激光增材制造在航空航天领域中的应用

近几年来,增材制造在全球范围内迅速走热,发展增材制造产业已经成为世界主要国家抢抓新一轮科技革命与产业变革机遇,抢占先进制造业发展制高点的竞争焦点之一。增材制造在航空航天领域的应用层面持续扩大,应用深度持续增加,美国Wohlers协会对增材制造在各行业应用情况持续分析中发现:在过去几年里,航空零件制造是增长最快的应用领域,预计2019年产能规模将达到60亿美元。该行业的应用具有小批量多样化的特点,对于轻量化、一体化、拓扑优化、提高材料利用率等具有很高的要求,而增材制造恰好能够最大程度地实现这些特殊需求,具有极高的附加值。

“航空航天增材制造”专题前言

航空航天产品通常具有多品种和小批量生产的特点。相比之下,增材制造技术由于具有无需模具、生产速度快以及能够实现近净成形等优势,在成本和效率方面相比传统制造方法有着显著的优势,特别适合用于制造航空航天领域的复杂结构。在新型号研制与定型阶段,增材制造技术已经发挥了不可替代的重要作用。自20世纪80年代诞生以来,航空航天领域的增材制造技术经历了从快速原型试制到零件装机应用,再到以发动机燃油喷嘴为代表的批量生产阶段;同时,其应用范围也从功能结构扩展到次承力结构,再到现在的大型框梁承力结构,为航空航天飞行器的结构减重和经济性提升等提供了重要支持。

激光增材制造AlMoxNbTayTiZr难熔高熵合金的高温抗氧化性能

难熔高熵合金具有优异的高温力学性能,但高温抗氧化能力一直是其应用的限制因素之一。利用激光增材制造技术设计并制备AlNbTaTiZr,AlMoNbTiZr,AlMoNbTaTiZr和AlMo_(0.5)NbTa_(0.5)TiZr四种难熔高熵合金,测试其在900℃和1000℃两种温度下的氧化增重情况并研究不同试样的氧化层结构,对比分析Mo,Ta两种元素对AlNbTiZr基难熔高熵合金高温抗氧化性能的影响。结果表明:激光增材制造制备的四种高熵合金沉积态均为BCC+HCP双相结构,枝晶干以高熔点BCC相为主,少量富含Al,Zr元素的HCP相分布在枝晶间;四种高熵合金在900℃与1000℃长时间氧化时AlNbTaTiZr表现出最佳的抗氧化性,以Ta替代Mo在一定程度上提升了难熔高熵合金的抗氧化性能。

电弧增材制造Mg-5Gd-2Y-0.4Zr合金直接时效处理下的力学性能研究

电弧增材制造(WAAM)技术制备的中低稀土含量镁合金有望通过直接时效处理即可获得优异的力学性能。采用电弧增材制造技术制备Mg-5Gd-2Y-0.4Zr合金,并对其微观组织和直接时效处理的力学性能进行研究。结果表明:沉积态合金具有晶粒尺寸细小(≤26μm)、基体内合金元素含量高以及晶间第二相少的特征。经过200℃×128h直接时效热处理后,合金的硬度从(63.3±2.2)HV_(0.3)提升至(85.1±2.1)HV_(0.3),达到固溶时效态硬度的95.6%;合金的抗拉强度、屈服强度也分别由(217.3±2.8)MPa、(91.0±7.7)MPa提升至(240.3±1.6)MPa、(130.9±2.5)MPa。Mg-5Gd-2Y-0.4Zr合金力学性能的显著提升,展现出直接时效处理的显著强化作用。

激光增材制造高性能大型钛合金构件凝固晶粒形态及显微组织控制研究进展

简要介绍高性能大型关键金属构件激光增材制造的技术特点,总结本团队在高性能大型关键钛合金构件激光增材制造过程中,对凝固晶粒形态和显微组织控制的主要研究进展:发现了钛合金构件激光增材制造过程中熔池底部外延生长和顶部异质形核两种主要形核生长机制,建立了基于增材制造工艺参数及凝固条件控制的全柱状晶、全等轴晶和柱状晶-等轴晶混合组织等凝固晶粒形态主动控制技术;发现了激光增材制造双相钛合金构件高性能特种双态显微组织新形态,并建立其固态相变理论及显微组织主动控制技术。

