解析高性能金屬零件激光增材制造技術研究進展

2017.06.05/文

增材制造相對于減法制造,它通常是逐層累加的過程,是通過添加材料直接從三維數學模型獲得三維物理模型的所有制造技術的總稱,集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層制造技術、數控技術、材料科學、電子束、激光等技術于一身,可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件,從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現手段。學術界稱之為“增材制造”,大眾和傳媒界稱之為“3D打印”。

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AM技術主要具有以下幾個突出的特點:

(1)直接。從原材料的粉材、絲材直接成形出來,形狀可以是任意復雜的三維零件,直接跨越了傳統的鑄造、鍛造、焊接等工藝,還跨越了粗加工的過程,直接到精加工,這是AM技術最主要的特點;

(2)快速。物流環節少,制造工序少,制造周期加快;

(3)綠色。跟“直接”密切相關,中間的過程少了,基礎零件不再被反復地加熱、冷卻,所以能耗就低了;

(4)柔性。AM技術可以充分發揮設計師的想象力,設計師的自由度大,可以設計出任意結構的零件;

(5)數字化、智能化為制造業的變革帶來了可能,因為AM技術發展使傳統的流水線、大工廠生產模式有網絡化的可能性。故把這種新技術說成是具有直接、快速、綠色、柔性、數字化、智能化特點的AM技術。 
兩種典型LAM技術的成形原理及其特點 LAM技術按其成形原理可分為兩類:

(1)以同步送粉為技術特征的激光熔覆沉積(Laser Cladding Deposition,LCD)技術;

(2)以粉床鋪粉為技術特征的選區激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技術。下面著重概述這兩種典型LAM技術的成形原理及其特點。 

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1   LCD技術成形原理及特點

LCD技術是快速成形技術的“疊層累加”原理和激光熔覆技術的有機結合,以金屬粉末為成形原材料,以高能束的激光作為熱源,根據成形零件CAD模型分層切片信息的加工路徑,將同步送給的金屬粉末進行逐層熔化、快速凝固、逐層沉積,從而實現整個金屬零件的直接制造。LCD系統主要包括:激光器、冷水機、CNC數控工作臺、同軸送粉噴嘴、送粉器及其他輔助裝置。

LCD技術集成了快速成形技術和激光熔覆技術的特點,具有以下優點:

(1)無需模具,可生產用傳統方法難以生產甚至不能生產的復雜形狀的零件;

(2)宏觀結構與微觀組織同步制造,力學性能達到鍛件水平;

(3)成形尺寸不受限制,可實現大尺寸零件的制造;

(4)既可定制化制造生物假體,又可制造功能梯度零件;

(5)可對失效和受損零件實現快 速修復,并可實現定向組織的修復與制造。

主要缺點:

(1)制造成本高;

(2)制造效率低;

(3)制造精度較差,懸臂結構需要添加相應的支撐結構。

2   SLM技術成形原理和特點 

SLM技術是以快速原型制造技術為基本原理發展起來的先進激光增材制造技術。通過專用軟件對零件三維數模進行切片分層,獲得各截面的輪廓數據后,利用高能激光束根據輪廓數據逐層選擇性地熔化金屬粉末,通過逐層鋪粉,逐層熔化凝固堆積的方式,實現三維實體金屬零件制造。選區激光熔化系統主要由激光器及輔助設備、氣體凈化系統、鋪粉系統、控制系統4部分組成。 SLM技術具有以下優點:

(1)成形原料一般為金屬粉末,主要包括不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦合金、鈷-鉻合金、高強鋁合金以及難熔金屬等;

(2)成形零件精度高,表面稍經打磨、噴砂等簡單后處理即可達到使用精度要求;

(3)適用于打印小件;

(4)成形零件的力學性能良好,一般力學性能優于鑄件,不如鍛件。

主要缺點: 

(1)層厚和光斑直徑很小,導致成形效率很低;

(2)零件大小會受到鋪粉工作箱大小的限制,不適合制造大型的整體零件;

