【解析】高性能金属零件激光增材制造技术研究进展

来源:金属热处理工艺学作者:那顺桑

增材制造相对于减法制造,它通常是逐层累加的过程,是通过添加材料直接从三维数学模型获得三维物理模型的所有制造技术的总称,集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、电子束、激光等技术于一身,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。学术界称之为“增材制造”,大众和传媒界称之为“3D打印”。

    AM技术主要具有以下几个突出的特点:

(1)直接。从原材料的粉材、丝材直接成形出来,形状可以是任意复杂的三维零件,直接跨越了传统的铸造、锻造、焊接等工艺,还跨越了粗加工的过程,直接到精加工,这是AM技术最主要的特点;

(2)快速。物流环节少,制造工序少,制造周期加快;

(3)绿色。跟“直接”密切相关,中间的过程少了,基础零件不再被反复地加热、冷却,所以能耗就低了;

(4)柔性。AM技术可以充分发挥设计师的想象力,设计师的自由度大,可以设计出任意结构的零件;

(5)数字化、智能化为制造业的变革带来了可能,因为AM技术发展使传统的流水线、大工厂生产模式有网络化的可能性。故把这种新技术说成是具有直接、快速、绿色、柔性、数字化、智能化特点的AM技术。

两种典型LAM技术的成形原理及其特点LAM技术按其成形原理可分为两类:

(1)以同步送粉为技术特征的激光熔覆沉积(LaserCladdingDeposition,LCD)技术;

(2)以粉床铺粉为技术特征的选区激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)技术。下面着重概述这两种典型LAM技术的成形原理及其特点。

    1、LCD技术成形原理及特点

LCD技术是快速成形技术的“叠层累加”原理和激光熔覆技术的有机结合,以金属粉末为成形原材料,以高能束的激光作为热源,根据成形零件CAD模型分层切片信息的加工路径,将同步送给的金属粉末进行逐层熔化、快速凝固、逐层沉积,从而实现整个金属零件的直接制造。LCD系统主要包括:激光器、冷水机、CNC数控工作台、同轴送粉喷嘴、送粉器及其他辅助装置。

LCD技术集成了快速成形技术和激光熔覆技术的特点,具有以下优点:

(1)无需模具,可生产用传统方法难以生产甚至不能生产的复杂形状的零件;

(2)宏观结构与微观组织同步制造,力学性能达到锻件水平;

(3)成形尺寸不受限制,可实现大尺寸零件的制造;

(4)既可定制化制造生物假体,又可制造功能梯度零件;

(5)可对失效和受损零件实现快速修复,并可实现定向组织的修复与制造。

    主要缺点:

(1)制造成本高;

(2)制造效率低;

(3)制造精度较差,悬臂结构需要添加相应的支撑结构。

    2、SLM技术成形原理和特点

SLM技术是以快速原型制造技术为基本原理发展起来的先进激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层,获得各截面的轮廓数据后,利用高能激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末,通过逐层铺粉,逐层熔化凝固堆积的方式,实现三维实体金属零件制造。选区激光熔化系统主要由激光器及辅助设备、气体净化系统、铺粉系统、控制系统4部分组成。SLM技术具有以下优点:

(1)成形原料一般为金属粉末,主要包括不锈钢、镍基高温合金、钛合金、钴-铬合金、高强铝合金以及难熔金属等;

(2)成形零件精度高,表面稍经打磨、喷砂等简单后处理即可达到使用精度要求;

(3)适用于打印小件;

(4)成形零件的力学性能良好,一般力学性能优于铸件,不如锻件。

    主要缺点:

(1)层厚和光斑直径很小,导致成形效率很低;

(2)零件大小会受到铺粉工作箱大小的限制,不适合制造大型的整体零件;

(3)无法制造梯度功能材料,也无法成形定向晶组织,不适合对失效零件的修复。

    国内外激光增材制造技术的最新研究进展

    1.国内外LCD技术最新研究进展

国内外对于LCD技术的工艺研究主要集中在如何改善组织和提高性能。美国OPTOMEC公司和LosAlomos实验室、欧洲宇航防务集团EADS等研究机构针对不同的材料(如钛合金、镍基高温合金和铁基合金等)进行了工艺优化研究,使成形件缺陷大大减少,致密度增加,性能接近甚至超过同种材料锻造水平。例如,美国空军研究实验室Kobryn等对Ti6Al4V激光熔覆沉积成形工艺进行了优化,并研究了热处理和热等静压对成形件微观组织和性能的影响,大大降低了组织内应力,消除了层间气孔等缺陷,使成形件沿沉积方向的韧性和高周疲劳性能达到了锻件水平。

