粉末近净成形在航天发动机领域的应用

粉末近净成形(Powder metallurgy near net shaping,PM-NNS)技术能够制备出具有优异综合力学性能的粉末合金复杂部件。介绍了粉末热等静压(Hot isostatic pressing,HIP)近净成形技术原理及优势,综述了近年来国内外粉末近净成形在航天发动机领域的研究现状,从工艺路线和构件研制两方面展开,简述了构件制备过程的影响因素及缺陷控制,结合中国科学院金属研究所粉末近净成形技术在航天发动机领域的研究及应用情况,总结了粉末近净成形技术当前存在的主要问题及发展方向,以期进一步拓宽该技术的应用范围。

颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形有限元模拟

目的建立可靠的模拟方法,以更高效地预测颗粒增强铝基复合材料(PRAMC)粉末热等静压中的形状变化和不同部位致密度的差异,解决传统实验试错方法适用性差且费时费力的问题,满足批量应用的需求。方法以45%(体积分数)SiCp/6092Al复合材料为研究对象,构建了能预测粉末热等静压成形过程的有限元模型。使用Gurson-Tvergard-Needleman(GTN)模型作为粉末本构模型,建立了粉末尺度的代表性体积单元(RVE)对GTN模型进行修正。结果通过对比GTN模型计算结果与实验结果,发现修正后的GTN模型能更准确地预测模型的最终变形尺寸,与修正前相比,相对误差降低了1.6%~2.9%。使用修正后的GTN模型对杯形回转体零件的热等静压成形过程进行预测,最终形状的计算结果与实验结果的相对误差仅为0.2%~3.1%,致密度分布的相对误差在0.5%以内。在探究包套厚度对热等静压过程的影响时发现,随着包套厚度的增大,热等静压过程中的屏蔽作用增强,内部粉体致密度下降。结论为PRAMC热等静压近终形制备的形状和致密度控制问题提供了有限元预测工具,辅助优化了热等静压工艺和包套设计,降低了颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形过程开发的试错成本。

高温气冷堆压力容器封头近净成形技术研究

通过对高温气冷堆压力容器封头外形特点进行分析,提出了“预制板坯+冲压”的成形方案。通过对高温气冷堆压力容器封头锻件板坯制造和板坯冲压工艺方案进行研究,获得了整体长砧过中心镦剥的板坯控圆成形工艺和大直径板坯大位移小变形冲压成形工艺。通过工程实践,验证了高温气冷堆压力容器封头的近净成形方案合理可行。

激光近净成形Ni-Cu-Sn合金

利用激光近净成形技术成形出无变形的Ni-Cu-Sn合金样品。沿沉积方向显微组织主要为柱状晶,呈外延式跨层生长,长度随工艺参数不同而变化。平均显微硬度HV0.2在1700MPa左右,而弹性模量和延伸率波动较大,这与高功率下近净成形颗粒全熔化的凝固特性有关。

真空热处理对激光近净成形In625和C-276合金性能的影响

对激光近净成形两种镍基高温合金Inconel 625和Hastelloy C-276分别进行热处理实验,然后分析热处理工艺参数对合金室温拉伸性能的影响。结果分析表明:在800,900℃去应力热处理后,Inconel 625合金抗拉强度提升不明显,而在1000℃以上进行固溶处理后,合金抗拉强度得到提高。1100℃热处理后,Inconel 625合金的抗拉强度与沉积态相比得到明显提高。在800,900℃去应力热处理后,Hastelloy C-276合金强度也未明显提高,而在1000℃以上进行热处理,随着热处理温度提高,合金抗拉强度逐渐升高。1150℃进行热处理后,Hastelloy C-276合金的抗拉强度与沉积态相比得到明显提高。激光近净成形工艺制备的两种镍基高温合金室温拉伸断裂方式为韧性断裂。

