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高溫鈦合金材料激光沉積成形技術應用某型號飛機

發布日期:2019-12-16  瀏覽次數:203
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  以航空航天為代表的高端裝備領域對耐高溫金屬材料制造及應用技術有著巨大的需求,高溫鈦合金以其優異的熱強性、高的比強度和良好的耐腐蝕性能,成為航空、航天、艦船等首選的新一代耐高溫高性能結構材料。由于高溫合金工藝性能的特殊性以及相對較高的材料成本,在制造較復雜形狀和薄壁異型構件時,使用傳統工藝制造存在制造周期長、材料利用率低、制造成本較高等問題,亟待開發新的成形制造工藝。
  為了解決上述問題,更好的滿足航空航天領域對高性能結構材料的需求,鑫精合激光科技發展(北京)有限公司(以下簡稱鑫精合)自2017年起持續開展了大量技術研發工作。采用激光沉積增材技術進行高溫鈦合金材料成形制造,能夠實現大型復雜結構零部件的低成本、快速整體成形,極大的提高材料利用率,同時節省模具成本和加工周期,能夠很好的適應高端裝備領域對快速響應、智能制造的要求。
  激光沉積增材制造工藝原理
  激光沉積增材制造技術(LMD)是以高功率激光為能量源,采用粉末同步送進的方式,將待熔粉末直接送入高能束激光產生的熔池中,由機床或機器人引導高能束激光逐層按軌跡行走,層層堆積最終成型出三維立體金屬零部件。激光沉積增材制造可以精確控制能量輸入、光斑直徑(熔道寬度)、成形方式、掃描路徑和層厚,實現任意復雜形狀金屬零件的成型制造。該工藝在制造大型復雜高性能結構時具有高效率、低成本、高質量等優勢。因此,研究高溫鈦合金材料的激光熔化沉積制造技術具有重要的理論意義和實用價值。
  鑫精合技術研發團隊首先從材料與工藝的匹配性入手,研究掌握了系列化耐溫600℃以上高溫鈦合金材料的激光沉積增材工藝適應性。同時,鑫精合與中國科學院金屬研究所、航天科工三院等單位合作,形成強強聯合,開展了Ti60、Ti65、Ti750等高溫鈦合金牌號及800℃度以上鈦合金基復合材料的材料開發、工藝摸索與設計應用技術研究,特別是通過六送粉頭同時噴射多種不同合金元素及復合材料的方式,很好解決了傳統冶煉過程偏析和難熔及多梯度溫度冶煉難等問題,解決材料開發中的工藝性限制問題。
  鑫精合公司研發團隊經過長期技術研究,突破了600℃以上高溫鈦合金材料的激光沉積制造技術,掌握系列化高溫鈦合金材料的增材制造工藝。技術團隊研發了高溫鈦合金材料分區成形策略以及負搭接長城形掃描策略,結合搭接率參數的合理控制,并采用在激光沉積增材制造過程中添加活性金屬粉末等方式,消除了高溫鈦合金激光沉積過程中可能出現的細微缺陷,實現了高溫鈦合金的高性能和高可靠性成形制造。鑫精合采用天津鐳明公司LM-S2510激光沉積成形設備研發及制造的600℃以上高溫鈦合金產品已經在某飛機型號領域得到裝機應用。
  高溫鈦合金材料激光沉積成形制件外觀(未做表面處理)
  高溫鈦合金激光沉積成形組織形貌(左圖:優化前 右圖:優化后)
  鑫精合研發團隊采用上述技術制造的高溫鈦合金構件內部組織均勻致密、缺陷可控,外觀平整勻稱,制件強度高、耐高溫性好,綜合性能優異。以某牌號高溫鈦合金為例,增材制造零件室溫抗拉強度達到1080MPa,屈服強度達到980MPa,延伸率達10%以上,沖擊韌性αKU達到30J/cm2以上;600℃高溫拉伸強度可達700MPa,屈服強度達到560MPa,延伸率達到20%;650℃高溫拉伸強度到達640MPa,屈服強度達到500MPa,延伸率接近30%;600℃450MPa應力下的高溫持久達到30h以上;650℃330MPa應力下的高溫持久平均達到15h以上,并具有較高的斷裂韌性值KIC。
  激光沉積增材制造的高溫鈦合金材料以其良好的綜合性能,特別是優異的600℃以上高溫性能,預期在航空航天、艦船和化工等各行業都具有廣泛的應用前景。鑫精合攜手國內優勢技術力量,將為我國高端裝備制造領域提供更強有力的高性能材料和工藝技術支撐。
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