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    金属增材制造技术在民用航空领域的应用与挑战

    点击次数:12 更新时间:2020-10-20

    民用航空装备及系统中越来越多的零部件结构设计趋向复杂化、功能结构一体化,传统铸造、锻造结合机械加工的制造工艺已经无法适应零部件的快速迭代研发和低成本制造需求雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。金属增材制造是一项集成热源(激光、电子束等)、机械、计算机软件、材料、控制、网络信息等诸多现代先进技术而形成的一项实现高性能致密金属零件快速自由成形的新型制造技术雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。与传统加工技术相比雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,金属增材制造技术具有加工周期短,材料利用率高雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,无需刀具、模具雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,小批量零件生产成本低等优点,可实现多种材料复合制造,可以解决型号研制阶段快速响应的难题,在民用航空领域取得了快速发展。

    金属增材制造技术分类及特点

    在民用航空领域主要应用的金属增材制造技术有两类,一类是粉末床熔融技术,如选区激光熔融(Selective Laser Melting,SLM)、电子束熔化(Electron Beam Melting雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,EBM)雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。另一类是定向能量沉积技术,如激光熔化沉积(Laser Melting Deposition,LMD)。以上3 种技术对比如表1所示。


    金属增材制造技术.jpeg

    金属增材制造技术在民用航空领域研究进展

    研究现状

    I 面向增材制造的设计

    增材制造技术可极大提升设计自由度,开展面向增材制造的零件结构设计研究,对于发挥其技术优势起到关键作用雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。

    面向增材制造的设计方法基础研究方面,国内外相关研究机构已取得部分成果。如法国通信与控制研究院Ponche等提出了面向增材制造设计(Design For Additive Manufacturing,DFAM)的3个步骤的方法论;英国威尔士大学Thomas对SLM 成形能力进行了测试雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,为结构设计提供依据;美国路易威尔大学Yang等针对金属增材制造三维网格设计和加工进行了相关研究;德国Kranz等对SLM成形TC4钛合金设计规则进行了细致研究,提出了大量适用于SLM技术的结构特征。

    增材制造技术在民用航空领域的应用场景主要分为两类:一类是基于传统设计方案,经过合并、拓扑优化设计得到新设计方案,这也是目前主要研究方向雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。美国国防部、Sandia实验室等单位已经将拓扑优化技术应用于航空产品设计,并开展了试验件加工和验证性试验。Altair公司在考虑稳定性的同时,使用一种多级方法实现了翼梁结构的拓扑优化设计。在国内,张卫红等在飞机发动机挂架和后机身结构布局优化设计方面取得重要进展雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。设计软件的开发也在不断适应拓扑优化设计的需求雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,其中比较著名的有美国Altair公司的Optistruct软件、ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件、德国FE-DESIGN公司的Tosca软件。

    第二类是从零开始进行的面向增材制造的结构功能一体化设计。如面向功能需求重新设计零件等,可充分利用增材制造工艺优势,同时与传统工艺有机结合实现优势互补,兼顾生产效率与经济性。与第一类零件对比雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,第二类零件对面向增材制造的设计方法提出了更高要求,是未来的主流研究方向。

    I 原材料研究

    金属粉末作为金属增材制造的原材料,其化学成分、粒度分布等指标对制件质量存在重要影响。

    在粉末化学成分方面,目前多进行定性分析,如明确O、N、Si 含量升高会降低Hastelloy X制件的持久性能,C元素含量降低会降低制件的强度等。随着增材制造成形机理和特点逐渐明晰,部分学者也开始进行面向增材制造工艺的新材料设计,通过成分调配以适应成形工艺并提高制件的性能雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台。

    在粉末粒度方面雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,15~45μm的粉末适用于SLM 成形,45~110μm的粉末适用于EBM成形,45~220μm的粉末适用于LMD成形。粉末粒径越小,越容易在成形过程中出现过热现象;粉末粒径过大,可能导致零件的致密度下降。对粉末床熔融而言,粉末粒径分布决定铺粉层厚雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,小的粉末粒径和较窄的粒度分布范围有利于获得稳定的熔池并提高制件的致密度。

    粉末受潮会导致粉末表面形成单层或多层分子层雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,氢键增加雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,相互作用力增大,流动性降低雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,造成制件孔隙率升高等。对粉末床熔融而言雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,粉末中的卫星球、长条颗?;嵊跋旆勰┑牧鞫?,从而影响铺粉质量。

    在粉末空心率方面,空心粉会导致制件中气孔缺陷的产生雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,降低制件的致密度,大量孔洞的存在导致合金拉伸强度和屈服强度下降,尤其使缺口持久寿命和疲劳性能明显恶化。

    循环利用方面,随着粉末循环使用次数的增加,金属粉末的粒径会稍有增加,表面粗糙度升高(图1),O雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、N元素含量上升,粒度分布范围变窄,拉伸强度略有提升。

    金属增材制造技术.jpeg

    图1 原始粉末和使用后粉末表面形貌


    增材制造技术在民用航空领域应用面临的若干挑战

    增材制造零件通过适航认证是实现民用航空领域工程化应用的前提。增材制造技术的应用水平高度依赖于部件的创新设计,在零件设计、制造和验证过程中,应充分考虑结构设计、成形工艺(模型摆放位置、支撑设计、打印方向等)、过程质量监测和控制、后处理技术及零件检测技术可靠性等方面的影响因素。

    基于民用航空领域对新材料雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台、新工艺技术的安全符合性及经济性要求雨燕直播免费-雨燕直播免费直播-雨燕直播免费平台,增材制造技术还存在很多的挑战。


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