激光熔化沉积制备与成形技术在航空领域的应用

激光熔化沉积制备与成形技术在航空领域的应用

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实现金属快速硬化的三个基本方法之一，也是实现硬化和冷却速度最快的快速硬化方法之一。在激光材料表面快速熔化过程中灵活地向熔池中加入合金元素(激光表面合金化)或直接熔化同轴同步输送于零件表面的合金粉末(激光熔覆)和快速凝固,从而获得成分、组织及性能完全不同于零件基材并具有细小均匀快速凝固非平衡组织特征(如枝晶及组织细化、溶质元素高度过饱和固溶、低偏析或无偏析、形成各种亚稳相、准晶、非晶等非平衡相等)和所设计优异特殊性能配合的特种表面冶金涂层材料,基于激光表面合金化及激光熔覆的激光表面工程(lasersurfaceengineering)技术已成为一种将特种涂层材料设计、合成及优质涂层制备有机融为一体的现代表面工程新技术之一。将快速凝固激光材料制备(rapidsolidificationlasermaterialsprocessing)与快速原型制造技术(rapidprototypemanufacturing)有机结合的激光熔化沉积制造技术(lasermeltingdepositionmanufacturing)是一种将“先进材料制备”与高性能金属零件快速“近净成形”有机融为一体的先进、低成本、数字化、知识化、绿色、快速制造技术,是材料科学与先进制造技术学科交叉领域国际前沿热点研究方向之一。本文简要报道北京航空航天大学激光材料制备与成形实验室近两年来在先进航空金属结构材料及特种涂层快速凝固激光熔化沉积制备与成形技术的研究与应用进展。1件激光熔融沉积制造技术钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及高温力学性能优异等突出特点,在航空、航天、石化、船舶等工业装备中用量越来越大,以航空应用为例,如波音公司和空客公司研制的新一代民用客机(B-787型、A-380型)中钛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,第三代歼击机中钛合金结构件用量由F-16型的约3%增加到了F/A18-E/F型、苏-27型的15%以上,而第四代歼击机F-22型的钛合金结构件用量已占机身结构总质量的41%。但是,由于受钛合金自身性能的影响,采用“锻造+机械加工”等传统技术制造这些复杂钛合金结构件,不仅需要大型钛合金铸锭熔铸与制坯、万吨级以上水压机等系列配套的重型锻铸工业设施,而且制造工序繁多、工艺复杂(如大型钛合金铸锭真空熔铸、大规格锻坯制备、大型锻造模具加工、锻压加工、数控加工等)、零件机械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5%~10%)、数控加工时间长、制造成本高、生产周期长,严重制约了钛合金结构件在先进工业及国防装备中的广泛应用,高性能大型钛合金主承力结构件的低成本、短周期成形制造技术也是制约我国航空航天装备研制与生产的技术“瓶颈”之一!高性能金属零部件激光熔化沉积制造技术,以快速凝固激光材料制备加工技术为核心,利用快速原型制造技术在无需任何模具和工装条件下快速成型任意形状零件的基本原理,在金属零件CAD实体模型离散切片数据计算机数控系统驱动下,以快速凝固激光熔覆材料制备技术为手段,通过金属材料的激光熔化-快速凝固逐层沉积,直接制备并成形出组织细小致密、成分均匀、性能优异的高性能金属材料及其近净成形零件,是一种材料技术与制造技术有机融为一体的“新材料制备与高性能复杂零件快速近净成形一体化”新技术。