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    金属3D打印将颠覆高温合金制造技术!

    点击次数:14 更新时间:2020-10-12

    传统的高温合金制造工艺

    高温合金是一类主要含Ni雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、Co、Fe等金属且耐高温、抗腐蚀和耐氧化的合金,尤其是可以在接近熔点的温度范围内工作雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。该合金一问世就用于涡轮发动机的涡轮叶片的制造,现在该合金广泛的应用于高温应用的场合雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,如航空航天和电力工业。为达到上述所要求的高温性能(同时满足高温机械性能和化学性能),显微组织的控制至关重要雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。通常通过特殊元素的添加和精心的制造工艺来保障。

    镍基高温合金,是高温合金中发展最早且发展最为完善的高温合金之一。主要依靠两种相结构来强化。一种是弥散的(Ni、Co)3(Al、Ti、Ta)析出相,被称之为γ’相雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。在富含Cr的Ni基体中生长起来的雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。其他的合金化元素如耐火元素(Re、Mo、W)或类金属(B雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、C)的加入∮暄嘀辈ッ夥?雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台;谝陨显氐幕匦?雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,这些合金可以说是人们研究设计出来的最为复杂的合金雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,也付出了人们复杂且巨大的智慧雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。在传统制造工艺中,这一关键的析出相通过在温度范围为1000~750℃的冷却过程中的扩散控制反应来实现雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。

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    图1 高温合金叶片及其组织的动画图


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    图2 飞机发动机实物、发动机叶片及其纤维组织和相分布图

    制造工艺是传统高温合金中最致命的环节,要满足应用必须制造出结构合理雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、性能卓越的合金来需要经过冗长的制造工序和昂高贵的减材制造加工。现在雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,我们仍然在采用精密制造工艺来制造飞机和电力工业中所用的高温合金。这一工艺同制作古董相类似雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。例如,为了制作喷气式飞机所用的涡轮叶片,需要同时制造蜡模和冷却通道所用的硅基复制品雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,利用这些来为每个部件制造陶瓷模具雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,该模具中注入几千克乃至几十千克(有可能会更多)的金属熔体,且还是在真空的条件下完成。冷却至室温需要好几个小时,并且在冷却过程中还不可能抑制在冷却过程中γ’相的析出。而且,随后在大约1300℃该需要小心翼翼的进行好几个小时的热处理,该温度仅低于熔点,是为了减少在铸造过程中化学枝晶的偏析。最后雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,通过机加工达到所需要的形状。该消失模铸造包括诸多化学和工艺上的控制雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。同时在铸造和机加工过程中,得到的成品的成品率一般只有10%。

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    图 3 传统工艺制造单晶高温合金的流程


    3D打印作为一种新技术应用于高温合金的制造

    3D打印,又叫增材制造(AM),作为代替高温合金的铸造技术,具有显著的不同雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。制造步骤减少、浪费的材料也大为减少,即材料利用率非常高。以激光为能量源的3D打印,是在在几十微米直径的条件下快速熔化和凝固固态粉末雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,然后基于CAD文件层层堆积,从而制造出自由形状的实体来,中空结构也好、泡沫或多孔结构也好,通减材相比,更充分的利用了原材料雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。而且,AM工艺是在微米尺度范围内熔化和凝固的,从而可以有较高的冷却速率,从而同传统的制造过程相比有着不同的冶金反应雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。凝固后可以得到比枝晶结构更细小的胞晶结构。这显著排除了传统工艺中生成的枝晶偏析。传统工艺中得到的直径偏析还需要后续的匀质化处理过程。析出的γ’相也会由于快速冷却而得到抑制雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,从而有可能得到纳米尺度的相的析出,同时后续的热处理还可以进一步的改善性能雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。析出相可以通过后续的热处理以获得理想的显微组织和同时获得高强度。

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     图 4 AM制造的高温合金叶片

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    图 5 增材制造所得到的γ’相 等组织


    然而雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,随着AM制造的中空结构的涡轮叶片越来越多的得到应用,我们所面临的挑战也不少。为了更好的将AM技术应用于高温合金,我们需要更好地理解AM技术的科学问题。但深入理解AM制造过程中的相关问题却又存在诸多的障碍,这是因为AM的基础理论包含着复杂的物理和化学翻译。这些均发生在时间跨度和物理三维空间,如图所6示雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。例如,当激光同金属粉末接触时,所有可能发生的四个物质状态的阶段:液体、固体、气体和等离子体,均是相互作用的雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,几乎没有一个物理模型可以将上述复杂过程一下子就描述清楚。此外,快速和重复加热循环的本质也造成了温度梯度和化学、显微组织以及机械状态的亚稳态雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、触发冶金缺陷等雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,这些是对性能有着致命的影响。

    最后雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,大多数传统高温合金并不能直接从传统工艺移植到3D打印工艺,这是因为传统制造高温合金的工艺是为特定工艺优化的结果雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,如铸造雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、锻造、焊接等雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。由于AM快速和重复热循环的工艺特征雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,为了适应高温合金的AM制造,需要利用计算机来对成分-工艺相关的数据驱动技术来进行优化设计出新的合金成分来,以实现定制,从而符合AM制造所需要的显微组织和性能。新型的优化后用于3D打印的高温合金可用于高温合金的无裂纹和无气孔的AM制造。

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    图6 粉末床AM制造过程中的多尺度、多物理场现象示意图

    3D打印对航空航天制造业的影响是巨大的,因为3D打印不仅仅作为一种制造技术,更是创造了产品的附加值。

    转载:江苏激光产业创新联盟

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