镍基合金Inconel 740激光近净成形多方向温度场

利用ANSYS有限元数值模拟研究镍基高温合金激光近净成形中沉积方向(单层10道(0o方向)、斜对角10道(12o方向)、单道10层(90o方向))对第一道的热影响规律,并结合实验对模拟结果进行进一步的验证。结果表明:沉积单道10层对第一道的热影响最大。随着层(道)数增加,3个沉积方向的温度梯度均减小,单层10道方向与斜对角10道方向减小趋势相同;熔覆过程中第一道上中心点应力σx由压应力逐渐转变成拉应力,并且沉积单层10道时第一道上的拉应力数值最大。观察镍基合金Inconel 740成型后的组织发现,柱状晶的生长方向从下到上呈外延生长特征并略偏向于材料沉积方向,与模拟结果一致。

激光近净成形CBN磨具温度场仿真分析

为了探究激光近净成形CBN磨具实验时的温度场分布,用Simufac.Welding对其进行三维建模数值模拟。采用高斯面热源和圆柱体热源组合热源,综合考虑对流、热传导、相变潜热及热物性参数的影响,分析了不同工艺参数下温度场的分布规律,另外进行了实际测温,验证了温度场仿真的可靠性,最后根据剖面显微硬度值分析了激光近净成形加工的急热急冷特征。

Al_2O_3/ZrO_2陶瓷激光近净成形工艺研究及性能分析

利用激光近净成形技术及未添加任何粘结剂的纯陶瓷粉末直接制备了Al_2O_3/ZrO_2共晶陶瓷薄壁结构,对成形工艺进行了研究,获得了优化的工艺参数范围,并利用XRD、SEM及显微硬度测量等手段对成形样件的化学成分、微观组织、硬度及断裂韧性等进行了分析。结果表明,随激光功率的增加,成形件的裂纹呈先减少后增多的规律,裂纹数量在激光功率为454 W时开始明显减少,而当超过582 W时则又开始逐渐增多。成形样件的微观组织为共晶间距约100 nm的致密共晶组织,主要由稳定的α-Al_2O_3与t-Zr O_2构成,微观硬度最高可达17.5 GPa,断裂韧性为4.8±0.3 MPa·m^(1/2),达到了传统方法的制备水平。该研究表明激光近净成形技术基于陶瓷材料的熔化-凝固成形,为直接快速制备高性能陶瓷结构提供了一种全新的选择。

3D打印之激光近净成形技术专利分析

3D打印技术的革命性突破在于近年来该领域对钛合金、不锈钢等金属粉末的应用上。激光近净成形技术(LENS)近些年受到广泛关注。本文对激光近净成形技术的原理、专利申请状况、主要研发团队进行了分析。

大倾斜角薄壁结构激光近净成形实验研究

针对复杂装备零件的快速成形及修复问题,提出了一种在激光束与垂直方向之间设置预设夹角的方法,开展了不同预设夹角下无支撑倾斜薄壁结构的成形实验,研究了倾斜薄壁结构的大角度成形机理,给出了预设夹角范围的选择依据,以实现无支撑大倾斜角薄壁结构的成形。研究结果表明:成形过程中无支撑熔融粉末发生坍塌是导致最终成形结构形貌及角度成形精度不高的主要原因;当设定的预设夹角使得激光束与倾斜薄壁结构之间的夹角小于30°时,成形得到的无支撑倾斜薄壁结构形貌良好且实际倾斜角度与设计角度较吻合。给定工艺条件下,采用预设夹角的方式,最终成形得到了倾斜角度约为60°的倾斜薄壁结构,突破了激光近净成形方法成形无支撑倾斜薄壁结构的倾斜极限,成功获得了三元叶片样件。

激光近净成形SS316/Ni20复合材料的开裂机理

采用激光近净成形制备梯度材料时异种材料的混合易产生缺陷,严重制约了梯度材料的应用。采用激光近净成形技术制备不同成分比的SS316/Ni20复合材料薄壁结构,并利用OM、SEM、XRD、EDS等检测手段研究不同成分比时复合材料的显微组织、相组成及元素分布。对裂纹的微观形貌、裂纹断面的元素分布进行分析。结果表明:在给定工艺条件下,SS316质量分数为100%、20%~0时成形件形貌较好,无裂纹缺陷,SS316质量比在90%~30%时成形件发生开裂。裂纹沿晶界扩展,裂纹断面上晶粒清晰可辨,属于热裂纹范畴。成形件开裂主要原因是凝固过程中杂质元素在晶界偏析形成连续的液膜,以及硬质相在晶界上的连续析出,降低晶粒间的结合强度,使其在残余应力作用下产生开裂。