采用该技术制造金属零件只需同一套通用的激光快速成形装备,即可完成各种高性能金属材料的制备与各种复杂金属零部件的快速成形,与锻压+机械加工传统制造技术相比,具有以下突出优点:(1)不需要铸锭熔铸、零件毛坯制备和锻压模具加工,也不需要大型或超大型锻铸工业基础设施及其相关配套设施,一步直接由粉末成为近终形零件;(2)由于激光熔化沉积制造的零件为形状和尺寸精度都较高的近终形零件,与传统锻件相比,零件的机械加工余量很小、数控机械加工时间大幅缩短,材料利用率大幅提高;(3)零件的生产制造成本低、周期短;(4)工艺简单、工序少、并具有高度的柔性与“超常”的快速反应能力,是一种代表着先进制造技术发展方向的无模、非接触、数字化先进制造技术,对工业装备中钛合金等高性能关键金属结构件的短周期、低成本成形制造具有十分重要的意义。美国AeroMet公司同波音、洛克希德马丁等飞机制造商紧密合作,采用激光熔化沉积制造技术生产的Ti-6Al-4V等钛合金关键结构件,已在F/A-18E/F型、F-22型等飞机及导弹等武器装备中得到应用。北京航空航天大学激光材料成形与制备实验室自1998年以来一直致力于钛合金、高温合金、耐热高强度钢、超高强度钢、金属间化合物合金等先进航空金属结构材料及其梯度材料激光熔化沉积成形工艺、成套工艺装备及工程化应用关键技术的研究,自主研制成功国内首套、具有自主知识产权的“自由平面接触/动态密封/惰性气氛保护”钛合金结构件激光快速成形成套工艺装备系统。突破了飞机钛合金次承力结构件激光熔化沉积制造工艺及装机应用关键技术,激光熔化沉积制造TC4、TA15、BT22、TC2等钛合金室温及高温拉伸、高温持久、高温蠕变、光滑疲劳、缺口疲劳等力学性能均显著超过锻件的,特别是激光熔化沉积制造TA15钛合金角盒等飞机结构件疲劳寿命大幅超过钛合金锻件对比件,独立制定出了我国首套、配套完整的激光熔化沉积制造飞机钛合金结构件技术规范及装机应用技术条件。2005年来激光熔化沉积制造TA15钛合金角盒、飞机座椅上下支座、腹鳍接头等飞机钛合金结构件,已在多种飞机上得到应用,零件材料利用率提高了5倍、制造周期缩短了2/3、制造成本降低了1/2以上。使我国成为继美国之后(2001年)、世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光熔化沉积制造及装机应用技术的国家!近期在飞机大型主承力钛合金结构件激光熔化沉积制造工艺、成套装备、过程控制、长期工艺稳定性及构件质量保障等系列核心关键技术上取得了突破性进展,激光快速成形制造出了零件单件质量逾46kg的多种飞机大型关键钛合金结构件样件及尺寸达1700mm×360mm×240mm的飞机大型主承力关键钛合金全尺寸构件。此外,还掌握了高性能梯度结构材料零件激光熔化沉积制造关键技术,激光熔化沉积制造出了Ti/TA15、TA15/TiAl、TC4/TA15/BT22、GH4141/1Cr12Ni2WMoVNb、Rene95/1Cr18Ni9Ti等多种梯度材料钛合金、TiAl金属间化合物零件样件、直径达550mm具有快速凝固径向定向微细柱状晶梯度组织的镍基高温合金发动机涡轮盘等全尺寸工艺样件。2法制备与成型W、Mo、Nb、Ta等难熔金属合金及MoSi2、Nb5Si3、W5Si3、Ta5Si3等难熔金属间化合物基合金等熔点极高的金属材料,往往只能采用粉末冶金方法制备与成型。作者利用激光束能量密度高而集中的特点,发明了适用于难熔金属材料铸锭与零件快速熔化沉积成形、具有无接触污染、无电极污染、合金元素无烧损、无夹杂物、无缩孔及疏松、组织致密、无宏观偏析等突出优点的“激光约束熔铸成型新工艺”,并成功应用于W基合金及W/W5Si3、W/W2Ni3Si、Mo/MoSi2等难熔金属增强难熔金属硅化物基高温及超高温“原位”复合材料的制备及铸锭的激光约束熔炼与成型,该技术可望为难熔、高活性、高纯净合金材料的制备与零件成型开辟一条新途径。3定向凝固技术由于高温下钛的高度化学活泼性,定向凝固过程中高温钛合金熔体几乎会与所有高温耐火材料模壳发生严重的化学反应,再加上钛合金的导热系数很低,难以抑制凝固界面前沿熔体自型壁表面的形核和难以稳定地在液-固界面前沿建立并维持定向凝固所需的冷却速度与温度梯度,迄今为止,国内外均无法实现具有柱状晶组织钛合金零件的定向凝固。