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中國突破600℃以上耐高溫钛合金3D打印技術,将應用于某型号飛機

更新時間:2019/09/05 09:43:34    浏覽次數: 298     文章來源: 搜钛網
   高溫钛合金,具有優異的熱強性、高比強度和良好的耐腐蝕性能,已經成為航空、航天、艦船等高端裝備領域首選的新一代耐高溫高性能結構材料。但是由于高溫合金工藝性能的特殊性以及相對較高的材料成本,在制造較複雜形狀和薄壁異型構件時,使用傳統工藝制造存在制造周期長、材料利用率低、制造成本較高等問題,亟待開發新的制造工藝。

 
  高溫钛合金材料激光沉積成形制件外觀(未做表面處理,耐600℃以上高溫)
  南極熊了解到,為了解決上述問題,滿足高性能結構材料3D打印的需求,鑫精合激光科技發展(北京)有限公司(以下簡稱鑫精合)自2017年開始,就持續開展了大量技術研發工作。
  激光沉積增材制造技術(LMD)原理
  鑫精合采用激光沉積增材技術(俗稱送粉激光金屬3D打印技術)進行高溫钛合金材料成形制造,能夠實現大型複雜結構零部件的低成本、快速整體成形,極大地提高材料利用率,同時節省模具成本、減少加工周期,能夠很好的适應高端裝備領域對快速響應、智能制造的要求。

 
  激光沉積增材制造工藝原理
  以高功率激光為能量源,采用粉末同步送進的方式,将待熔粉末直接送入高能束激光産生的熔池中,由機床或機器人引導高能束激光逐層按軌迹行走,層層堆積最終成型出三維立體金屬零部件。
  激光沉積增材制造技術優勢
  可以精确控制能量輸入、光斑直徑(熔道寬度)、成形方式、掃描路徑和層厚,實現任意複雜形狀金屬零件的成型制造。它在制造大型複雜高性能結構時具有高效率、低成本、高質量等優勢。因此,研究高溫钛合金材料的激光熔化沉積制造技術具有重要的理論意義和實用價值。

 
  天津鐳明LM-S2510激光沉積增材制造設備
  耐溫600℃以上高溫钛合金材料的激光沉積增材工藝
  鑫精合技術研發團隊首先從材料與工藝的匹配性入手,研究掌握了系列化耐溫600℃以上高溫钛合金材料的激光沉積增材工藝适應性。同時,鑫精合與中國科學院金屬研究所、航天科工三院等單位合作,形成強強聯合,開展了Ti60、Ti65、Ti750等高溫钛合金牌号及800℃度以上钛合金基複合材料的材料開發、工藝摸索與設計應用技術研究,特别是通過六送粉頭同時噴射多種不同合金元素及複合材料的方式,很好解決了傳統冶煉過程偏析和難熔及多梯度溫度冶煉難等問題,解決材料開發中的工藝性限制問題。
  經過努力,鑫精合突破了600℃以上高溫钛合金材料的激光沉積制造技術,掌握系列化高溫钛合金材料的增材制造工藝。他們研發了高溫钛合金材料分區成形策略、負搭接長城形掃描策略,結合搭接率參數的合理控制,并采用在激光沉積增材制造過程中添加活性金屬粉末等方式,消除了高溫钛合金激光沉積過程中可能出現的細微缺陷,實現了高溫钛合金的高性能和高可靠性成形制造。
  鑫精合旗下子公司天津鐳明的LM-S2510激光沉積成形設備,制造出的600℃以上高溫钛合金産品,已經在某飛機型号領域得到裝機應用。

 
  高溫钛合金激光沉積成形組織形貌(左圖:優化前右圖:優化後)
  3D打印的高溫钛合金構件,内部組織均勻緻密、缺陷可控,外觀平整勻稱,制件強度高、耐高溫性好,綜合性能優異。以某牌号高溫钛合金為例,金屬零件性能表現為:
  室溫抗拉強度達到1080MPa,屈服強度達到980MPa,延伸率達10%以上,沖擊韌性αKU達到30J/cm2以上;
  600℃高溫拉伸強度可達700MPa,屈服強度達到560MPa,延伸率達到20%;
  650℃高溫拉伸強度到達640MPa,屈服強度達到500MPa,延伸率接近30%;
  600℃450MPa應力下的高溫持久達到30h以上;
  650℃330MPa應力下的高溫持久平均達到15h以上,并具有較高的斷裂韌性值KIC。
  鑫精合增材制造高溫钛合金材料典型性能
  測試項目
  試驗溫度,℃
  性能項目
  A/%
  Z/%
  Rm/MPa
  Rp0.2/MP
  室溫拉伸
  20
  12
  23
  1085
  986
  高溫拉伸
  600
  21
  48
  707
  563
  高溫拉伸
  650
  29
  56
  643
  510
激光沉積增材制造的高溫钛合金材料,以其良好的綜合性能,特别是600℃以上優異的高溫性能,将有望在航空航天、艦船和化工等各行業廣泛應用。這個技術的應用突破,将為我國高端裝備制造領域提供更強有力的高性能材料和工藝技術。
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