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增材制造全面应用发动机?先解决这几点再说

航空制造网
2016-12-01
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增材制造技术诞生于20世纪80 年代末,被认为是制造技术的一次革命性突破。增材制造从三维模型出发实现零件的直接近净成形制造,主要优势体现在所制造产品的复杂程度、生产制造的范围、生产效率、满足客户个性化需求等方面。

增材制造技术在航空发动机中的应用

结合目前已有的技术成果以及航空发动机零部件的特点,增材制造技术在航空发动机中的应用主要有以下几方面:(1)成形传统工艺制造难度大的零件;(2)制备长生产准备周期零件,通过减少工装,缩短制造周期,降低制造成本;(3)制备高成本材料零件,提高材料利用率以降低原材料成本;(4)高成本发动机零件维修;(5)结合拓扑优化实现减重以及提高性能(冷却性能等);(6)整体设计零件,增加产品可靠性;(7)异种材料增材制造;(8)发动机研制过程中的快速试制响应;(9)打印树脂模型进行发动机模拟装配等。

对于航空发动机研制过程,增材制造技术的优势在于能够实现更为复杂结构零件的制造。例如,采用增材制造技术制备的发动机涡轮叶片,能够实现十分复杂的内腔结构,这是传统制造工艺很难实现的。对于发动机实际零件的制作主要是金属零件的制备,应用包括零件铸造和金属零件直接打印以及构件修复。

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航空发动机零件增材制造技术的关键问题

要实现增材制造技术在航空发动机中的工程化应用,亟需解决原材料制备、成形工艺过程管控、成形零件质量控制、评估以及工程化标准等若干问题。

1航空发动机零件增材制造用金属材料

粉末材料是目前最常用的金属类增材制造用材料。对于金属增材制造技术来说,金属粉末的质量显著地影响着最终产品的质量。研究表明,并非所有的金属粉末都适用于增材制造成形。在相应的热力学和动力学规律作用下,有些粉末的成形易伴随球化、空隙、裂纹等缺陷。因此,需要通过分析试验来确定航空发动机零件材料与各种增材制造技术的匹配性。由于航空发动机零部件的特殊工作环境及性能要求,一般进行增材制造所选用的粉末材料需要专门制备,价格昂贵,导致增材制造零件的材料成本较高,在一定程度上阻碍了增材制造技术在航空发动机中的应用。目前,国内增材制造所选用的粉末材料大多依赖于进口渠道,如何制备出能够满足发动机应用要求的低成本粉末材料,已经得到国内材料行业及增材制造领域的重视。

另外,目前国内还没有形成成熟的评价方法或标准来判定粉末材料与增材制造工艺的适用性,增材制造用粉末的相关评价方法及指标需要进一步深入的研究与思考。国内的金属粉末材料通常用于粉末冶金工业,针对粉末冶金工艺的技术特点,已经发展出了一套比较完善的粉末评价方法及标准,有相对比较完善的指标可用来衡量粉体材料的性能,如粒径、比表面积、粒度分布、粉体密度、流速、松装密度、孔隙率等。其中粉末的流动性、振实密度等指标是衡

量粉末冶金用粉末材料的重要指标。

而增材制造工艺与粉末冶金工艺有明显的区别,粉末材料在热源作用下的冶金变化是极速的,成形过程中粉体材料与热源直接作用,粉体材料没有模具的约束以及外部持久压力的作用。需要综合考虑粉末制备技术、增材制造工艺以及航空发动机零件的性能要求,制定适用于航空发动机零部件增材制造的粉末材料评判准则。

2发动机用增材制造零件质量控制

金属材料增材制造技术的难点在于:金属的熔点高,成形过程涉及到固液相变、表面扩散及热传导等问题;激光或电子束的快速加热和冷却过程容易引起零件内部较大的残余应力。而发动机零件对制造精度及性能等方面的要求往往高于常规零件,如尺寸精度、表面粗糙度及机械性能等。目前的增材制造技术在很多指标方面还不能完全满足发动机零件的精度及性能需求,需要进行成形后处理或后加工,这在一定程度上阻碍了增材制造技术的推广。要实现增材制造零件在发动机中的应用,还需要解决很多关键工艺技术问题,实现对增材制造制件冶金质量及力学性能的有效控制。

业界对增材制造过程中的常见缺陷类型及其影响因素和控制方法已经做了一定研究。增材制造成形过程中,材料的熔化、凝固和冷却都是在极快的条件下进行的,金属本身较高的熔点以及在熔融状态下的高化学活性,以致在成形过程中若工艺(功率波动、粉末状态、形状及尺寸和工艺不匹配等)或环境控制不当,容易产生各种各样的冶金缺陷,如裂纹、气孔、熔合不良、成分偏析、变形等。