增材制造Ti6Al4V合金损伤容限性能研究进展

Ti6Al4V合金综合性能优异,是现阶段航空航天工业用量最大的钛合金。随着新一代航空航天装备对高效能、高可靠性、轻量化及长寿命等技术指标的要求日益提高,利用增材制造技术快速制备结构复杂的钛合金构件成为近年来的研究热点。伴随航空航天工业发展,损伤容限设计成为该领域结构设计和材料选择的基本判断依据。现有研究表明,增材制造Ti6Al4V合金损伤容限性能已经基本达到甚至超过锻造或轧制退火水平。以激光选区熔化成形技术、激光熔化沉积技术、电子束熔化成形技术和电弧增材制造技术制备的Ti6Al4V合金为对象,综述了不同增材制造工艺及后续热处理对显微组织、残余应力等损伤容限性能影响因素的影响,阐明了近年来增材制造Ti6Al4V合金损伤容限性能的相关研究进展。

显微组织对激光增材制造航空发动机用钛合金室温及中温拉伸性能的影响

为探究显微组织对航空发动机用双相钛合金在宽温度范围下拉伸行为的影响,采用激光增材制造技术制备了三种典型的双相钛合金,在室温及400℃下进行拉伸试验,并对拉伸断口与亚表面进行观察。结果表明,室温拉伸测试中,TC17中细小弥散的针状α相强化效果最好。TC11的初生α相的形状及尺寸与TC4相近,但TC11中的纳米级次生α相能够进一步提高强度。TC4中粗大的α相板条抵抗变形的能力差,强度最低。温度对三者的影响是相同的。400℃拉伸时,三种钛合金的强度降低但塑性增加。由于温度升高对相界面的弱化作用,TC17中细小的α相发生显著形变,TC11中次生α相的强化效果减弱,TC4中α相发生剧烈变形。通过对不同钛合金显微组织室温及中温拉伸性能的研究,为探索航空发动机钛合金在宽温度范围的力学性能提供参考。

激光增材连接TC4-DT钛合金的组织及力学性能

采用激光增材连接技术对“X”型坡口TC4-DT钛合金锻件进行连接,利用OM和SEM对连接后TC4-DT钛合金基材、热影响区和连接区三个区域的宏微观组织形貌进行表征分析;采用维氏硬度计测量三个区域的显微硬度;采用万能试验机和摆锤冲击仪对不同取样类型的试样进行室温拉伸和冲击实验。结果表明:激光增材连接区与基体形成致密的冶金结合;显微硬度分布从基材到连接区呈递增趋势;随着拉伸试样中连接区占比的降低,TC4-DT钛合金的强度表现为先升高后降低,而塑性却呈现降低的趋势;冲击韧性a kU均在55 J/cm^(2)以上,U型缺口开口方向对连接区冲击韧性影响较大,对结合区冲击韧性无明显影响。

异质金属激光增材制造研究及应用进展(特邀)

极端服役环境对空天等核心构件可靠性和集成性提出了严峻挑战。传统单一材料体系和制造工艺难以满足复杂性能需求。激光增材制造技术是实现异质金属结构-功能一体化的有效途径,但异质材料兼容问题(易诱发缺陷、加工参数响应不一等)限制了高质量异质界面的形成,这对制造装备与连接工艺提出了更高挑战。本文基于异质金属激光增材制造的最新研究进展,聚焦异质金属成型的关键问题及解决方案,回顾了近年来异质金属体系的发展及空天领域应用,从送粉方式、复合制造等方面介绍了激光增材装备的改进策略,总结了近年来激光增材技术在连接方式、参数调控、监测预测和前后端处理方面的研究进展,并针对这一技术的共性及难点问题给出了展望与思考。

激光增材制造TC4/TC11钛合金梯度结构温度场预测与显微组织分析

使用激光增材制造技术制备TC4/TC11钛合金梯度材料典型沉积试样,测量沉积过程中3个特征位置的温度历程,并对沉积试样进行显微组织观察。建立了激光增材制造TC4/TC11梯度材料结构温度场预测有限元模型。有限元模型的温度场计算结果与试验结果吻合较好,同时有限元模型所计算的Tβ温度转变线位置与试样显微组织中观察得到的结果一致。显微组织观察结果表明,试样中无缺陷,顶部为等轴晶区域,从增材底部到等轴晶区域之间存在贯穿整个增材区域的柱状晶;在Tβ温度转变线两侧微观组织有明显不同:最后一层增材过程中,温度超过Tβ的组织冷却后为超细α+β网篮组织,温度未达到Tβ的组织冷却后为带有大量α集束的α+β网篮组织;在设计界面(材料组分变化位置)处组织连续、无突变。

