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解析3D打印技术在大型铸锻件领域应用

导读: 只要应用得当,3D打印技术也可以像铸造、锻造以及焊接一样,成为大型铸锻件制造中不可缺少的重要生产工艺,并且在大型铸锻件行业的技术创新、降本增效、质量提升过程中发挥重要作用。

目前,3D打印技术的应用及研究主要 集中在航空航天、电子、医疗等精密零件的加工和修复领域 ,而在以铁基金属为主的大型铸锻件领域上的应用还很少。大型铸锻件产品,如火电主轴、核电封头、水轮机叶片等的重量动辄几十上百吨,而以目前的金属3D打印技术平均1kg/h的加工速度以及每公斤上千元的材料成本计算,采用大型铸锻件整体3D打印技术完成大型铸锻件的制造无法实现。但是,这并不是说3D打印技术不能在大型铸锻件领域得到广泛的应用。

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只要应用得当,3D打印技术也可以像铸造、锻造以及焊接一样,成为大型铸锻件制造中不可缺少的重要生产工艺,并且在大型铸锻件行业的技术创新、降本增效、质量提升过程中发挥重要作用。本文通过参考当前金属及非金属3D打印技术在其他领域取得的研究成果, 对未来3D打印技术在以铁基金属为主的大型铸锻件领域的应用方向进行了分析,从而为大型铸锻件行业的发展提供借鉴。

1 金属材料3D打印技术

3D打印钛合金大型整体主承力结构件等大型零件的金属材料的性能可以达到或接近锻件水平。3D打印技术修复涡扇发动机叶片技术实 现了3D打印与零件基体结合区域的性能达到了零件的要求。与传统的焊接相比,金属3D打印修复具有以下特点:

(1)热影响区小,不影 响基体组织应力分布;

(2)无需加热及后续热处理;

(3)3D打印组织与基体冶金结合致密,性能接近零件原组织;

(4)3D打印区域组织性能达到锻件水平;

(5)自动化控制,加工余量少。

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1.1 大型锻件局部3D打印成形

以AP1000核电主管道为例,设计要求采用超低碳控氮不锈钢整体锻造,锻件生产的主要难点是两个管嘴的成形,锻件材料利用率在15%以下。受3D打印技术修复涡扇发动机叶片的启发,核电主管道的成形可以简化为锻造或挤压不锈钢管+3D打印管嘴成形,该方法能够极大的降低核电主管道的生产难度及成本。

类似核电主管道及多管嘴封头等具有局部难成形特征的大型锻件都可以采用锻件主体+3D打印局部的方式成形, 该方法将在保证锻件整体质量的情况下大大降低锻件的生产难度、成本和周期。另外,还可将大型锻件局部3D打印成形的思路拓展到大型零件3D打印拼焊技术。如果3D打印区域以及3D打印区域与基体结合区域的金属材料性能都能达到锻件要求,这就预示着未来完全可以采用3D打印拼焊锻件代替整体大锻件。

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1.2 大型锻件缺陷修复

大型锻件表面及内部的超标缺陷、由于缺料造成的锻件加工余量不足等质量问题,都可能导致锻件的整体报废, 造成巨大的经济损失和能源浪费。由于焊接组织的性能低于锻件组织,因此锻件一般不容许补焊, 而金属3D打印技术的出现却能改变这一现状。目前,金属3D打印的某些材料性能已经能够达到锻件水平,如果3D打印组织与锻件基体的结合能达到锻件要求,就可以采用3D打印技术局部修补大型锻件的缺陷区域,从而提高锻件合格率。未来,随着3D打印技术的提高,类似大型铸件容许补焊一样,大型锻件也容许3D打印修复,这对于大型锻件生产工艺将是革命性的突破。

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1.3 大型零件在线修复

发电机转子、水轮机叶片、船用曲轴等大型零件在使用过程中会出现局部裂纹、磨损及变形等失效问题,传统的补焊方法需要通过机加工→预热→焊接→机加工→热处理等流程才能修复。修复工作需要在大型专业设备上进行,但是修复区域性能低于零件原组织,增加了维修成本、维修周期,维修效果也不理想。而采用机器人与3D打印技术相结合构成的便携式可移动金属3D打印设备能改变这一现状,实现大型零件的现场修复,甚至在线修复。机器人金属3D打印技术修复大型零件的具体操作步骤是:

(1)确定修复方案,对修复区域进行预处理;

(2)采用三维成像技术对修复区域进行三维反求建模;

(3)将修复区域三维模型转化为机械手移动路径;

(4)确定3D打印参数,机械手定位,进行修复;

(5)修复区域表面处理及检测。

1.4 大型零件表面处理

金属3D打印技术的一个重要发展方向就是 多材料以及渐变材料的3D打印成形,该领域的研究成果可以在大型零件,特别是在结构复杂或功能复杂零件的表面处理上得到应用。相比于电镀、热喷涂以及化学气相沉积等传统的金属表面处理方式,金属3D打印技术被看作是激光涂覆工艺的延伸,具有结合层牢固、涂层厚度大且可控、数字化控制、材料范围广等优势,特别是在大型零件的局部改性和强化方面优势明显。

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1.5 金属材料3D打印技术的研究重点

根据目前金属3D打印技术的发展情况,以 上研究方向在技术上都有很大的可行性,而且许多技术已在小型零件上得到应用。为了使金属3D打印技术在大型铸锻件领域早日得到应用,当前应在以下几个方面进行重点研究:

(1)材料方面。相对于钛合金及高温合金,大型铸锻件使用的铁基合金较为简单,关键是材料成本的控制。

(2)设备方面。目前3D打印设备的工作台面尺寸及承重有限,无法满足大型铸锻件局部加工要求,未来需要开发更加灵活便捷的加工设备。

(3)系统方面。3D打印制造及修复需要三维反求、建模、二维路径转化等操作,而大型铸锻件多为单件小批量生产,缺陷出现随机性大,因此未来需要对相应软件及操作进行集成,从而提高生产效率。

(4)工艺方面。不断优化金属3D打印工艺参数,使其更好适应大型铸锻件的特殊要求,预防开裂、变形以及脱落等缺陷的产生。

(5)性能方面。为了使3D打印技术在核电、火电以及大型压力容器等大型零件上得到持久应用,类似持久蠕变、低周疲劳等材料基础实验数据需要长期积累。

(6)标准问题。不同于小型零件,安全生产是大型铸锻件修复及制造的重点,而各种生产和质量标准的缺失是3D打印技术在该领域发展的重要瓶颈,标准的制定也需要较长的时间。

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