(3)無法制造梯度功能材料,也無法成形定向晶組織,不適合對失效零件的修復。 

國內外激光增材制造技術的最新研究進展

1. 國內外LCD技術最新研究進展

國內外對于LCD技術的工藝研究主要集中在如何改善組織和提高性能。美國OPTOMEC公司和Los Alomos實驗室、歐洲宇航防務集團 EADS等研究機構針對不同的材料(如鈦合金、鎳基高溫合金和鐵基合金等)進行了工藝優化研究,使成形件缺陷大大減少,致密度增加,性能接近甚至超過同種材料鍛造水平。例如,美國空軍研究實驗室Kobryn等對Ti6Al4V激光熔覆沉積成形 工藝進行了優化, 并研究了熱處理和熱等靜壓對成形件微觀組織和性能 的影響,大大降低了組織內應力,消除了層間氣孔等缺陷,使成形件沿沉積方向的韌性和高周疲勞性能達到了鍛件水平。

德國漢諾威激光研究 中心Rottwinkel等 利用感應加熱對基體提前預熱的方法解決了高溫合金成形過程熔覆層開裂的問題,并應用于高溫合金葉片的成形和修 復。在國內, 北京航空航天大學陳博等主要研究了鈦合金零件的LCD 工藝, 并通過熱處理制度的優化,使鈦合金成形件組織得到細化, 性能明顯提高,成功應用于飛機大型承力結構件的制造, 西安交通大學葛江波、張安峰和李滌塵等則通過單道-多道-實體遞進成形試驗,研究了工藝參數對鐵基合金和鎳基合金材料 成形件的尺寸精度、 微觀組織和力學性能的影響規律, 并實現了對成形零件的精確成形和高性能成性一體化 “控形控性” 制造。

LCD技術在零件修復領域也得到了廣泛應用, 美國Sandia國家實驗室和空軍研究實驗室、 英國Rolls-Royce公司、 法國Alstom公司以及德國Fraunhofer研究所等均對航空發動機渦輪葉片和燃氣輪機葉片的激 光熔覆修復工藝進行了研究并成功實現了定向晶葉片的修復,如圖1(a) 所示。此外,美國國防部研發的“移 動零件醫院”,如圖1(b),將LCD技 術應用于戰場環境,可以對戰場破損零件 (如坦克鏈輪、傳動齒輪和軸類零件等) 進行實時修復,大大提高了戰場環境下的機動性。 

同時,利用LCD技術,通過混合粉末或控制噴嘴同時輸送不同的粉 末, 可以成形金屬-金屬和金屬-陶瓷等功能梯度材料。美國里海大學 的Fredrick等 研究了利用LCD技術制造Cu與AISI 1013工具鋼梯度 功能材料的可行性, 通過工藝優化以及利用Ni作為中間過渡層材料,解決了梯度材料成形過程中兩相不相容和熔覆層開裂的問題。美國南衛理公會大學的MultiFab實驗室利用LCD技術成功制造了同時具有縱向和橫向梯度的金屬-陶瓷復合材料 零件,如圖2(a)所示。斯洛文尼亞馬里堡大學也對Cu/H13梯度材料的LCD工藝進行了研究,得到了無裂紋的Cu/H13梯度材料,且試樣拉伸強度高于普通鑄造銅,如圖2(b)所示。

此外,美國Sandia國家實驗室和密蘇里科技大學等研究機構也分別研究了Ti/TiC、Ti6Al4V/In 625和In 718/Al2O3等不同材料的功能梯度零件LCD成形工藝。國內方面,西北工業大學楊海鷗、黃衛東等研究了316L/Rene 88DT梯度材料的LCD成形工藝,并總結了熔覆層微觀組織和硬度隨著梯度材料不同成分含量變化而變化的規律。西安交通大學解航、張安峰等進行了Ti6Al4V/CoCrMo功能梯度材料的LCD研究。此外,北京有色金屬研究院席明哲等研究了316L/鎳基合金/Ti6Al4V的成形工藝,沈陽理工大學田鳳杰等則研究了梯度材料LCD成形同軸送粉噴嘴的設計。 LCD設備的升級和改進也是國 內外研究的熱點之一。