增材制造技术发展对飞机结构设计教学的影响

增材制造技术突破传统制造约束,带来飞机结构设计理念和方法的转变,成为提升飞机结构性能、降低成本的重要支撑。飞机结构设计是飞行器设计专业本科核心专业课程,培养面向增材制造的飞机结构设计人才是提高航空装备设计水平的必要内容。创新结构设计理念和多学科协同设计方法是面向增材制造结构设计人员的必备素质。北京航空航天大学飞机结构设计课程通过案例和实物教学引入基于增材制造的新结构型式、拓扑优化方法、设计/制造一体化理念、新结构考核验证等教学内容,重点培养学生的创新设计理念,同时为学生利用增材制造技术实现创新结构设计做必要的知识储备和工具支撑。

轧制+增材TC4合金电子束焊接接头组织与性能

研究了一种电子束焊接规范对轧制+增材TC4钛合金焊接接头组织影响,分析了焊后钛合金力学性能.结果表明,轧制侧热影响区合金组织变化较大,离焊缝中心距离越近,β转变组织含量增加,晶粒逐渐转变为等轴晶组织,等轴晶内有集束状马氏体α′相析出,越靠近焊缝等轴晶尺寸越大;增材侧热影响区组织形态变化较小,β晶粒形态保持柱状晶形态,无等轴晶区产生,晶内组织转变为马氏体α′相.焊缝两侧热影响区显微硬度变化趋势相同,均为越靠近焊缝中心,显微硬度越高,焊接重熔区硬度最高,达400HV左右.焊接接头力学性能与TC4钛合金锻件相当,且断裂位置均位于激光沉积母材区域.

浅述几种典型激光加工技术在航空制造领域的应用现状

由于极端、复杂的工作环境,航空工业对材料的加工质量和精度都有十分严苛的要求。相比传统制造技术,激光加工具有热影响区小、加工效率高、易于自动化控制等特点,因此在航空领域具有广阔的应用前景。结合航空工业的特点,综述激光熔覆、打孔、清洗和功能微结构等几种典型激光加工制造技术的应用现状。在阐明加工机理的基础上,重点分析激光加工技术如何增强表面性能和提高加工质量,并对未来航空领域激光加工的发展方向进行总结和展望。

适用于激光增材制造γ'相强化镍基高温合金的裂纹控制与成分设计研究进展(特邀)

γ'相强化镍基高温合金以其良好的高温组织与性能稳定性被广泛应用于航空航天、石油化工、汽车能源等领域,激光增材制造可满足现代工程领域对零部件内部结构优化与自身轻量化的要求,成为镍基高温合金复杂结构零部件制造与修复的新兴技术。然而,传统牌号的高强镍基高温合金的成分及强化机制与激光增材制造快速非平衡凝固及固态相变过程不适配,较宽的凝固温度区间和失衡的高温强韧性易引起微裂纹缺陷,难以保证合金的组织完整性和力学性能,严重制约了激光增材制造技术在高性能高温合金中的应用推广。基于此,本文综述了激光增材制造γ'相强化镍基高温合金裂纹的形成原因和影响因素,根据开裂机理从成分修正、成形工艺参数优化、后处理制度调控等方面总结了裂纹控制相关研究进展,探讨了当前能从根源上抑制裂纹的专用合金成分开发策略,并对激光增材制造γ'相强化镍基高温合金的未来发展方向进行了展望。

基于熔池原位冶金的电弧增材制造Al-Cu-Li合金显微组织与硬度

随着航空航天领域对大型轻量化构件的需求日益增加,研发新型Al-Li合金制备技术能够提升制造效率,减轻构件重量。本工作采用一种Al-Cu合金丝材与Al-Li二元合金粉末同步输送的电弧增材制造方法,成功制备了Al-Cu-Li合金试样。利用OM、SEM、XRD、TEM和Vickers硬度仪对试样的晶粒形貌、物相组成进行表征并测量硬度。结果表明,电弧增材制造Al-Cu-Li合金沉积态试样由10~20μm的细小等轴晶组成,且晶界处存在半连续网状共晶θ(Al_(2)Cu)相。增材制造热循环作用还会导致晶界附近析出T_(B)(Al_(7)Cu_(4)Li)相与T_(1)(Al_(2)CuLi)相。T_(1)相主要分布于试样的中部及底部,且随着增材制造热循环次数的增加T_(1)相含量呈上升趋势,试样底部的T_(1)相含量最高。电弧增材制造Al-Cu-Li合金沉积态试样的最大硬度为126.7 HV_(0.1),略高于其他电弧增材制造2219 Al-Cu合金,这主要得益于细小的等轴晶组织以及热循环的作用下所产生的T_(1)相。

