激光熔化沉積制備與成形技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

激光熔化沉積制備與成形技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

0基于激光表面合金化及激光熔覆的表面金融工程激光表面硬化是實(shí)現(xiàn)金屬快速硬化的三個基本方法之一，也是實(shí)現(xiàn)硬化和冷卻速度最快的快速硬化方法之一。在激光材料表面快速熔化過程中靈活地向熔池中加入合金元素(激光表面合金化)或直接熔化同軸同步輸送于零件表面的合金粉末(激光熔覆)和快速凝固,從而獲得成分、組織及性能完全不同于零件基材并具有細(xì)小均勻快速凝固非平衡組織特征(如枝晶及組織細(xì)化、溶質(zhì)元素高度過飽和固溶、低偏析或無偏析、形成各種亞穩(wěn)相、準(zhǔn)晶、非晶等非平衡相等)和所設(shè)計(jì)優(yōu)異特殊性能配合的特種表面冶金涂層材料,基于激光表面合金化及激光熔覆的激光表面工程(lasersurfaceengineering)技術(shù)已成為一種將特種涂層材料設(shè)計(jì)、合成及優(yōu)質(zhì)涂層制備有機(jī)融為一體的現(xiàn)代表面工程新技術(shù)之一。將快速凝固激光材料制備(rapidsolidificationlasermaterialsprocessing)與快速原型制造技術(shù)(rapidprototypemanufacturing)有機(jī)結(jié)合的激光熔化沉積制造技術(shù)(lasermeltingdepositionmanufacturing)是一種將“先進(jìn)材料制備”與高性能金屬零件快速“近凈成形”有機(jī)融為一體的先進(jìn)、低成本、數(shù)字化、知識化、綠色、快速制造技術(shù),是材料科學(xué)與先進(jìn)制造技術(shù)學(xué)科交叉領(lǐng)域國際前沿?zé)狳c(diǎn)研究方向之一。本文簡要報(bào)道北京航空航天大學(xué)激光材料制備與成形實(shí)驗(yàn)室近兩年來在先進(jìn)航空金屬結(jié)構(gòu)材料及特種涂層快速凝固激光熔化沉積制備與成形技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展。1件激光熔融沉積制造技術(shù)鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、耐蝕性及高溫力學(xué)性能優(yōu)異等突出特點(diǎn),在航空、航天、石化、船舶等工業(yè)裝備中用量越來越大,以航空應(yīng)用為例,如波音公司和空客公司研制的新一代民用客機(jī)(B-787型、A-380型)中鈦合金用量已由第三代(B-747型、A-300型)的不到4%上升到9%以上,第三代殲擊機(jī)中鈦合金結(jié)構(gòu)件用量由F-16型的約3%增加到了F/A18-E/F型、蘇-27型的15%以上,而第四代殲擊機(jī)F-22型的鈦合金結(jié)構(gòu)件用量已占機(jī)身結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的41%。但是,由于受鈦合金自身性能的影響,采用“鍛造+機(jī)械加工”等傳統(tǒng)技術(shù)制造這些復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件,不僅需要大型鈦合金鑄錠熔鑄與制坯、萬噸級以上水壓機(jī)等系列配套的重型鍛鑄工業(yè)設(shè)施,而且制造工序繁多、工藝復(fù)雜(如大型鈦合金鑄錠真空熔鑄、大規(guī)格鍛坯制備、大型鍛造模具加工、鍛壓加工、數(shù)控加工等)、零件機(jī)械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5%~10%)、數(shù)控加工時間長、制造成本高、生產(chǎn)周期長,嚴(yán)重制約了鈦合金結(jié)構(gòu)件在先進(jìn)工業(yè)及國防裝備中的廣泛應(yīng)用,高性能大型鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件的低成本、短周期成形制造技術(shù)也是制約我國航空航天裝備研制與生產(chǎn)的技術(shù)“瓶頸”之一!