基于激光熔化成形包套的热等静压近净成形试验研究

实验采用选择性激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)技术制作包套,并将这些包套用于热等静压实验。从相对致密度和微观组织方面分析比较使用SLM包套和不使用SLM包套制得的零件,确定用SLM技术制作热等静压包套的可行性。

激光近净成形工件边缘凸起的数值模拟

为了分析激光往复扫描下薄壁工件的边缘凸起问题,文章建立了熔池的二维热传导和流体流动模型,分析了多层工件的熔池温度分布和形貌特征;通过计算有效送粉量,得到多层工件的成形高度预测,解释了边缘凸起的形成原因。激光在每层工件的边界处改变扫描方向,熔池被连续加热而扩大,导致熔池与粉斑的重合面积扩大,增加了有效送粉时间,进而导致工件边缘处熔融的粉末过多、形成凸起。数值计算结果表明,缩小粉斑面积能有效减小边缘凸起问题。

沉积效率对激光近净成形316L不锈钢组织及性能的影响

利用激光近净成形技术进行了316L不锈钢单道多层结构的制备。在相同的激光功率及扫描速度条件下,通过调整送粉率及层间提升量实现了不同沉积效率的成形,并讨论了不同沉积效率下成形结构的微观组织及力学性能特征。结果表明,在一定的激光功率及扫描速度条件下,随着送粉率及层间提升量的提升,沉积效率由初始工艺参数条件下的12.14 mm^3/s提高至22.62 mm^3/s,提高了86.3%。同时成形单位有效体积消耗的激光能量由初始工艺参数条件下的98.84 J/mm^3降低至53.06 J/mm^3,能量利用效率提高了46.32%。成形结构的微观组织呈柱状枝晶形态,随着沉积效率的提高,枝晶长度呈明显的增大趋势。性能检测结果显示,不同沉积效率下的样件力学性能保持了较高的一致性,并未随沉积效率的提高而降低,成形样件抗拉强度及屈服强度分别稳定在510 MPa与290 MPa,延伸率稳定在40%左右,显微硬度也未出现明显波动,处于180 HV,均达到了锻造的同等水平。该研究表明,在一定的工艺参数范围内,可以实现沉积效率及力学性能的协同优化,达到低能耗高效制备高性能零件的效果。

激光近净成形Inconel 718高温合金的力学性能与耐腐蚀性能

以气雾化Inconel 718高温合金粉末为原料,采用激光近净成形增材制造技术制备用于酸性油田密封件与管道的Inconel 718合金,然后采用2种不同工艺进行热处理。通过扫描电镜与透射电镜观察、拉伸试验以及电化学腐蚀试验,对该合金的组织、力学性能和耐腐蚀性能进行分析和研究。结果表明:激光成形沉积态Inconel 718合金的主要缺陷为空心颗粒和氧化物颗粒,合金具有优异的抗腐蚀性能,但力学性能较差,抗拉强度为866.9 MPa。经过热处理后,由于γ″和γ′复合强化相的析出,合金的抗拉强度明显提高,伸长率降低。其中经均匀化+固溶+双时效处理的合金具有更优异的力学性能,抗拉强度达1 211.9 MPa,满足油田密封件管道的性能要求,且腐蚀性能优于目前用于酸性油田的轧制态Inconel 718高温合金。