美國密蘇里科技大學Tarak等開發了LAMP加工系統,將LCD技術和CNC切削技術結合,在機床主軸上安裝激光頭,從而實現對熔覆成形后的零件實時加工,提高了生產效率,同時保證 了零件精度。同樣來自美國南衛理公會大學MultiFab實驗室的研究人員將五軸聯動技術應用于LCD,通過工作臺擺動旋轉調整,從而克服懸臂件加工支撐的問題,可以成形各類復雜懸臂零件。德國DMG MORI公司 開發的LaserTec 65同樣將五軸聯動 切削加工與LCD結合起來,用于復雜形狀模具、航空異形冷卻流道等零件的加工制造。國內對于LCD設備 的研究較少, 目前西安交通大學正在研制一臺五軸聯動激光增材-減材一體化成形機。 

2   國內外SLM技術最新研究進展 

在SLM成形工藝方面,國內外研究者在缺陷控制、 應力控制、成形微觀組織演變和提高成形件力學性能等方面開展了大量研究工作。德 國弗朗霍弗研究所 (Fraunhofer, ILT)研究人員在SLM成形不同臂厚 的AlSi10Mg雙懸臂梁時, 對基板進行預熱, 發現當預熱溫度為250℃時, 有效地降低了因溫度梯度產生的熱應力, 將成形件與基板分離后,不同臂厚的雙懸臂梁均未發生變形和開裂。利茲大學的Olakanmi等總結了近年來世界范圍內針對鋁合金SLM成形的工藝、微觀組織和力學性能的研究成果。

曼徹斯特大學的Majumdar等研究了316L不銹鋼粉末SLM成形過程中微觀組織的變化規律,發現試件上表面由于熱量沿各個方向散熱為等軸晶顯微組織,試件下部由于熱積累效應生長為粗大柱狀組織,且能量密度越大,晶粒越大。拉夫堡大學的Mumtaz等在SLM成形Inconel625薄壁件時,采用脈沖整形技術改變脈沖周期內的能量分布,有效減少了成形過程中的粉末飛濺,改善了成形件的表面質量。國內華南理工大學、華中科技大學、西安交通大學和蘇州大學等在SLM成形工藝方面也做了大量研究。例如,蘇州大學的錢德宇等對SLM成形多孔鋁合金進行了研究,分析了多孔鋁合金的表面形貌、孔隙率、顯微組織、相組成及微觀力學性能,發現激光功率為130W時,孔隙率最大且多孔鋁合金晶粒尺度達到納米級別;激光功率變化對多孔鋁合金的納米硬度影響較大。

華南理工大學的劉洋等采用SLM成形了間隙尺寸為0.2mm的一系列傾斜角度的間隙特征,研究了成形厚度、傾斜角度和能量輸入等工藝參數對間隙大小的影響,并成形了免組裝的折疊算盤,如圖3所示。 同時,國內外增材制造相關研究機構及企業也一直在致力于SLM設備的研發。自德國Fockele & Schwarze (F&S)與德國弗朗霍弗研究所(Fraunhofer, ILT)聯合研制出第一臺SLM設備以來,SLM技術及設備研發得到迅速發展。

國外對SLM設備的研發主要集中在德國、美國、日本等國家,目前這些國家均有專業生產SLM設備的公司,如德國的EOS、SLM Solutions、Concept Laser公司;美國的3D Systems公司和日本的Matsuura公司等。德國EOS公司推出了EOS M100/M290/M400、EOSINT M280、PRECIOUS M080型SLM設備,其中EOS M400型SLM設備最大成形尺寸為400mm×400mm×400mm。SLM Solutions公司研發的SLM 500HL型SLM設備最大成形尺寸為500mm×280mm×365mm。2015年,德國弗朗霍夫研究所(Fraunhofer, ILT)和Concept Laser公司聯合研發出Xline2000R型SLM設備,其最大成形尺寸達到800×400mm×500mm。

目前,日本Matsuura公司研制出了金屬光造型復合加工設備LUMEX Avance-25,該設備將金屬激光成形和切削加工結合在一起,激光熔化一定層數粉末后,高速銑削一次,反復進行這樣的工序,直至整個零件加工完成,從而提高了成形件的表面質量和尺寸精度,與單純的金屬粉末激光選區熔化技術相比,其加工尺寸精度 小于±5μm,圖4為金屬光造型復合加工原理示意圖,圖5為SLM技術與SLM+銑削加工復合技術成形結果對比。國內方面,華中科技大學、華南理工大學、西北工業大學和西安交通大學等高校在SLM設備的研發方面做了大量的研究工作。其中,華南理工大學激光加工實驗室與北京隆源公司合作研制了最新一款DiMetal-100型SLM設備,成形致密度近乎100%的金屬零件,表面粗糙度Ra小于15μm,尺寸精度達0.1mm/100mm。

