高温钛合金材料激光沉积增材制造技术应用取得重大突破

文章来源:MM《现代制造》 发布时间:2020-01-08
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为了解决问题,更好地满足航空航天领域对高性能结构材料的需求,鑫精合激光科技发展(北京)有限公司自2017年起持续开展了大量技术研发工作。采用激光沉积增材技术进行高温钛合金材料成形制造,能够实现大型复杂结构零部件的低成本、快速整体成形,极大地提高材料利用率,同时节省模具成本和加工周期,很好地适应高端装备领域对快速响应、智能制造的要求。

以航空航天为代表的高端装备领域对耐高温金属材料制造及应用技术有着巨大的需求,高温钛合金以其优异的热强性、超高的比强度和良好的耐腐蚀性能,成为航空、航天和舰船等首选的新一代耐高温高性能结构材料。由于高温钛合金工艺性能的特殊性以及相对较高的材料成本,在制造较复杂形状和薄壁异型构件时,使用传统工艺制造存在制造周期长、材料利用率低和制造成本较高等问题,亟待开发新的成形制造工艺。

为了解决上述问题,更好地满足航空航天领域对高性能结构材料的需求,鑫精合激光科技发展(北京)有限公司(以下简称:鑫精合)自2017年起持续开展了大量技术研发工作。采用激光沉积增材技术进行高温钛合金材料成形制造,能够实现大型复杂结构零部件的低成本、快速整体成形,极大地提高材料利用率,同时节省模具成本和加工周期,很好地适应高端装备领域对快速响应、智能制造的要求。

高温钛合金材料激光沉积成形制件外观(未做表面处理)
高温钛合金材料激光沉积成形制件外观(未做表面处理)

激光沉积增材制造技术(LMD)是以高功率激光为能量源,采用粉末同步送进的方式,将待熔粉末直接送入高能束激光产生的熔池中,由机床或机器人引导高能束激光逐层按轨迹行走,层层堆积最终成型出三维立体金属零部件。激光沉积增材制造可以精确控制能量输入、光斑直径(熔道宽度)、成形方式、扫描路径和层厚,实现任意复杂形状金属零件的成型制造。该工艺在制造大型复杂高性能结构时具有高效率、低成本和高质量等优势。因此,研究高温钛合金材料的激光熔化沉积制造技术具有重要的理论意义和实用价值。

鑫精合技术研发团队首先从材料与工艺的匹配性入手,研究掌握了系列化耐温600 ℃以上高温钛合金材料的激光沉积增材工艺适应性。同时,鑫精合与中国科学院金属研究所、航天科工三院等单位合作,形成强强联合,开展了Ti60、Ti65、Ti750等高温钛合金牌号及800 ℃以上钛合金基复合材料的材料开发、工艺摸索与设计应用技术研究,特别是通过六送粉头同时喷射多种不同合金元素及复合材料的方式,很好地解决了传统冶炼过程偏析和难熔及多梯度温度冶炼难等问题,解决了材料开发中的工艺性限制问题。

鑫精合公司研发团队经过长期技术研究,突破了600 ℃以上高温钛合金材料的激光沉积制造技术,掌握了系列化高温钛合金材料的增材制造工艺。技术团队研发了高温钛合金材料分区成形策略以及负搭接长城形扫描策略,结合搭接率参数的合理控制,并采用在激光沉积增材制造过程中添加活性金属粉末等方式,消除了高温钛合金激光沉积过程中可能出现的细微缺陷,实现了高温钛合金的高性能和高可靠性成形制造。鑫精合采用天津镭明公司LM-S2510激光沉积成形设备研发及制造的600 ℃以上高温钛合金产品(如图)已经在某飞机型号领域得到装机应用。

鑫精合研发团队采用上述技术制造的高温钛合金结构件内部组织均匀致密、缺陷可控,外观平整匀称,制件强度高,耐高温性好,综合性能优异。以某牌号高温钛合金为例,其通过增材制造的零件在室温下抗拉强度达到1080 MPa,屈服强度达到980 MPa,延伸率达10%以上,冲击韧性αKU达到30 J/cm2以上;在600 ℃高温下拉伸强度可达700 MPa,屈服强度达到560 MPa,延伸率达到20%;在650 ℃高温下拉伸强度到达640 MPa,屈服强度达到500 MPa,延伸率接近30%;在600 ℃高温、450 MPa应力下的高温持久达到30h以上;在650 ℃高温、330 MPa应力下的高温持久平均达到15 h以上,并具有较高的断裂韧性值KIC。

激光沉积增材制造的高温钛合金材料以其良好的综合性能,特别是优异的600 ℃以上高温性能,预期在航空航天、舰船和化工等各行业都具有广泛的应用前景。鑫精合携手国内优势技术力量,将为我国高端装备制造领域提供更强有力的高性能材料和工艺技术支撑。

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