德国汉诺威激光研究中心Rottwinkel等利用感应加热对基体提前预热的方法解决了高温合金成形过程熔覆层开裂的问题,并应用于高温合金叶片的成形和修复。在国内,北京航空航天大学陈博等主要研究了钛合金零件的LCD工艺,并通过热处理制度的优化,使钛合金成形件组织得到细化,性能明显提高,成功应用于飞机大型承力结构件的制造,西安交通大学葛江波、张安峰和李涤尘等则通过单道-多道-实体递进成形试验,研究了工艺参数对铁基合金和镍基合金材料成形件的尺寸精度、微观组织和力学性能的影响规律,并实现了对成形零件的精确成形和高性能成性一体化“控形控性”制造。

LCD技术在零件修复领域也得到了广泛应用,美国Sandia国家实验室和空军研究实验室、英国Rolls-Royce公司、法国Alstom公司以及德国Fraunhofer研究所等均对航空发动机涡轮叶片和燃气轮机叶片的激光熔覆修复工艺进行了研究并成功实现了定向晶叶片的修复,如图1(a)所示。此外,美国国防部研发的“移动零件医院”,如图1(b),将LCD技术应用于战场环境,可以对战场破损零件(如坦克链轮、传动齿轮和轴类零件等)进行实时修复,大大提高了战场环境下的机动性。

同时,利用LCD技术,通过混合粉末或控制喷嘴同时输送不同的粉末,可以成形金属-金属和金属-陶瓷等功能梯度材料。美国里海大学的Fredrick等研究了利用LCD技术制造Cu与AISI1013工具钢梯度功能材料的可行性,通过工艺优化以及利用Ni作为中间过渡层材料,解决了梯度材料成形过程中两相不相容和熔覆层开裂的问题。美国南卫理公会大学的MultiFab实验室利用LCD技术成功制造了同时具有纵向和横向梯度的金属-陶瓷复合材料零件,如图2(a)所示。斯洛文尼亚马里堡大学也对Cu/H13梯度材料的LCD工艺进行了研究,得到了无裂纹的Cu/H13梯度材料,且试样拉伸强度高于普通铸造铜,如图2(b)所示。

此外,美国Sandia国家实验室和密苏里科技大学等研究机构也分别研究了Ti/TiC、Ti6Al4V/In625和In718/Al2O3等不同材料的功能梯度零件LCD成形工艺。国内方面,西北工业大学杨海鸥、黄卫东等研究了316L/Rene88DT梯度材料的LCD成形工艺,并总结了熔覆层微观组织和硬度随着梯度材料不同成分含量变化而变化的规律。西安交通大学解航、张安峰等进行了Ti6Al4V/CoCrMo功能梯度材料的LCD研究。此外,北京有色金属研究院席明哲等研究了316L/镍基合金/Ti6Al4V的成形工艺,沈阳理工大学田凤杰等则研究了梯度材料LCD成形同轴送粉喷嘴的设计。LCD设备的升级和改进也是国内外研究的热点之一。

美国密苏里科技大学Tarak等开发了LAMP加工系统,将LCD技术和CNC切削技术结合,在机床主轴上安装激光头,从而实现对熔覆成形后的零件实时加工,提高了生产效率,同时保证了零件精度。同样来自美国南卫理公会大学MultiFab实验室的研究人员将五轴联动技术应用于LCD,通过工作台摆动旋转调整,从而克服悬臂件加工支撑的问题,可以成形各类复杂悬臂零件。德国DMGMORI公司开发的LaserTec65同样将五轴联动切削加工与LCD结合起来,用于复杂形状模具、航空异形冷却流道等零件的加工制造。国内对于LCD设备的研究较少,目前西安交通大学正在研制一台五轴联动激光增材-减材一体化成形机。

    2、国内外SLM技术最新研究进展

在SLM成形工艺方面,国内外研究者在缺陷控制、应力控制、成形微观组织演变和提高成形件力学性能等方面开展了大量研究工作。德国弗朗霍弗研究所(Fraunhofer,ILT)研究人员在SLM成形不同臂厚的AlSi10Mg双悬臂梁时,对基板进行预热,发现当预热温度为250℃时,有效地降低了因温度梯度产生的热应力,将成形件与基板分离后,不同臂厚的双悬臂梁均未发生变形和开裂。利兹大学的Olakanmi等总结了近年来世界范围内针对铝合金SLM成形的工艺、微观组织和力学性能的研究成果。