作者最近发明了“激光区域约束熔铸定向凝固柱状晶钛合金制备与成形新方法”,制备出具有几乎无发散度或低发散度挺直柱状晶组织和优异高温力学性能的定向生长柱状晶高温钛合金新材料,与等轴晶变形钛合金相比,激光约束熔铸成形柱状晶钛合金高温持久寿命最大提高幅度超过一个数量级。4特殊材料表面改性虽然,钛合金具有如上所述优点及广阔的应用前景,但也存在着摩擦系数高、耐磨性低、易粘着、高温高速摩擦易燃(“钛火”)等固有缺点,严重限制了钛合金在航空发动机等先进国防装备中作为高温摩擦磨损运动副零部件的应用和钛合金优异力学性能潜力的发挥。由于摩擦、粘着、磨损、氧化等失效行为均起源于钛合金零件表面。因此,采用先进的表面工程技术,直接在钛合金零件表面制备一层有低摩擦系数、优异抗粘着磨损及磨料磨损性能、优异抗氧化性能、涂层同钛合金零件基材之间为牢固冶金结合、涂层性能及涂层厚度根据需要可灵活控制的特殊材料表面改性层,无疑是在保持钛合金固有性能优点的条件下,有效解决钛合金摩擦系数高、摩擦系数不稳定、室温耐磨性及高温耐磨性低、高温抗氧化性能低等固有性能缺点最有效的方法之一。针对航空发动机等国防装备关键钛合金零部件的工作条件,作者近年来一直从事钛合金激光表面合金化及激光熔覆技术表面改性技术的研究及应用,成功研究出同时具有低摩擦系数、优异耐磨性能、优异抗氧化性能及优异阻燃性能、同钛合金基体之间完全冶金结合的Ti5Si3-TiC/Ti、Ti5Si3/Ti、Ti5Si3/NiTi2、Ti5Si3/Ti2Ni3Si、Ti2Ni3Si、Cr3Ni5Si2/Cr13Ni5Si2等金属硅化物增强金属间化合物多功能高温耐磨耐蚀涂层新材料,使钛合金耐磨性大幅提高100~790倍之多、摩擦系数降低50%以上,为钛合金在航空航天、海洋、石油化工等机械装备中作为摩擦磨损关键机械运动副零部件应用奠定了耐磨涂层材料与表面工程技术基础,部分成果已在高推比航空发动机关键高温运动副零部件上得到应用。5热喷涂涂层技术航空、航天、兵器、船舶等先进国防装备中,大量关键高温运动副零部件,在高温氧化、腐蚀、热腐蚀等恶劣环境条件下承受强烈摩擦磨损作用,服役条件十分恶劣,对材料要求十分苛刻,必需同时具有优异高温耐磨性能、优异高温抗氧化与抗热腐蚀性能、低摩擦系数、优良高温自润滑性能、优异高温摩擦学相容性及优异高温长期组织稳定性等性能配合的高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及其优质涂层制备新技术。目前国内外广泛研究和应用的NiCr-Cr3C2、CoWC、NiCr-Cr2O3、CoCr-Cr2O3、NiCr-Al2O3等热喷涂涂层,由于其材料脆性较大、对配偶摩擦副的磨损严重、摩擦学相容性差。另外,上述涂层都只能采用热喷涂等方法制备,由于涂层组织中不可避免地存在一定量的疏松、孔隙等缺陷、特别是涂层与零件基材之间实际上是机械结合,在接触机械应力及热应力联合作用下容易发生界面脱落现象,难以满足高推比航空发动机等先进国防装备中大量关键高温耐磨运动副零部件的性能要求。针对高温耐磨运动副零部件的工作条件与性能要求,作者从摩擦学、耐磨材料与表面工程观点出发,利用过渡金属硅化物的独特物理化学性质,提出了“过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及其优质涂层激光熔覆制备技术”研究新领域,成功研究出了Cr3Si/Cr2Ni3Si、Cr5Si3/CrSi、Mo2Ni3Si/NiSi、Ti2Ni3Si/NiTi、Cr13Ni5Si2、Ni2Si/NiSi等同时具有优异耐磨、耐蚀、耐热腐蚀、耐氧化、低摩擦、不粘金属、“反常磨损载荷特性”(磨损量几乎不随磨损载荷的增加而变化)、“反常磨损速度特性”(磨损量随磨损滑动速度的增加而减小)、“反常磨损温度特性”(磨损量随磨损试验温度的