其中裂纹是最常见、破坏性最大的一种缺陷,可通过优化激光增材制造工艺参数、成形之前预热、成形后缓慢冷却或热处理、合理设计粉末成分等措施来控制裂纹的形成。当惰性气氛加工室中的氧含量得到控制时,激光快速成形一般不会出现裂纹,但可能会出现气孔和熔合不良等冶金缺陷。气孔多为规则的球形或类球形,内壁光滑,是空心粉末所包裹的气体在熔池凝固过程中未能及时溢出所致,通过调节激光增材制造工艺参数,延长熔池存在的时间,使气泡从熔池中溢出的时间增加,可以有效减少气孔的数量。熔合不良缺陷一般呈不规则状,主要分布在各熔覆层的层间和道间,合理匹配激光光斑大小、搭接率、Z 轴单层行程等关键参数能有效减少熔合不良缺陷的形成。增材制造层存在热应力、相变应力和拘束应力,在上述应力的综合作用下可能会导致工件变形甚至开裂,合理控制层厚并在成形前对基板进行预热、成形后进行后热处理,能有效减小基板热变形和增材制造层的内应力,从而减小工件的变形。由于增材制造过程影响因素众多,而且发动机中选用增材制造技术的零件大多结构复杂,对于特定零件特定材料的成形过程中的工艺控制方法仍需进行大量模拟及试验工作,以确保最终零件的质量。

3增材制造零件的热处理/ 热等静压工艺

对增材制造零件进行热处理、热等静压等后处理是当前金属增材制造技术实现组织结构优化和性能提高的主要工艺手段。增材制造的成形材料呈粉末状,通过激光的逐行逐层扫描、烧结后,成形零件中会形成大量的孔隙,孔隙的存在将使零件的整体力学性能下降,严重影响增材制造零件的实际应用。通过热等静压(HIP)处理,成形件中的大尺寸闭合气孔、裂纹得以愈合,小尺寸闭合气孔、裂纹得到有效的消除,同时晶粒发生再结晶现象,使得晶粒得到细化,组织致密。内部裂纹修复愈合和再结晶使得成形件强度和塑性得到恢复和提升,力学性能的稳定性和可靠性也会得到提高。而通过对制件进行适当的热处理,可以改善不同材料制件的显微组织、力学性能和残余应力等。结合材料组织和力学性能表征,针对不同的增材制造工艺制备的制件,获取合理的热处理/ 热等静压制度,对航空发动机零件增材制造技术具有十分重要的意义。

4增材制造标准工作

经过几十年的发展,增材制造技术已逐渐从实验室走向实际生产,由于缺乏质量控制与应用的相关标准,限制了增材制造技术进入市场化运用。随着增材制造技术的日臻成熟,近年来与之相关的标准化工作也日益增加。

国外在增材制造技术标准工作方面主要以美国汽车工程师协会(SAE)、美国材料与试验协会(ASTM)和国际标准化组织(ISO)为代表。2002 年,SAE 发布了第一份增材制造技术标准AMS 4999《退火Ti-6Al-4V 钛合金激光沉积产品》(2011 年升版为AMS 4999A《退火Ti-6Al-4V 钛合金直接沉积产品》),该标准与宇航材料规范AMS 4998《Ti-6Al-4V 钛合金粉末》推动了美国材料类军用标准规范向宇航材料规范的转化。在铺粉式增材制造工艺方面,2009 年,ASTM 颁布了ASTM F2924-12《铺粉熔覆增材制造Ti6Al4V 标准规范》,同时ASTM和ISO 组织分别成立了专门的增材制造技术委员会ASTM F-42 和ISOTC 261,编制涵盖基础标准、产品标准和设计指南的完整的基础标准体系和开放的产品标准体系。已发布的材料及工艺标准主要集中在钛合金材料Ti-6Al-4V,工艺热源涉及激光和电子束,材料类型涉及粉末和丝材,工艺涵盖了产品的热处理及热等静压,制件要求涵盖了组织性能、内部质量等具体要求。欧盟支持的SASAM 项目发布的2015 增材制造标准化路线图中提出了增材制造标准化需求模型。

目前尚无针对航空发动机增材制造产品系统的材料工艺及质量验收标准。由于缺乏对原材料表征、成形过程控制及产品认证的统一规定,已经运用于相关领域的增材制造技术产品均采用各企业的技术条件和规范,这在一定程度上阻碍了增材制造产品市场化,所以需要迫切开展增材制造技术标准化的工作。

结束语

随着增材制造技术的不断发展,在航空航天领域的研究与应用也越来越广泛。将增材制造技术应用于发动机零部件的制造对于提高发动机性能、降低制造周期及成本有着很重要的意义。目前的增材制造技术还存在很多亟待解决的关键技术,其中包括原材料、工艺控制、标准等方面。

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文章节选自《增材制造技术在航空发动机中的应用及发展》作者:闫 雪,阮雪茜

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