高性能金屬零部件激光熔化沉積制造技術(shù),以快速凝固激光材料制備加工技術(shù)為核心,利用快速原型制造技術(shù)在無需任何模具和工裝條件下快速成型任意形狀零件的基本原理,在金屬零件CAD實(shí)體模型離散切片數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動下,以快速凝固激光熔覆材料制備技術(shù)為手段,通過金屬材料的激光熔化-快速凝固逐層沉積,直接制備并成形出組織細(xì)小致密、成分均勻、性能優(yōu)異的高性能金屬材料及其近凈成形零件,是一種材料技術(shù)與制造技術(shù)有機(jī)融為一體的“新材料制備與高性能復(fù)雜零件快速近凈成形一體化”新技術(shù)。采用該技術(shù)制造金屬零件只需同一套通用的激光快速成形裝備,即可完成各種高性能金屬材料的制備與各種復(fù)雜金屬零部件的快速成形,與鍛壓+機(jī)械加工傳統(tǒng)制造技術(shù)相比,具有以下突出優(yōu)點(diǎn):(1)不需要鑄錠熔鑄、零件毛坯制備和鍛壓模具加工,也不需要大型或超大型鍛鑄工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及其相關(guān)配套設(shè)施,一步直接由粉末成為近終形零件;(2)由于激光熔化沉積制造的零件為形狀和尺寸精度都較高的近終形零件,與傳統(tǒng)鍛件相比,零件的機(jī)械加工余量很小、數(shù)控機(jī)械加工時間大幅縮短,材料利用率大幅提高;(3)零件的生產(chǎn)制造成本低、周期短;(4)工藝簡單、工序少、并具有高度的柔性與“超?！钡目焖俜磻?yīng)能力,是一種代表著先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展方向的無模、非接觸、數(shù)字化先進(jìn)制造技術(shù),對工業(yè)裝備中鈦合金等高性能關(guān)鍵金屬結(jié)構(gòu)件的短周期、低成本成形制造具有十分重要的意義。美國AeroMet公司同波音、洛克希德馬丁等飛機(jī)制造商緊密合作,采用激光熔化沉積制造技術(shù)生產(chǎn)的Ti-6Al-4V等鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件,已在F/A-18E/F型、F-22型等飛機(jī)及導(dǎo)彈等武器裝備中得到應(yīng)用。北京航空航天大學(xué)激光材料成形與制備實(shí)驗(yàn)室自1998年以來一直致力于鈦合金、高溫合金、耐熱高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼、金屬間化合物合金等先進(jìn)航空金屬結(jié)構(gòu)材料及其梯度材料激光熔化沉積成形工藝、成套工藝裝備及工程化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的研究,自主研制成功國內(nèi)首套、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“自由平面接觸/動態(tài)密封/惰性氣氛保護(hù)”鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形成套工藝裝備系統(tǒng)。突破了飛機(jī)鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積制造工藝及裝機(jī)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù),激光熔化沉積制造TC4、TA15、BT22、TC2等鈦合金室溫及高溫拉伸、高溫持久、高溫蠕變、光滑疲勞、缺口疲勞等力學(xué)性能均顯著超過鍛件的,特別是激光熔化沉積制造TA15鈦合金角盒等飛機(jī)結(jié)構(gòu)件疲勞壽命大幅超過鈦合金鍛件對比件,獨(dú)立制定出了我國首套、配套完整的激光熔化沉積制造飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件技術(shù)規(guī)范及裝機(jī)應(yīng)用技術(shù)條件。