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中国突破600℃以上耐高温钛合金3D打印技术,将应用于某型号飞机

高温钛合金,具有优异的热强性、高比强度和良好的耐腐蚀性能,已经成为航空、航天、舰船等高端装备领域首选的新一代耐高温高性能结构材料。但是由于高温钛合金工艺性能的特殊性以及相对较高的材料成本,在制造较复杂形状和薄壁异型构件时,使用传统工艺制造存在制造周期长、材料利用率低、制造成本较高等问题,亟待开发新的制造工艺。

△高温钛合金材料激光沉积成形制件外观(未做表面处理,耐600℃以上高温)

为了解决上述问题,满足高性能结构材料3D打印的需求,鑫精合激光科技发展(北京)有限公司(以下简称鑫精合)自2017年开始,就持续开展了大量技术研发工作。

激光沉积增材制造技术(LMD)原理

鑫精合采用激光沉积增材技术(俗称送粉激光金属3D打印技术)进行高温钛合金材料成形制造,能够实现大型复杂结构零部件的低成本、快速整体成形,极大地提高材料利用率,同时节省模具成本、减少加工周期,能够很好的适应高端装备领域对快速响应、智能制造的要求。

△激光沉积增材制造工艺原理

以高功率激光为能量源,采用粉末同步送进的方式,将待熔粉末直接送入高能束激光产生的熔池中,由机床或机器人引导高能束激光逐层按轨迹行走,层层堆积最终成型出三维立体金属零部件。

激光沉积增材制造技术优势

可以精确控制能量输入、光斑直径(熔道宽度)、成形方式、扫描路径和层厚,实现任意复杂形状金属零件的成型制造。它在制造大型复杂高性能结构时具有高效率、低成本、高质量等优势。因此,研究高温钛合金材料的激光熔化沉积制造技术具有重要的理论意义和实用价值。

△天津镭明LM-S2510激光沉积增材制造设备

耐温600℃以上高温钛合金材料的激光沉积增材工艺

鑫精合技术研发团队首先从材料与工艺的匹配性入手,研究掌握了系列化耐温600℃以上高温钛合金材料的激光沉积增材工艺适应性。同时,鑫精合与中国科学院金属研究所、航天科工三院等单位合作,形成强强联合,开展了Ti60、Ti65、Ti750等高温钛合金牌号及800℃度以上钛合金基复合材料的材料开发、工艺摸索与设计应用技术研究,特别是通过六送粉头同时喷射多种不同合金元素及复合材料的方式,很好解决了传统冶炼过程偏析和难熔及多梯度温度冶炼难等问题,解决材料开发中的工艺性限制问题。

经过努力,鑫精合突破了600℃以上高温钛合金材料的激光沉积制造技术,掌握系列化高温钛合金材料的增材制造工艺。他们研发了高温钛合金材料分区成形策略、负搭接长城形扫描策略,结合搭接率参数的合理控制,并采用在激光沉积增材制造过程中添加活性金属粉末等方式,消除了高温钛合金激光沉积过程中可能出现的细微缺陷,实现了高温钛合金的高性能和高可靠性成形制造。

鑫精合旗下子公司天津镭明的LM-S2510激光沉积成形设备,制造出的600℃以上高温钛合金产品,已经在某飞机型号领域得到装机应用。

△高温钛合金激光沉积成形组织形貌(左图:优化前  右图:优化后)

3D打印的高温钛合金构件,内部组织均匀致密、缺陷可控,外观平整匀称,制件强度高、耐高温性好,综合性能优异。以某牌号高温钛合金为例,金属零件性能表现为:

室温抗拉强度达到1080MPa,屈服强度达到980MPa,延伸率达10%以上,冲击韧性αKU达到30J/cm2以上;

600℃高温拉伸强度可达700MPa,屈服强度达到560MPa,延伸率达到20%;

650℃高温拉伸强度到达640MPa,屈服强度达到500MPa,延伸率接近30%;

600℃450MPa应力下的高温持久达到30h以上;

650℃330MPa应力下的高温持久平均达到15h以上,并具有较高的断裂韧性值KIC。

激光沉积增材制造的高温钛合金材料,以其良好的综合性能,特别是600℃以上优异的高温性能,将有望在航空航天、舰船和化工等各行业广泛应用。这个技术的应用突破,将为我国高端装备制造领域提供更强有力的高性能材料和工艺技术。

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