2016年,華中科技大學武漢光電國家實驗室的激光先進制造研究團隊率先在國際上研制出成形尺寸為500mm×500mm×530mm的4光束大尺寸SLM設備,首次在SLM設備中引入雙向鋪粉技術,成形效率高出同類設備20%~40%。 

高性能金屬零件激光增材制造技術的最新研究進展 

1   超聲振動輔助LCD
對IN718沉積態組織與性能的影響 LCD是最為重要的增材制造技術之一,然而高溫合金和高強度鋼等材料的LCD零件內部容易產生應力、微氣孔和微裂紋等缺陷,這些問題嚴重制約了其在航空航天、生物醫療等領域的應用步伐。借鑒超聲振動在鑄造、焊接領域中的除氣、細化晶粒、均勻組織成分、減小殘余應力的作用,超聲振動被引入到LCD系統中,以獲得高性能的金屬成形件。圖6為超聲振動輔助LCD系統示意圖。 

超聲振動輔助LCD IN718的試驗結果表明:施加超聲振動后,成形件的表面粗糙度和殘余應力得到顯著改善,微觀組織得到細化,其抗拉強度和屈服強度得到提高;與未施加超聲振動相比,當超聲頻率為17kHz、超聲功率為44W時,在x和y兩個方向上殘余應力分別降低了47.8%和61.6%,屈服強度和抗拉強度略有提高,延伸率和斷面收縮率分別達到29.2%和45.0%,即延伸率和斷面收縮率分別是鍛件標準的2.4倍和3倍。這些結果表明超聲振動輔助LCD為獲得高質量和高性能的LCD件提供了一種有效途徑。

2  感應輔助LCD 

DD4定向晶修復DZ125L葉片的研究LCD高溫合金時,高溫合金具有很高的裂紋敏感性,裂紋一般表現為沿晶界開裂,并順著沉積方向擴展,嚴重影響高溫合金的力學性能。而利用感應加熱來輔助LCD能夠很好地解決這些問題。通過感應加熱可有效減小基體與熔覆層之間的溫度梯度,一方面可以消除微觀缺陷(微氣孔和夾渣等);另一方面可以有效消除高溫合金裂紋的形成。故感應輔助LCD技術可有效提高高溫合金定向凝固組織的性能(見圖7)。 通過感應加熱來控制DD4實體成形過程中的散熱方向和正溫度梯度,可以獲得完整均勻外延生長的DD4柱狀定向晶。

此外,在感應加熱輔助LCD DD4實體成形過程中,柱狀晶一次枝晶間距的大小也發生了顯著的變化,如圖8所示,感應加熱1200℃時,柱狀晶一次枝晶平均間距為15.2μm,無感應加熱時經歷的柱狀晶一次枝晶平均間距為2.5μm,柱狀晶一次枝晶間距增大了5倍,且柱狀晶一次枝晶之間的橫向晶界和裂紋完全消失,這對于提高DD4定向晶修復DZ125L葉片的高溫性能具有重要意義,因為對于高溫合金DD4在1200℃高溫下,柱狀晶一次枝晶間距變大,晶界減少,對提高DD4高溫性能是非常有利的,為LCD DD4柱狀晶修復DZ125L定向晶葉片奠定了基礎。 

3   CuW功能梯度復合材料的LCD工藝研究 

用傳統熔滲法或混粉燒結法生產的銅鎢電觸頭,在使用過程中存在的一個主要問題是疲勞裂紋及掉渣現象(見圖9),即抗電弧侵蝕能力較差。從銅和鎢兩種材料的物理性質而言,雖然銅的熔點僅為1083℃,沸點為2595℃,但銅對激光具有高反射高導熱的特點;而鎢的熔點則高達3422℃,沸點為5655℃。銅鎢兩者的熱物理特性相差太大,鎢的密度和沸點是銅的兩倍多,鎢的熔點是銅的3倍多,在鎢還未熔化時,銅已經汽化了,需要足夠高的功率密度才能進行銅和鎢的LCD試驗。因此,采用感應輔助LCD技術,可成形CuW功能梯度材料零件(見圖10),成形零件具有良好的綜合力學性能。