2005年來激光熔化沉積制造TA15鈦合金角盒、飛機(jī)座椅上下支座、腹鰭接頭等飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件,已在多種飛機(jī)上得到應(yīng)用,零件材料利用率提高了5倍、制造周期縮短了2/3、制造成本降低了1/2以上。使我國成為繼美國之后(2001年)、世界上第二個掌握飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積制造及裝機(jī)應(yīng)用技術(shù)的國家!近期在飛機(jī)大型主承力鈦合金結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積制造工藝、成套裝備、過程控制、長期工藝穩(wěn)定性及構(gòu)件質(zhì)量保障等系列核心關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展,激光快速成形制造出了零件單件質(zhì)量逾46kg的多種飛機(jī)大型關(guān)鍵鈦合金結(jié)構(gòu)件樣件及尺寸達(dá)1700mm×360mm×240mm的飛機(jī)大型主承力關(guān)鍵鈦合金全尺寸構(gòu)件。此外,還掌握了高性能梯度結(jié)構(gòu)材料零件激光熔化沉積制造關(guān)鍵技術(shù),激光熔化沉積制造出了Ti/TA15、TA15/TiAl、TC4/TA15/BT22、GH4141/1Cr12Ni2WMoVNb、Rene95/1Cr18Ni9Ti等多種梯度材料鈦合金、TiAl金屬間化合物零件樣件、直徑達(dá)550mm具有快速凝固徑向定向微細(xì)柱狀晶梯度組織的鎳基高溫合金發(fā)動機(jī)渦輪盤等全尺寸工藝樣件。2法制備與成型W、Mo、Nb、Ta等難熔金屬合金及MoSi2、Nb5Si3、W5Si3、Ta5Si3等難熔金屬間化合物基合金等熔點(diǎn)極高的金屬材料,往往只能采用粉末冶金方法制備與成型。作者利用激光束能量密度高而集中的特點(diǎn),發(fā)明了適用于難熔金屬材料鑄錠與零件快速熔化沉積成形、具有無接觸污染、無電極污染、合金元素?zé)o燒損、無夾雜物、無縮孔及疏松、組織致密、無宏觀偏析等突出優(yōu)點(diǎn)的“激光約束熔鑄成型新工藝”,并成功應(yīng)用于W基合金及W/W5Si3、W/W2Ni3Si、Mo/MoSi2等難熔金屬增強(qiáng)難熔金屬硅化物基高溫及超高溫“原位”復(fù)合材料的制備及鑄錠的激光約束熔煉與成型,該技術(shù)可望為難熔、高活性、高純凈合金材料的制備與零件成型開辟一條新途徑。3定向凝固技術(shù)由于高溫下鈦的高度化學(xué)活潑性,定向凝固過程中高溫鈦合金熔體幾乎會與所有高溫耐火材料模殼發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng),再加上鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很低,難以抑制凝固界面前沿熔體自型壁表面的形核和難以穩(wěn)定地在液-固界面前沿建立并維持定向凝固所需的冷卻速度與溫度梯度,迄今為止,國內(nèi)外均無法實(shí)現(xiàn)具有柱狀晶組織鈦合金零件的定向凝固。作者最近發(fā)明了“激光區(qū)域約束熔鑄定向凝固柱狀晶鈦合金制備與成形新方法”,制備出具有幾乎無發(fā)散度或低發(fā)散度挺直柱狀晶組織和優(yōu)異高溫力學(xué)性能的定向生長柱狀晶高溫鈦合金新材料,與等軸晶變形鈦合金相比,激光約束熔鑄成形柱狀晶鈦合金高溫持久壽命最大提高幅度超過一個數(shù)量級。4特殊材料表面改性雖然,鈦合金具有如上所述優(yōu)點(diǎn)及廣闊的應(yīng)用前景,但也存在著摩擦系數(shù)高、耐磨性低、易粘著、高溫高速摩擦易燃(“鈦火”)等固有缺點(diǎn),嚴(yán)重限制了鈦合金在航空發(fā)動機(jī)等先進(jìn)國防裝備中作為高溫摩擦磨損運(yùn)動副零部件的應(yīng)用和鈦合金優(yōu)異力學(xué)性能潛力的發(fā)揮。