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金属增材制造技术在航空领域的发展与应用

2015-08-26 08:56
逆光飞舞
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  高能束流增材制造以激光/ 电子束作为热源,利用“离散 - 堆积”原理,通过熔化粉末或丝材逐层堆积,实现金属零件的直接制造,未来必将对对航空制造技术的发展产生深远影响。

  新一代飞行器不断向高性能、高可靠性、长寿命、低成本方向发展,越来越多地采用整体结构,零件趋向复杂化、大型化,从而推动了增材制造技术的发展与应用。增材制造技术从零件的三维CAD 模型出发,无需模具,直接制造零件,可以大大降低成本,缩短研制周期,是满足现代飞行器快速低成本研制的重要手段,同时也是满足航空航天超规格、复杂金属结构制造的关键技术之一。

  中航工业北京航空制造工程研究所增材制造专业是高能束流加工技术重点实验室的主要研究方向之一,以关桥院士为首、以中青年博士、硕士为骨干的研究团队,涵盖成形工艺、装备开发、软件设计、性能测试等各个领域,形成了较为完整的专业体系。多年以来,重点实验室增材制造专业先后承担了国防预研基金、航空支撑项目、航空基金、型号技术攻关项目等30 余项,进入了快速发展期。重点开展的研究方向有电子束熔丝沉积、电子束选区熔化、激光直接沉积和激光选区熔化等金属高能束流增材制造技术,实现了技术与应用的重要突破。采用电子束熔丝沉积成形技术制造的飞机钛合金零件和采用激光选区熔化技术制备的空间曲面复杂孔格金属结构零件均在国际上率先实现了装机应用,目前正积极努力将科研成果更多、更快、更好地推广应用于国家重大装备的研制生产中。

  电子束熔丝沉积成形

  电子束熔丝沉积技术又称为电子束自由成形制造技术(Electron Beam Freeform Fabrication,EBF3)。在真空环境中,高能量密度的电子束轰击金属表面形成熔池,金属丝材通过送丝装置送入熔池并熔化,同时熔池按照预先规划的路径运动,金属材料逐层凝固堆积,形成致密的冶金结合,直至制造出金属零件或毛坯。其原理见图1。

  图1 电子束熔丝沉积成形原理图

  电子束熔丝沉积快速成形技术具有一些独特的优点,主要表现在以下几个方面:

  (1)沉积效率高。电子束可以很容易实现数十kW 大功率输出,可以在较高功率下达到很高的沉积速率(15kg/h),对于大型金属结构的成形,电子束熔丝沉积成形速度优势十分明显。

  (2)真空环境有利于零件的保护。电子束熔丝沉积成形在10-3Pa真空坏境中进行,能有效避免空气中有害杂质(氧、氮、氢等)在高温状态下下混入金属零件,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;同时,利用电子束扫描对熔池进行旋转搅拌,可以明显减少气孔等缺陷。电子束熔丝沉积成形的钛合金零件,其超声波探伤内部质量可以达到AA 级。

  (4)可实现多功能加工。电子束输出功率可在较宽的范围内调整,并可通过电磁场实现对束流运动方式及聚焦的灵活控制,可实现高频率复杂扫描运动。利用面扫描技术,能够实现大面积预热及缓冷,利用多束流分束加工技术,可以实现多束流同时工作,在同一台设备上,既可以实现熔丝沉积成形,也可以实现深熔焊接。利用电子束的多功能加工技术,可以根据零件的结构形式以及使役性能要求,采取多种加工技术组合,实现多种工艺协同优化设计制造,以实现成本效益的最优化。

  美国麻省理工学院的V.R.Dave等人最早提出该技术并试制了Inconel 718 合金涡轮盘。2002年,美国航空航天局(NASA)兰利研究中心的K.M. Taminger 等人提出了EBF3 技术,重点开展了微重力条件下的成形技术研究。同一时期,在海军、空军、国防部等机构支持下,美国Sciaky 公司联合Lockheed Martin、Boeing 公司等也在同时期合作开展了研究,主要致力于大型航空金属零件的制造, 见图2。成形钛合金时,最大成形速度可达18kg/h,力学性能满足AMS4999 标准要求。Lockheed Martin 公司选定了F-35 飞机的襟副翼梁(见图2左下),准备用电子束熔丝沉积成形代替锻造,预期零件成本降低30%~60%。据报道,装有电子束熔丝沉积成形钛合金零件的F-35 飞机已于2013 年初试飞。2007 年美国CTC公司领导了一个综合小组,针对海军无人战斗机计划,制定了“无人战机金属制造技术提升计划”(N-UCASMetallic Manufacturing Technology Transition Program),选定电子束熔丝沉积成形技术作为未来大型结构低成本高效制造的方案。目标是将无人机金属结构的重量和成本降低35%。

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