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3D打印讓國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)更進(jìn)一步

高性能金屬構(gòu)件激光增材制造( 俗稱3D 打印)技術(shù),是一種將“高性能材料制備”與復(fù)雜金屬零件近凈成形有機(jī)融為一體的數(shù)字化、綠色片排、變革性先進(jìn)制造新技術(shù)。與傳統(tǒng)的鍛壓+機(jī)械加工速侈、鍛造+焊接等大型金屬構(gòu)件制造技術(shù)相比率寡,具有制造流程短迫卢,綜合力學(xué)性能優(yōu)異,材料利用率高冶共,生產(chǎn)成本較為低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)乾蛤,在某些方面甚至可代替價(jià)格極其昂貴的大型鍛鑄工業(yè)裝備,近20年來已成為國(guó)際材料加工工程與先進(jìn)制造技術(shù)學(xué)科交叉領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)比默。美國(guó)政府和工業(yè)界甚至將3D打印技術(shù)列為引發(fā)新一輪工業(yè)革命的21世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)幻捏。在我國(guó)盆犁,3D打印技術(shù)也不斷獲得重大突破帅唬,取得了一系列具有國(guó)際領(lǐng)先水平的重大成果。

例如北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室在王華明院士團(tuán)隊(duì)率領(lǐng)下蘸腾,經(jīng)20余年的不懈研究噪怜,在國(guó)際上率先突破了飛機(jī)鈦合金等大型關(guān)鍵主承力構(gòu)件激光增材制造工藝、成套裝備鸟焊、內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能控制及工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)予售。自2005 年以來,激光增材制造鈦合金飛機(jī)機(jī)身主承力框藕龄、翼身根肋湿斩、起落架等大型整體關(guān)鍵承力構(gòu)件,在國(guó)產(chǎn)合魅铮空軍新一代戰(zhàn)斗機(jī)忧埠,大型運(yùn)輸機(jī)、運(yùn)載火箭等航空航天重大裝備研制和生產(chǎn)中獲得了廣泛應(yīng)用元丈。最新消息稱坤乌,已研制成功具有原創(chuàng)核心技術(shù)、世界最大的激光增材制造設(shè)備(成形能力達(dá)7米×4米×3.5米)显驼,以及世界最大的16平方米3D打雍哂(某大型轟炸機(jī))某發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金加強(qiáng)框。2016年1月18日焊唬,王華明院士主持的“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”項(xiàng)目獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)恋昼。

軍事觀察者根據(jù)國(guó)內(nèi)外公開資料推測(cè),王華明院士在我國(guó)新一代重型和中型隱身戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件:高溫鈦合金雙性能整體葉盤也獲得了重大進(jìn)展赶促,采用了激光快速成形雙相鈦合金“ 特種熱處理”新工藝液肌, 激光增材制造出了具有梯度組織和梯度性能的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金整體葉盤,具有極為優(yōu)異的綜合力學(xué)性能芳杏。新一代高性能軍用飛機(jī)的優(yōu)異作戰(zhàn)性能強(qiáng)烈依賴于先進(jìn)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用矩屁,而整體葉盤技術(shù)將發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、輪盤等零件集成設(shè)計(jì)為一個(gè)整體構(gòu)件爵赵,可大幅減少零件數(shù)量吝秕,減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量泊脐,從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和使用可靠性。有資料稱較與傳統(tǒng)的榫齒連接結(jié)構(gòu)相比烁峭,每個(gè)整體葉盤可減重約30%容客。