由于摩擦、粘著、磨損、氧化等失效行為均起源于鈦合金零件表面。因此,采用先進(jìn)的表面工程技術(shù),直接在鈦合金零件表面制備一層有低摩擦系數(shù)、優(yōu)異抗粘著磨損及磨料磨損性能、優(yōu)異抗氧化性能、涂層同鈦合金零件基材之間為牢固冶金結(jié)合、涂層性能及涂層厚度根據(jù)需要可靈活控制的特殊材料表面改性層,無疑是在保持鈦合金固有性能優(yōu)點(diǎn)的條件下,有效解決鈦合金摩擦系數(shù)高、摩擦系數(shù)不穩(wěn)定、室溫耐磨性及高溫耐磨性低、高溫抗氧化性能低等固有性能缺點(diǎn)最有效的方法之一。針對航空發(fā)動機(jī)等國防裝備關(guān)鍵鈦合金零部件的工作條件,作者近年來一直從事鈦合金激光表面合金化及激光熔覆技術(shù)表面改性技術(shù)的研究及應(yīng)用,成功研究出同時具有低摩擦系數(shù)、優(yōu)異耐磨性能、優(yōu)異抗氧化性能及優(yōu)異阻燃性能、同鈦合金基體之間完全冶金結(jié)合的Ti5Si3-TiC/Ti、Ti5Si3/Ti、Ti5Si3/NiTi2、Ti5Si3/Ti2Ni3Si、Ti2Ni3Si、Cr3Ni5Si2/Cr13Ni5Si2等金屬硅化物增強(qiáng)金屬間化合物多功能高溫耐磨耐蝕涂層新材料,使鈦合金耐磨性大幅提高100~790倍之多、摩擦系數(shù)降低50%以上,為鈦合金在航空航天、海洋、石油化工等機(jī)械裝備中作為摩擦磨損關(guān)鍵機(jī)械運(yùn)動副零部件應(yīng)用奠定了耐磨涂層材料與表面工程技術(shù)基礎(chǔ),部分成果已在高推比航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵高溫運(yùn)動副零部件上得到應(yīng)用。5熱噴涂涂層技術(shù)航空、航天、兵器、船舶等先進(jìn)國防裝備中,大量關(guān)鍵高溫運(yùn)動副零部件,在高溫氧化、腐蝕、熱腐蝕等惡劣環(huán)境條件下承受強(qiáng)烈摩擦磨損作用,服役條件十分惡劣,對材料要求十分苛刻,必需同時具有優(yōu)異高溫耐磨性能、優(yōu)異高溫抗氧化與抗熱腐蝕性能、低摩擦系數(shù)、優(yōu)良高溫自潤滑性能、優(yōu)異高溫摩擦學(xué)相容性及優(yōu)異高溫長期組織穩(wěn)定性等性能配合的高溫耐磨耐蝕多功能涂層新材料及其優(yōu)質(zhì)涂層制備新技術(shù)。目前國內(nèi)外廣泛研究和應(yīng)用的NiCr-Cr3C2、CoWC、NiCr-Cr2O3、CoCr-Cr2O3、NiCr-Al2O3等熱噴涂涂層,由于其材料脆性較大、對配偶摩擦副的磨損嚴(yán)重、摩擦學(xué)相容性差。另外,上述涂層都只能采用熱噴涂等方法制備,由于涂層組織中不可避免地存在一定量的疏松、孔隙等缺陷、特別是涂層與零件基材之間實(shí)際上是機(jī)械結(jié)合,在接觸機(jī)械應(yīng)力及熱應(yīng)力聯(lián)合作用下容易發(fā)生界面脫落現(xiàn)象,難以滿足高推比航空發(fā)動機(jī)等先進(jìn)國防裝備中大量關(guān)鍵高溫耐磨運(yùn)動副零部件的性能要求。針對高溫耐磨運(yùn)動副零部件的工作條件與性能要求,作者從摩擦學(xué)、耐磨材料與表面工程觀點(diǎn)出發(fā),利用過渡金屬硅化物的獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì),提出了“過渡金屬硅化物高溫耐磨耐蝕多功能涂層新材料及其優(yōu)質(zhì)涂層激光熔覆制備技術(shù)”研究新領(lǐng)域,成功研究出了Cr3Si/Cr2Ni3Si、Cr5Si3/CrSi、Mo2Ni3Si/NiSi、Ti2Ni3Si/NiTi、Cr13Ni5Si2、Ni2Si/NiSi等同時具有優(yōu)異耐磨、耐蝕、耐熱腐蝕、耐氧化、低摩擦、不粘金屬、“反常磨損載荷特性”(磨損量幾乎不隨磨損載荷的增加而變化)、“反常磨損速度特性”(磨損量隨磨損滑動速度的增加而減小)、“反常磨損溫度特性”(磨損量隨磨損試驗(yàn)溫度的