本試驗重點研究CuW復合材料感應輔助LCD的成形工藝,解決Cu的高導熱、對激光的高反射率問題,研究CuW材料LCD的潤濕機制、缺陷形成機制,使成形的CuW復合材料滿足使用的力學性能和電學性能要求。 試驗結果顯示,在感應加熱溫度為400℃的條件下,試樣的成形質量最好。隨后在400℃預熱銅基板上 成形W的 質量分數分 別為50%、 60%、70%和 80%的CuW 復合材料(見圖11),以及在CuW復合材料成 形工藝參數的基礎上,成形了CuW 功能梯度材料,并分析 了CuW梯度復合材料的顯微組織和W顆粒分布的均勻性。掃描電鏡照片顯示在W的含量為70%和80%時,W顆粒分布比較均勻,但所有成形試樣中都存在極少量微氣孔,進一步試驗表明,激光表面重熔工藝可以有效減少成形試樣中的氣孔。 

4   送粉氣純度對激光熔覆

Fe314修復40Cr組織與性能的影響與惰性氣體相比,氮氣可以通過氮氣發生器從空氣中制取,更適用于野外、工礦、能源動力等多變復雜環境下失效零件的快速應急修復,使設備快速恢復正常使用,可以節約資源、降低經濟損失,具有重要的工程應用價值。選用99.999%N2、99.5%N2、98%N2 3種不同純度的氮氣送粉,在無保護的大氣環境中進行激光熔覆Fe314修復40Cr試驗,探討送粉氣的純度對修復零件組織與性能的影響,為熔覆修復系統選擇合適純度氮氣發生器確定科學依據。 

試驗結果表明:在一定范圍內,隨著氮氣純度的降低,熔覆層組織殘留的夾渣物略有增加,但對修復后的力學性能影響很小,采用純度98%~99.5%的氮氣發生器完全滿足修復性能要求。3種不同純度氮氣送粉氣條件下Fe314修復40Cr試樣 的抗拉強度均不低于1001MPa,延伸率不低于10%,硬度約HV0.2430,均超過基體的力學性能。圖12為采用Fe314激光熔覆修復40Cr中碳鋼齒輪零件的案例,熔覆層與基體為冶金結合,結合面處力學性能大于40Cr本體,可以實現野外及工況環境下齒類件零件的快速應急修復。

高性能金屬零件LAM技術作為 一種兼顧精確成形和高性能成性需求的一體化制造技術,已經在航空航天、生物醫學、汽車高鐵、產品開發等領域顯示了廣闊和不可替代的應用前景。但是,相比于傳統鑄鍛焊等熱加工技術和機械加工等冷加工技術,LAM技術的發展歷史畢竟才30年,還存在制造成本高、效率低、精度較差、工藝裝備研發尚不完善等問題,尚未進入大規模工業應用,其技術成熟度相比傳統技術還有很大差距。特別是LAM專用合金開發的滯后、LAM構件無損檢測方法的不完善以及相關LAM技術系統化、標準化的不足,在很大程度上制約了LAM技術在工業領域的應用。

除此之外,LAM合金的力學性能和成形幾何精度控制也遠未達到理想狀態,這一方面來自于對這些合金在LAM和后續熱處理過程中的控形和控性機理的研究和認識不夠系統深入,另一方面來自于對LAM過程的控制不夠精細。這也意味著,對于LAM技術,仍有大量的基礎和應用研究工作有待進一步完善。增材制造以其制造原理的突出優勢成為具有巨大發展潛力的先進制造技術,隨著增材制造設備質量的大幅度提高,應用材料種類的擴展和制造效率與精度的提高,LAM技術必將給制造技術帶來革命性的發展。(來源:南極熊 張安峰)


作者:張安峰 (教授,博士生導師,主要從事激光增材制造(3D打印)技術及其裝備,高性能金屬零件增材制造技術及其再制造修復工程等方面的研究。 *基金項目:國家重點專項“高性能金屬結構件激光增材制造控形控性研究”高性能金屬零件激光增材制造    技術研究進展國家自然科學基金項目;陜西省科技統籌創新工程計劃項目)

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