Ti_(2)AlNb合金粉末热等静压成形的组织和性能

分别采用等离子旋转电极雾化法(Plasma rotating electrode process,PREP)和无坩埚感应熔炼超声气体雾化法(Electrode induction melting gas atomization,EIGA)制备了Ti_(2)AlNb洁净预合金粉末,并对预合金粉末进行了表征。通过热等静压(Hot isostatic pressing,HIP)工艺制备了Ti_(2)AlNb合金,研究了制粉工艺对Ti_(2)AlNb合金显微组织与力学性能的影响。试验结果表明,与PREP法相比,EIGA法制备的Ti_(2)AlNb粉末振实密度更高;基于粉末热等静压近净成形技术,在1030℃/140 MPa/3 h的条件下开展了Ti_(2)AlNb叶轮的成形研究,有限元模拟结果显示,粉末振实密度越高,部件热等静压后变形程度越小,综合考虑构件成形,优选振实密度更高的EIGA制粉工艺制备Ti_(2)AlNb粉末合金复杂部件。

体能量密度对Ni60/WC激光近净成型形貌和性能的影响

研究了体能量密度,及相同体能量密度下不同送粉工艺组合对LENS(Laser Engineered Net Shaping)制备的Ni60/WC样件的尺寸精度、缺陷率、显微硬度以及摩擦磨损性能的影响。研究发现,能量密度的升高使成型效率逐步上升;相同能量密度下,通过调控粉盘转速和气流量可以使成型效率提高。在能量密度333J/mm^(3)、粉盘转速6 rpm、气流量6 L/min的工艺下,获得了最高成型效率,最大高度为22.7mm。在能量密度283J/mm^(3)、粉盘转速6 rpm、气流量4 L/min的工艺下,获得最优机械性能,磨损率为36.04μm^(3)N^(-1)mm^(-1)。当能量密度为291J/mm^(3)时样块的显微硬度最大,为68.1 HRC,当能量密度为291J/mm^(3)时,缺陷率最小,为0.07%。

激光近净成形GH99合金的裂纹分析

对GH99合金在激光近净成形过程中裂纹形成的原因进行了研究和讨论,提出了优化工艺参数的解决办法。结果表明:内部裂纹呈现为短线状-针状,其在柱状晶晶界或二次枝晶间形成,垂直于沉积方向,沿细密的定向组织晶界分布和扩展;在晶界上Al和Ti元素的富集容易析出γ′(Ni_3(AlTi))相,弱化了晶界,使晶界熔化并在凝固时难以补缩,造成裂纹形核;在快速的热循环过程中,残余应力的不断累积造成裂纹沿晶界扩展;通过优化工艺参数以降低热输入,可以克服GH99合金在激光近净成形中的热裂纹形成,实现构件的无裂纹增材成形。

五轴联动与激光近净成形的混合制造技术研究

为了弥补加工制造技术上的局限性,在五轴联动计算机数控加工中心的基础上,采用增减材混合制造的技术方法集成激光近净成形制造装置,在结构上形成激光增减材混合制造装置;并基于UG后处理构造器开发增减材混合制造的后处理系统,在功能上实现对零件的增减材混合制造。结果表明,可实现复杂金属零件的一次成形,减少因多次装夹引起的加工误差和低效;相较于单一的增材、减材加工模式,产品成品率提高20%以上,加工时间缩短45%以上,支撑减少30%以上,尤其对于有封闭内流道的零件,其内流道表面精度达到0.6μm,有效延长零件的服役寿命,实现了零件弱支撑、无支撑、无干涉、高精度和高效率的加工。该研究可为激光增减材混合制造的工艺方案、制造模式、应用拓展提供参考。

激光近净成形中熔池宽度实时监控系统的研究

在激光近净成形过程中,为了快速有效地获取熔池区域信息并加以控制,文设计了CCD同轴拍摄系统获取熔池的双色图像,可以准确地获得熔池区域的图像信息,并利用最小外接矩形图像处理方法快速有效地获取熔池宽度,通过PID控制器调节激光功率加以控制。实验表明,基于双色图像的CCD同轴拍摄方法和熔池宽度闭环控制系统有效解决了激光往复扫描下薄壁工件的边缘凸起和上下宽度不均匀的问题。