曼彻斯特大学的Majumdar等研究了316L不锈钢粉末SLM成形过程中微观组织的变化规律,发现试件上表面由于热量沿各个方向散热为等轴晶显微组织,试件下部由于热积累效应生长为粗大柱状组织,且能量密度越大,晶粒越大。拉夫堡大学的Mumtaz等在SLM成形Inconel625薄壁件时,采用脉冲整形技术改变脉冲周期内的能量分布,有效减少了成形过程中的粉末飞溅,改善了成形件的表面质量。国内华南理工大学、华中科技大学、西安交通大学和苏州大学等在SLM成形工艺方面也做了大量研究。例如,苏州大学的钱德宇等对SLM成形多孔铝合金进行了研究,分析了多孔铝合金的表面形貌、孔隙率、显微组织、相组成及微观力学性能,发现激光功率为130W时,孔隙率最大且多孔铝合金晶粒尺度达到纳米级别;激光功率变化对多孔铝合金的纳米硬度影响较大。

华南理工大学的刘洋等采用SLM成形了间隙尺寸为0.2mm的一系列倾斜角度的间隙特征,研究了成形厚度、倾斜角度和能量输入等工艺参数对间隙大小的影响,并成形了免组装的折叠算盘,如图3所示。同时,国内外增材制造相关研究机构及企业也一直在致力于SLM设备的研发。自德国Fockele&Schwarze(F&S)与德国弗朗霍弗研究所(Fraunhofer,ILT)联合研制出第一台SLM设备以来,SLM技术及设备研发得到迅速发展。

国外对SLM设备的研发主要集中在德国、美国、日本等国家,目前这些国家均有专业生产SLM设备的公司,如德国的EOS、SLMSolutions、ConceptLaser公司;美国的3DSystems公司和日本的Matsuura公司等。德国EOS公司推出了EOSM100/M290/M400、EOSINTM280、PRECIOUSM080型SLM设备,其中EOSM400型SLM设备最大成形尺寸为400mm×400mm×400mm。SLMSolutions公司研发的SLM500HL型SLM设备最大成形尺寸为500mm×280mm×365mm。2015年,德国弗朗霍夫研究所(Fraunhofer,ILT)和ConceptLaser公司联合研发出Xline2000R型SLM设备,其最大成形尺寸达到800×400mm×500mm。

目前,日本Matsuura公司研制出了金属光造型复合加工设备LUMEXAvance-25,该设备将金属激光成形和切削加工结合在一起,激光熔化一定层数粉末后,高速铣削一次,反复进行这样的工序,直至整个零件加工完成,从而提高了成形件的表面质量和尺寸精度,与单纯的金属粉末激光选区熔化技术相比,其加工尺寸精度小于±5μm,图4为金属光造型复合加工原理示意图,图5为SLM技术与SLM+铣削加工复合技术成形结果对比。国内方面,华中科技大学、华南理工大学、西北工业大学和西安交通大学等高校在SLM设备的研发方面做了大量的研究工作。其中,华南理工大学激光加工实验室与北京隆源公司合作研制了最新一款DiMetal-100型SLM设备,成形致密度近乎100%的金属零件,表面粗糙度Ra小于15μm,尺寸精度达0.1mm/100mm。

2016年,华中科技大学武汉光电国家实验室的激光先进制造研究团队率先在国际上研制出成形尺寸为500mm×500mm×530mm的4光束大尺寸SLM设备,首次在SLM设备中引入双向铺粉技术,成形效率高出同类设备20%~40%。

    高性能金属零件激光增材制造技术的最新研究进展

    1、超声振动辅助LCD

对IN718沉积态组织与性能的影响LCD是最为重要的增材制造技术之一,然而高温合金和高强度钢等材料的LCD零件内部容易产生应力、微气孔和微裂纹等缺陷,这些问题严重制约了其在航空航天、生物医疗等领域的应用步伐。借鉴超声振动在铸造、焊接领域中的除气、细化晶粒、均匀组织成分、减小残余应力的作用,超声振动被引入到LCD系统中,以获得高性能的金属成形件。图6为超声振动辅助LCD系统示意图。

超声振动辅助LCDIN718的试验结果表明:施加超声振动后,成形件的表面粗糙度和残余应力得到显著改善,微观组织得到细化,其抗拉强度和屈服强度得到提高;与未施加超声振动相比,当超声频率为17kHz、超声功率为44W时,在x和y两个方向上残余应力分别降低了47.8%和61.6%,屈服强度和抗拉强度略有提高,延伸率和断面收缩率分别达到29.2%和45.0%,即延伸率和断面收缩率分别是锻件标准的2.4倍和3倍。这些结果表明超声振动辅助LCD为获得高质量和高性能的LCD件提供了一种有效途径。

    2.感应辅助LCD