4D打印——智能构件的增材制造技术

4D打印技术自2013年提出以来就引起了学术和工业界的广泛关注,它属于智能构件的增材制造技术,是在材料、机械、力学、信息等学科高度交叉融合基础上产生的颠覆性制造技术。讨论了4D打印的概念与内涵;介绍了4D打印在航空航天、汽车、生物医疗和软体机器人等领域的应用前景;阐述了4D打印在智能构件设计、模拟仿真、数据处理与工艺规划、材料、成形工艺与装备和智能构件的功能评测等方面的发展现状以及目前存在的一些问题;提出了关于4D打印的研究思考,最后指出了4D打印的未来发展方向和研究重点。

增材制造钛合金凝固晶粒调控研究进展

钛合金由于比强度高、耐腐蚀好、高温性能好等优异的性能而广泛应用于航空航天、船舶、核电等领域。增材制造技术为大型整体关键钛合金构件的短周期、低成本制造提供了变革性途径,但增材制造产生的粗大柱状晶组织导致了构件的各向异性,限制了合金性能的充分发挥。进行晶粒调控以消除各向异性、提高力学性能成为近些年的研究热点。本文综述了增材制造钛合金构件典型晶粒形貌及形成机制,阐述了国内外在增材制造钛合金晶粒调控方面的研究进展,包括工艺参数优化、微合金化改性与新合金成分设计、外加能量场、后续热处理、新型增材制造工艺和多种方法复合等,总结了各类方法的调控机制和调控效果,对增材制造钛合金凝固晶粒调控的未来发展提出了思考与展望。

面向航空发动机高性能制造的激光选区熔化技术研究进展

增材制造技术能够突破传统制造瓶颈,实现复杂几何结构的一体化设计制造,同时有助于提高产品零部件的可靠性,在空天制造领域有着广泛的应用前景。聚焦于航空发动机增材制造中的激光选区熔化技术(SLM),针对工艺端/性能端的共性问题,首先从技术优化(大幅面多光束技术、能场辅助技术)的角度回顾了各类实验参数对材料组织性能的调控;然后通过前沿技术手段(质量在线监测技术、智能化机器学习调控)的研究综述,探讨了监测/预测在成形过程前中端的优化作用;随后对SLM成形关键航空发动机材料进行了系统性总结,以更好地指导选材及性能调控;最后对现有SLM的技术方案和航空发动机材料种类进行了问题总结,并展望了未来的发展前景,旨在为航空发动机制造领域提供有价值的意见。

Al和Ti含量对激光熔炼Al_(x)NbTi_(y)V轻质高熵合金组织与性能的影响

轻质高熵合金在结构材料轻量化方面显示出巨大的应用价值,激光熔炼和激光增材制造技术因其极端冶金条件,为高熵合金研制提供了新思路。采用激光熔炼技术制备Al_(x)NbTiV(x=0.5~7)和AlNbTi_(y)V(y=1~7)纽扣试样,并对其相结构、显微组织和硬度进行了系统研究。结果表明:Al含量对合金相结构和显微组织有显著影响,Al含量低(x≤2)时,Al_(x)NbTiV合金由BCC单相固溶体组成;Al含量高(2<x≤7)时,合金出现金属间化合物,随着Al含量增加由BCC,TiAl相转变为TiAl_(3),NbAl_(3)相。Ti含量在一定范围(y≤7)不会影响合金相结构,AlNbTi_(y)V合金均由BCC单相固溶体组成。Al,Ti含量对合金硬度均有较大影响,Al_(x)NbTiV合金由BCC单相组成时,合金硬度随着Al含量的增加硬度升高,金属间化合物的出现使合金硬度不再随Al含量的变化而变化;AlNbTi_(y)V合金硬度随Ti含量的增加而降低。

激光增材修复Ti60钛合金显微组织及力学性能

对整体叶盘材料Ti60钛合金进行激光增材修复,研究其显微组织及力学性能。结果表明,热影响区组织呈现由基体区双态组织向修复区网篮组织的过渡特征,平均宽度约为900μm。修复区主要由贯穿多个沉积层的外延生长的柱状晶组成,柱状晶内为分布均匀的α相网篮组织。3个区域内均弥散分布着Ti_(3)(Sn,Al)小平面相,尺寸相近,其形貌和含量却因制备工艺凝固速度的不同而差异明显。3个区域硬度相当。拉伸试样断口特征表明激光增材修复Ti60钛合金的断裂机制为混合型断裂,平均抗拉强度和屈服强度分别为992.4和916.6 MPa,优于Ti60钛合金锻件强度标准,断后伸长率和断面收缩率的平均值为8.5%和14.6%,与Ti60钛合金锻件标准相差不大,达到实际工程应用要求。