeroMet公司在2002~2005 年间实现了激光直接快速成形钛合金结构件在飞机上的应用。2001 年Aero- Met 公司开始为波音公司F/A-18E/F 舰载联合歼击/ 攻击机小批量试制发动机舱推力拉梁、机翼转动折叠接头、翼梁、带筋壁板等机翼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 等战机上的验证考核和装机应用。在航天领域,NASA 马歇尔航天飞行中心(NASA’s Marshall Space FlightCenter in Huntsville,Ala。)于2012 年将选区激光熔化成形技术应用于多个型号航天发动机复杂金属零件样件的制造。激光直接快速成形技术还常常被用于钛合金零件或者模具的修复。

 

  我国钛合金结构件激光直接快速成形技术的研究,从2001 年开始一直受到政府主要科技管理部门的高度重视,在飞机、发动机等钛合金结构件激光快速成形制造工艺研究、成套装备研发及工程应用关键技术攻关等方面取得了较大进展。

  

  采用激光直接快速成形技术制造航空航天用的整体钛合金结构件具有材料利用率高、加工余量小、周期短和柔性高等优点。但激光快速成形过程中零件变形开裂预防,内部质量(内部缺陷、晶粒及显微组织等)及力学性能控制依旧是制约大型整体钛合金关键结构件激光直接快速成形技术发展和应用的技术瓶颈。

 

  结束语综合所述,钛合金精密热成形技术在获得不断进步的同时,也遇到了一些技术难题,大型整体钛合金构件的工程化应用范围还比较小,但随着航空航天产业的快速发展,钛合金精密热成形技术必定步入一个新的发展期,鉴于钛合金和精密热成形技术的突出优点,二者的结合在未来航空航天工业中的贡献作用将更为显著,今后其主要发展方向是:(1)大型或者超大型复杂(薄壁)结构件的整体精密成形、低成本、工程化应用;(2)计算机模拟(仿真)技术、CAD/CAM技术、数控技术等与精密成形技术的结合,为航空航天新构件的成形提供技术途径。

 

 


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