國(guó)外第三代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的最新改型,如F414挤毯,F110-GE-129G蛙途,F100-PW-229A發(fā)動(dòng)機(jī)均部分改用了整體葉盤,大幅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)推重比两漫;第四代發(fā)動(dòng)機(jī)如EJ200汤袭,F119,F135的風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)則全部使用了整體葉盤制造技術(shù)宅集。隨著整體葉盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工能力的提升及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累席栅,其在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)展成熟。傳統(tǒng)鈦合金風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采用榫齒連接結(jié)構(gòu)拔灾,葉片和盤分開制造署霸,可以靈活選用不同材料或同一材料不同組織狀態(tài),這是因?yàn)槿~片需要高的強(qiáng)度继锰、塑性和高周疲勞強(qiáng)度性赠魂;而盤片則需要優(yōu)異的耐高溫性、低周疲勞性及損傷容限性及窃,兩者性能要求截然不同缆刁。整體葉盤如果采用同一種組織狀態(tài),往往難以滿足葉片和盤不同的受力和受熱條件要求航夺,在一定程度上各自損失了一些性能蕉朵。為了挖掘整體葉盤的最大性能潛力,必須發(fā)展雙性能整體葉盤技術(shù)阳掐。

目前雙性能整體葉盤技術(shù)的制造方法主要采用是焊接法始衅,通過線性摩擦焊等技術(shù)將不同性能的葉片和盤片焊接為一個(gè)整體。然而焊接法的最大問題是連接區(qū)域往往會(huì)成為整個(gè)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)缭保,這對(duì)于強(qiáng)調(diào)高可靠性和長(zhǎng)壽命的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件來說是個(gè)重要隱患汛闸。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展和不斷成熟,人們提出直接在盤體上增材生長(zhǎng)出葉片艺骂,通過同軸送粉激光熔覆方法诸老,在鈦合金盤體邊緣預(yù)先加工出凸臺(tái),逐層堆積成鈦合金葉片钳恕。

北航王華明院士團(tuán)隊(duì)經(jīng)長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)别伏,鈦合金激光增材制造過程中移動(dòng)熔池凝固存在池底外延生長(zhǎng)和熔池表面異質(zhì)形核兩種主導(dǎo)凝固方式,通過對(duì)熔池凝固兩種主要方式的主動(dòng)控制即可實(shí)現(xiàn)對(duì)增材制造金屬構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)和力學(xué)性能的主動(dòng)控制忧额。第一種熔池方式可使構(gòu)件獲得定向生長(zhǎng)全柱狀晶組織厘肮,其具有優(yōu)異的高溫持久蠕變性能愧口,第二種方式可使構(gòu)件獲得各向同性力學(xué)性能優(yōu)異的等軸晶凝固組織。這兩種方式通過人為交替排列咆杯,可獲得“鋼筋混凝土狀”混合凝固晶粒組織幌瓦。這種混合凝固晶粒組織迄今未見國(guó)內(nèi)外報(bào)道、傳統(tǒng)冶金鍛鑄技術(shù)也無法制備终太。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整體葉盤葉片和盤體組織性能的精確控制苫担,特別是整體葉盤的盤體到葉片的關(guān)鍵過渡區(qū),實(shí)現(xiàn)了組織性能的平穩(wěn)漸進(jìn)過渡辰丛,達(dá)到了航空發(fā)動(dòng)機(jī)專家所希望的要求滓层。

北航王華明院士團(tuán)隊(duì)還對(duì)激光增材制造雙性能整體葉盤技術(shù)后續(xù)熱處理技術(shù)進(jìn)行了深入研究,經(jīng)特殊熱處理后其塑性變形抗力尤其是抵抗裂紋擴(kuò)展能力極其優(yōu)異篙介,與傳統(tǒng)鍛造鈦合金相比卒赖,其疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值提高了61%踊嘲,而疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上村肯。隨著激光增材制造雙性能整體風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)葉盤技術(shù)的逐漸成熟,高溫合金渦輪盤增材制造技術(shù)有可能成為王華明院士團(tuán)隊(duì)下一個(gè)重點(diǎn)攻克的技術(shù)難點(diǎn)疏菩,有望為我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)趕超發(fā)達(dá)國(guó)家做出新的貢獻(xiàn)喊解。


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